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激光三角测距法原理

2019-03-21 08:34
SLAMTEC
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激光三角测距法作为低成本的激光雷达规划计划,可获得高精度、高性价比的使用作用,并成为室内服务机器人导航的首选计划,本文将对激光雷达中心组件进行介绍并要点论述依据激光三角测距法的激光雷达原理。

激光雷达四大中心组件

激光雷达主要由激光器、接纳器、信号处理单元和旋转组织这四大中心组件构成。

激光器:激光器是激光雷达中的激光发射组织。在作业过程中,它会以脉冲的办法点亮。以思岚科技的RPLIDAR A3系列雷达为例,每秒钟,它会点亮和平息16000次。

接纳器:激光器发射的激光照耀到障碍物今后,通过障碍物的反射,反射光线会经由镜头组会聚到接纳器上。

信号处理单元:信号处理单元担任操控激光器的发射,以及接纳器收到的信号的处理。依据这些信息核算出方针物体的间隔信息。

旋转组织:以上3个组件构成了丈量的中心部件。旋转组织担任将上述中心部件以安稳的转速旋转起来,然后完结对地点平面的扫描,并发作实时的平面图信息。

激光三角测距法原理

现在激光雷达的丈量原理主要有脉冲法、相干法和三角法3种,脉冲法和相干光法对激光雷达的硬件要求高,但丈量精度比激光三角法要高得多,故多用于军事范畴。而激光三角测距法因其成本低,精度满意大部分商用及民用要求,故得到了广泛重视。

激光三角测距法主要是通过一束激光以必定的入射视点照耀被测方针,激光在方针外表发作反射和散射,在另一视点使用透镜对反射激光会聚成像,光斑成像在CCD(Charge-coupled Device,感光耦合组件)方位传感器上。当被测物体沿激光方向发作移动时,方位传感器上的光斑将发作移动,其位移巨细对应被测物体的移动间隔,因而可通过算法规划,由光斑位移间隔核算出被测物体与基线的间隔值。因为入射光和反射光构成一个三角形,对光斑位移的核算运用了几许三角定理,故该丈量法被称为激光三角测距法。

按入射光束与被测物体外表法线的视点联络,激光三角测距法可分为斜射式和直射式两种。

1、直射式激光三角测距法

激光三角测距法原理

如图1所示,当激光光束笔直入射被测物体外表,即入射光线与被测物体外表法线共线时,为直射式激光三角法。

2、斜射式激光三角测距法

当光路体系中,激光入射光束与被测物体外表法线夹角小于90°时,该入射办法即为斜射式。如图2所示的光路图为激光三角法斜射式光路图。

由激光器发射的激光与物体外表法线成必定视点入射到被测物体外表,反(散)射光经B处的透镜会聚成像,最终被光敏单元收集。

激光三角测距法原理

由图2可知入射光AO与基线AB的夹角为α,AB为激光器中心与CCD中心的间隔,BF为透镜的焦距f,D为被测物体间隔基线无量远处时反射光线在光敏单元上成像的极限方位。DE为光斑在光敏单元上违背极限方位的位移,记为x。当体系的光路确认后,α、AB与f均为已知参数。由光路图中的几许联络可知△ABO∽△DEB,则有边长联络:

激光三角测距法原理

则易知

激光三角测距法原理

在确认体系的光路时,可将CCD方位传感器的一个轴与基线AB平行(假设为y轴),则由通过算法得到的激光光点像素坐标为(Px,Py)可得到x的值为:

激光三角测距法原理

其间CellSize是光敏单元上单个像素的尺度,DeviationValue是通过像素点核算的投影间隔和实践投影间隔x的误差量。当被测物体与基线AB发作相对位移时,x改变为x,由以上条件可得被测物体运动间隔y为:

激光三角测距法原理

总结

无论是直射式仍是斜射式激光三角测距法,均可完结对被测物体的高精度、非触摸丈量,但直射式分辨率没有斜射式高。思岚科技的RPLIDAR系列激光雷达也采用了斜射式的激光三角测距法,依据思岚科技独有的RPVision 3.0激光测距引擎,它可进行每秒高达16000次的测距动作,25米的测距半径,高达0,225°的视点分辨率。每次测距过程中,RPLIDAR系列激光雷达将发射通过调制的红外激光信号,该激光信号在照耀到方针物体后发作的反光将被RPLIDAR的视觉收集体系接纳,然后通过嵌入在RPLIDAR内部的DSP处理器实时解算,被照耀到的方针物体与RPLIDAR的间隔值以及当时的夹角信息将从通讯接口中输出。

激光三角测距法原理

RPLIDAR A3M1作业原理示意图

在电机组织的驱动下,RPLIDAR的测距中心将顺时针旋转,然后完结对周围环境的360度全方位扫描测距检测。

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