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物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的高精度測距方案_單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)

jf_94171069 ? 來源:jf_94171069 ? 作者:jf_94171069 ? 2024-09-24 11:37 ? 次閱讀
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物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用單點(diǎn)TOF(Time of Flight,飛行時(shí)間)激光雷達(dá)的原因主要基于其獨(dú)特的優(yōu)勢和應(yīng)用場景的需求。以下是詳細(xì)的解釋:

單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)的優(yōu)勢

高精度測距:

TOF激光雷達(dá)通過測量光脈沖往返目標(biāo)的時(shí)間來計(jì)算距離,這種方法能夠提供高精度的距離數(shù)據(jù)。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中,精確的距離測量是許多應(yīng)用的基礎(chǔ),如自動(dòng)導(dǎo)航、環(huán)境建模和路徑規(guī)劃等。

抗干擾能力強(qiáng):

由于使用主動(dòng)光源,TOF激光雷達(dá)在光源不傷害人眼的情況下,抗干擾能力相對(duì)較強(qiáng)。這意味著它可以在復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定工作,減少因外部干擾而導(dǎo)致的誤差。

成本相對(duì)較低:

相比于其他類型的激光雷達(dá),如相干探測激光雷達(dá),TOF激光雷達(dá)的系統(tǒng)構(gòu)建相對(duì)簡單,因此成本也相對(duì)較低。這對(duì)于大規(guī)模部署在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的設(shè)備來說是一個(gè)重要的考慮因素。

探測距離靈活:

TOF激光雷達(dá)的探測距離可以根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié),通過調(diào)整光源的強(qiáng)度或接收器的靈敏度,可以實(shí)現(xiàn)從短距離到中長距離的不同探測需求。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用需求

環(huán)境感知:

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)感知周圍環(huán)境的變化,包括障礙物的位置、形狀和大小等。單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)能夠提供精確的距離信息,幫助系統(tǒng)構(gòu)建環(huán)境的三維模型,從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的環(huán)境感知。

自主導(dǎo)航:

自動(dòng)駕駛機(jī)器人等領(lǐng)域,自主導(dǎo)航是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要功能之一。單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)可以通過測量與周圍物體的距離,為系統(tǒng)提供導(dǎo)航所需的精確位置信息,幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主避障和路徑規(guī)劃。

安全監(jiān)控:

在安全監(jiān)控領(lǐng)域,物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測特定區(qū)域的安全狀況。單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)可以部署在關(guān)鍵位置,通過測量與周圍物體的距離變化來檢測潛在的入侵行為或異常情況。

工業(yè)測量:

工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域,用于精確測量物體的位置和尺寸。

綜上所述,物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)的原因在于其高精度測距、抗干擾能力強(qiáng)、成本相對(duì)較低以及探測距離靈活等優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使得單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、自主導(dǎo)航和安全監(jiān)控等功能的重要工具。同時(shí),隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的進(jìn)一步降低,單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用前景將更加廣闊。

本文會(huì)再為大家詳解激光雷達(dá)家族中的一員——單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)介紹

激光雷達(dá)最基本的工作原理與無線電雷達(dá)沒有區(qū)別,即由雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào),打到被測目標(biāo)物上,引起散射,經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集,通過測量反射光的運(yùn)行時(shí)間而確定目標(biāo)的距離。

至于目標(biāo)的徑向速度,可以由反射光的多普勒頻移來確定,也可以測量兩個(gè)或多個(gè)距離,并計(jì)算其變化率而求得速度,這也是直接探測型雷達(dá)的基本工作原理。激光雷達(dá)的作用就是精確測量目標(biāo)的位置(距離與角度)、形狀(大小)及狀態(tài)(速度、姿態(tài)),從而達(dá)到探測、識(shí)別、跟蹤目標(biāo)的目的。激光雷達(dá)是一種雷達(dá)系統(tǒng),是一種主動(dòng)傳感器,所形成的數(shù)據(jù)是點(diǎn)云形式。其工作光譜段在紅外到紫外之間,主要發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、測量控制和電源組成。

如今,激光雷達(dá)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、無人駕駛、AR/VR、3D打印等多個(gè)領(lǐng)域,根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同,激光雷達(dá)的類型也存在一定差異,機(jī)器人是目前激光雷達(dá)應(yīng)用最為火熱的領(lǐng)域之一。

激光雷達(dá)測距原理

1、三角測距原理

三角測距原理如上圖:

wKgaombyM_OAJQACAAFbYbCZO_U408.jpg

wKgZombyM_SATJlTAAB9BxPWjGU181.jpg

這樣就可得到物體到激光發(fā)射器的距離 d dd 了,激光雷達(dá)將這樣的發(fā)射器和接收器組裝在一起,經(jīng)過機(jī)械旋轉(zhuǎn)360°即可得到一周障礙物的距離。

wKgaombyM_SAMjobAACAmo5-pJo075.jpg

2、TOF測距原理

由三角測距的計(jì)算公式不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)距離 d dd 很大時(shí),每變化 δ d delta dδd 引起的 x xx 變化很小,導(dǎo)致精度下降,這就限制了測量范圍。

而TOF(Time of flight)原理克服了測量距離這一難點(diǎn),并且提高了精度:

wKgZombyM_aAKxnwAACSDgfNA1Y693.jpg

TOF原理十分簡單,就是利用光速測距。首先激光發(fā)射器發(fā)射激光脈沖,計(jì)時(shí)器記錄發(fā)射時(shí)間;脈沖經(jīng)物體反射后由接收器接受,計(jì)時(shí)器記錄接受時(shí)間;時(shí)間差乘上光速即得到距離的兩倍。

TOF原理看似簡單,但是實(shí)現(xiàn)起來確有很多難點(diǎn):

計(jì)時(shí)問題:由于光速過快,測量時(shí)間會(huì)變得很短。據(jù)網(wǎng)上數(shù)據(jù)得:1cm的測量距離對(duì)應(yīng)65ps的時(shí)間跨度。這需要計(jì)時(shí)器的精確度很高。

脈沖問題:發(fā)射器需要發(fā)射高質(zhì)量的脈沖光,接收器接受脈沖光的時(shí)候需要盡量保持信號(hào)不失真。

對(duì)于同一距離的物體測距時(shí),得到的回波信號(hào)可能不一樣,如下圖的黑白紙,這就需要特殊的處理方式來處理。但總的來說TOF原理的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過三角測距,只是由于諸多難點(diǎn)導(dǎo)致成本略高。像大一立項(xiàng)時(shí)因?yàn)闆]錢,所以用的三角測距的思嵐A1,精度不是很高。而ROBOCON戰(zhàn)隊(duì)里的sick激光雷達(dá)就是TOF原理,精度非常高,貴是有道理的。

單點(diǎn)激光雷達(dá)是基于TOF即時(shí)間飛行法,采用相位法實(shí)現(xiàn)測距功能。產(chǎn)品發(fā)出經(jīng)調(diào)制的近紅外光,遇物體后反射,單點(diǎn)激光雷達(dá)通過計(jì)算調(diào)制紅外光的發(fā)射、反射后產(chǎn)生的相位差,來換算與被測目標(biāo)物體之間的距離,以產(chǎn)生深度信息。

單點(diǎn)激光雷達(dá)具有IP65高防塵防水等級(jí),抗強(qiáng)光干擾。它體積小,操作簡單,能精準(zhǔn)探測快速移動(dòng)車輛,準(zhǔn)確性高達(dá)99%。單點(diǎn)激光雷達(dá)無需具備2D激光雷達(dá)的二次開發(fā)能力,內(nèi)置獨(dú)立算法可同時(shí)測出車速、車長、車寬、車高等多項(xiàng)數(shù)據(jù),成本較低,后期維修簡單,整體性價(jià)比非常高。

tof激光雷達(dá)原理

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單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)選型參數(shù)

單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)的選型參數(shù)通常包括以下幾個(gè)方面:

測量范圍:這是激光雷達(dá)能夠測量的最大和最小距離。例如,某些型號(hào)可能具有20米至180米不等的測量范圍。

測量精度:指激光雷達(dá)測量距離的準(zhǔn)確度,通常以厘米為單位表示,如±3cm或±5cm。

測量頻率:即激光雷達(dá)每秒能夠進(jìn)行的測量次數(shù),這決定了其響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)處理能力。常見的測量頻率范圍從幾百Hz到幾千Hz不等。

抗環(huán)境光能力:表示激光雷達(dá)在強(qiáng)光環(huán)境下的工作能力,通常以Klux為單位表示,如100Klux。

激光束發(fā)散角和接收視場角:這兩個(gè)參數(shù)影響激光雷達(dá)的探測范圍和精度。發(fā)散角越小,激光束越集中;接收視場角越大,激光雷達(dá)能夠接收到的反射光范圍越廣。

激光波長:常見的激光波長有850nm和905nm等,不同波長的激光在穿透力和反射特性上有所不同。

防護(hù)等級(jí):表示激光雷達(dá)的防塵防水能力,如IP65等級(jí)表示設(shè)備能夠防止灰塵進(jìn)入并具有一定的防水能力。

供電電壓和功耗:這些參數(shù)決定了激光雷達(dá)的能源需求和續(xù)航能力。

通信接口:包括LVTTL、TTL、IIC、RS232RS485等多種類型,用于與控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)使用注意事項(xiàng)

環(huán)境評(píng)估:在使用前評(píng)估環(huán)境的光照和氣象狀況,確保激光雷達(dá)能夠在正常條件下工作。

避免遮擋:盡量選擇開闊的測量位置,減少高墻、大樹等遮擋物的干擾。

目標(biāo)識(shí)別:確保正確識(shí)別目標(biāo),并根據(jù)目標(biāo)表面特性選擇合適的測量模式。

固定角度:保持激光雷達(dá)與目標(biāo)之間的固定角度,避免角度變化過大導(dǎo)致測距誤差增大。

安全使用:激光雷達(dá)發(fā)出的激光束可能對(duì)眼睛和皮膚造成傷害,因此在使用時(shí)應(yīng)佩戴適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)裝備。

單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):

高精度:能夠?qū)崿F(xiàn)亞毫米級(jí)的測量精度。

高速度:能夠以很高的速率進(jìn)行測量,適用于高速移動(dòng)物體的測距。

大測量范圍:測量范圍通常較大,適用于不同距離范圍內(nèi)的測量需求。

抗干擾能力強(qiáng):對(duì)光照、顏色和表面反射性質(zhì)的影響較小。

構(gòu)造簡單:由較少的光學(xué)和電子元件組成,易于制造和集成。

缺點(diǎn):

成本較高:相對(duì)于其他測距技術(shù),單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)的成本較高。

受多路徑干擾影響:當(dāng)光脈沖與目標(biāo)物體的反射光同時(shí)經(jīng)過多個(gè)路徑到達(dá)傳感器時(shí),會(huì)影響測量精度。

功耗較大:在進(jìn)行高速測量時(shí)需要較大的能量消耗。

視場較小:只能測量單個(gè)點(diǎn)的距離,不能提供目標(biāo)物體的三維形狀信息。

單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)廠商

目前市場上有多家生產(chǎn)單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)的廠商,如杭州光珀智能科技有限公司、氪見(南京)科技有限公司、蘇州鐳智傳感科技有限公司等。這些廠商在激光雷達(dá)領(lǐng)域具有豐富的技術(shù)積累和產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn),能夠提供高質(zhì)量的單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)產(chǎn)品。請(qǐng)注意,以上列舉的廠商僅供參考,具體選擇時(shí)還需根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行評(píng)估和比較。

供應(yīng)商A:北醒(北京)光子科技

1、產(chǎn)品能力

(1)主推型號(hào)1:TFmini-I2C-01 A02

對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

產(chǎn)品功能

TFmini-I2C 是一款小型激光雷達(dá)模組。主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、無接觸式的距離測量功能,具有測量準(zhǔn)

確、穩(wěn)定、高速的特點(diǎn)。

測距原理

TFmini-I2C 基于 TOF(Time of Flight)即飛行時(shí)間原理。具體為產(chǎn)品周期性的向外發(fā)出近紅外

光調(diào)制波,調(diào)制波遇物體后反射。產(chǎn)品通過測量調(diào)制波往返相位差,得到飛行時(shí)間,再計(jì)算出產(chǎn)品

與被測目標(biāo)之間的相對(duì)距離,如圖 1 所示。

wKgZombyM_eAWKMOAABcwwEXzcU093.jpg

關(guān)鍵特性參數(shù)

參數(shù)名稱 參數(shù)值

測距范圍 0.3m~12m①

測量準(zhǔn)確度 ±6cm@(0.3-6m)② ±1%@(6m-12m)

默認(rèn)距離單位 cm

距離分辨力 1cm

接收半角 1.15°

發(fā)射半角 1.5°

測量頻率 100H

2、支撐

(1)技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

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    ,而激光雷達(dá)則使用激光信號(hào)。這兩種技術(shù)通常采用相同類型的飛行時(shí)間方法來確定物體的距離。然而,由于激光的波長比無線電波短得多,因此激光雷達(dá)系統(tǒng)
    的頭像 發(fā)表于 12-13 16:13 ?525次閱讀
    全場景適用!TS Spectrum高速數(shù)字化儀在<b class='flag-5'>激光雷達(dá)</b><b class='flag-5'>系統(tǒng)</b><b class='flag-5'>中</b>的應(yīng)用

    激光雷達(dá)在安防監(jiān)控的優(yōu)勢

    在現(xiàn)代安防監(jiān)控系統(tǒng),技術(shù)的進(jìn)步不斷推動(dòng)著監(jiān)控手段的革新。激光雷達(dá)(LiDAR)作為一種高精度的遙感技術(shù),近年來在安防監(jiān)控領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。 1.
    的頭像 發(fā)表于 10-27 11:00 ?1675次閱讀

    激光雷達(dá)在農(nóng)業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用

    在現(xiàn)代農(nóng)業(yè),技術(shù)的進(jìn)步正在改變我們種植、管理和收獲作物的方式。激光雷達(dá)(LiDAR)技術(shù),作為一種高精度的遙感技術(shù),已經(jīng)成為這一變革的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。 1. 作物監(jiān)測與管理 激光雷達(dá)技術(shù)
    的頭像 發(fā)表于 10-27 10:54 ?1663次閱讀

    如何提升激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的精度

    激光雷達(dá)(LiDAR,Light Detection and Ranging)是一種通過發(fā)射激光脈沖并測量其反射回來的時(shí)間來測量距離和速度的遙感技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于地理信息系統(tǒng)(GIS)、自動(dòng)駕駛汽車
    的頭像 發(fā)表于 10-27 10:53 ?1927次閱讀

    聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)高精度RTK定位方案的實(shí)現(xiàn)_高精度定位模塊

    聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為什么要使用高精度定位模塊 聯(lián)網(wǎng)
    的頭像 發(fā)表于 09-26 17:53 ?2928次閱讀
    <b class='flag-5'>物</b><b class='flag-5'>聯(lián)網(wǎng)</b><b class='flag-5'>系統(tǒng)</b>中<b class='flag-5'>高精度</b>RTK定位<b class='flag-5'>方案</b>的實(shí)現(xiàn)_<b class='flag-5'>高精度</b>定位模塊

    聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)駕駛的“眼睛”_純固態(tài)激光雷達(dá)

    激光雷達(dá)的優(yōu)勢 1、高精度和高分辨率: 純固態(tài)激光雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確測量和識(shí)別,其高精度和高分辨率的特性使得它在
    的頭像 發(fā)表于 09-24 14:43 ?1817次閱讀
    <b class='flag-5'>物</b><b class='flag-5'>聯(lián)網(wǎng)</b><b class='flag-5'>系統(tǒng)</b><b class='flag-5'>中</b>的自動(dòng)駕駛的“眼睛”_純固態(tài)<b class='flag-5'>激光雷達(dá)</b>

    TS高速數(shù)字化儀在激光雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用

    ,而激光雷達(dá)則使用激光信號(hào)。這兩種技術(shù)通常采用相同類型的飛行時(shí)間方法來確定物體的距離。然而,由于激光的波長比無線電波短得多,因此激光雷達(dá)系統(tǒng)
    的頭像 發(fā)表于 09-20 11:13 ?781次閱讀
    TS高速數(shù)字化儀在<b class='flag-5'>激光雷達(dá)</b><b class='flag-5'>系統(tǒng)</b><b class='flag-5'>中</b>的應(yīng)用

    如何在激光雷達(dá)和接近檢測利用高速比較器提高精度

    電子發(fā)燒友網(wǎng)站提供《如何在激光雷達(dá)和接近檢測利用高速比較器提高精度.pdf》資料免費(fèi)下載
    發(fā)表于 09-02 09:33 ?0次下載
    如何在<b class='flag-5'>激光雷達(dá)</b>和接近檢測<b class='flag-5'>中</b>利用高速比較器提<b class='flag-5'>高精度</b>

    引爆行業(yè)熱潮,飛芯電子相干4D FMCW無人機(jī)偵測激光雷達(dá)震撼發(fā)布!

    。 據(jù)當(dāng)前發(fā)展態(tài)勢,預(yù)計(jì)至2024年底,中國品牌的市場占有率將進(jìn)一步攀升至90%以上,甚至可能觸及95%。在技術(shù)方案層面,ToF測距技術(shù)仍處于市場主流地位,成為眾多應(yīng)用的首選。不過作為新興技術(shù)的FMCW
    的頭像 發(fā)表于 08-28 10:20 ?783次閱讀
    引爆行業(yè)熱潮,飛芯電子相干4D FMCW無人機(jī)偵測<b class='flag-5'>激光雷達(dá)</b>震撼發(fā)布!