雷達(dá)

#揭秘雷達(dá)如何實(shí)時(shí)鎖定高速目標(biāo)！

激光雷達(dá)是一種通過發(fā)射激光束探測目標(biāo)信息的傳感器系統(tǒng)。其核心原理為：向目標(biāo)發(fā)射激光并接收反射信號，通過計(jì)算激光往返時(shí)間確定目標(biāo)距離；同時(shí)設(shè)備高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行360度掃描，收集密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（物體表面坐標(biāo)集合），實(shí)時(shí)構(gòu)建環(huán)境的二維/三維數(shù)字模型。該系統(tǒng)可精確測量目標(biāo)的位置、速度、形狀等多種參數(shù)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、測繪等領(lǐng)域。

激光雷達(dá)內(nèi)部技術(shù)與特點(diǎn)如下表所示：

(1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)是激光雷達(dá)在掃描范圍內(nèi)探測到的所有物體表面點(diǎn)的集合。每個(gè)點(diǎn)包含兩類核心信息：

①.反射率特性

●數(shù)值范圍：0-255

●漫反射物體：0-150（對應(yīng)反射率0%-100%）

●全反射物體：151-255（如金屬、玻璃）

●注意：當(dāng)物體距離Mid-360雷達(dá)＜2米時(shí)，反射率誤差較大，僅能判斷全反射/漫反射類型

②.空間坐標(biāo)

●坐標(biāo)系類型：直角坐標(biāo)(x,y,z)或球坐標(biāo)(r,θ,φ)

●探測有效時(shí)：輸出真實(shí)坐標(biāo)值

●探測無效時(shí)（無物體/超量程＞100m）：

直角坐標(biāo)：(0,0,0)

球坐標(biāo)：(0,θ,φ)（保留當(dāng)前掃描角度信息）

Livox mid-360雷達(dá)直角坐標(biāo)和球坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系

(2)激光雷達(dá)按線數(shù)分類可分為單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)，單線激光雷達(dá)是指激光源發(fā)出的線束是單線的雷達(dá)，獲取的是2D平面掃描圖；多線激光雷達(dá)是指同時(shí)發(fā)射及接收多束激光的激光旋轉(zhuǎn)測距雷達(dá)，市場上目前有4線、8線、16 線、32 線、 64 線和128線之分，多線激光雷達(dá)可以識別物體的高度信息并獲取周圍環(huán)境的3D掃描圖。如圖所示為二維和三維點(diǎn)云的可視化顯示。

二維點(diǎn)云的可視化顯示 三維點(diǎn)云的可視化顯示

#導(dǎo)航為什么總能猜對你想走哪條路？

激光導(dǎo)航是目前AGV系統(tǒng)中普遍采用的導(dǎo)航方式，根據(jù)它的導(dǎo)航原理，AGV小車在導(dǎo)航區(qū)中可自由行走并精確定位；在導(dǎo)航范圍內(nèi)，小車的行走路徑可根據(jù)實(shí)際要求隨時(shí)改動(dòng)，可充分發(fā)揮AGV的柔性，提高生產(chǎn)效率。有許多系統(tǒng)需要在現(xiàn)有的場地條件下進(jìn)行，這時(shí)激光導(dǎo)航AGV系統(tǒng)將會(huì)顯得尤為合適。

(1)激光導(dǎo)航的核心原理可概括為兩大原理：

①.建地圖（首次學(xué)習(xí)環(huán)境）

●AGV首次啟動(dòng)時(shí)，像“用激光筆掃描房間”一樣，通過激光雷達(dá)全方位掃描周圍環(huán)境。

●利用 SLAM技術(shù)（自主定位+繪圖），記錄墻壁、設(shè)備等固定物體的位置，生成一張環(huán)境數(shù)字地圖。

②.實(shí)時(shí)定位（導(dǎo)航時(shí)找位置）

●AGV移動(dòng)時(shí)，激光雷達(dá)持續(xù)掃描，實(shí)時(shí)獲取周圍環(huán)境的“快照”點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

●將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與已存儲(chǔ)的地圖對比（類似“玩找不同游戲”），通過算法計(jì)算出AGV當(dāng)前的精確位置和朝向。

二維柵格地圖實(shí)例 三維點(diǎn)云地圖實(shí)例

(2)激光導(dǎo)航特點(diǎn)：

高精度定位與導(dǎo)航，適合對精度要求嚴(yán)格的場景，如堆疊取放貨;環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，復(fù)雜場景有一定兼容性，可應(yīng)對光照變化、輕微地面不平整等干擾，但需避免強(qiáng)光直射激光雷達(dá)，可能影響測距精度；無固定路徑限制，不同于磁導(dǎo)或二維碼導(dǎo)航，激光導(dǎo)航無需預(yù)埋磁條或鋪設(shè)標(biāo)簽，通過軟件即可自由修改路徑;高智能化與擴(kuò)展性，多車協(xié)同，通過中央調(diào)度系統(tǒng)共享地圖和實(shí)時(shí)位置信息，實(shí)現(xiàn)多AGV協(xié)同作業(yè)，如交叉路徑避讓、任務(wù)分配。

對比其他導(dǎo)航方式如表所示：

#遇障礙秒躲的AI條件反射是如何煉成的？

(1)激光避障原理

通過激光雷達(dá)實(shí)時(shí)掃描生成環(huán)境點(diǎn)云數(shù)據(jù)，先用智能算法將相鄰點(diǎn)云聚集成障礙物團(tuán)塊，區(qū)分靜態(tài)物體（位置不變）和動(dòng)態(tài)物體（位置變化，可預(yù)測軌跡）；同時(shí)結(jié)合多個(gè)雷達(dá)的同步掃描數(shù)據(jù)，統(tǒng)一以車身為中心分析周圍環(huán)境，車體外的所有點(diǎn)云均標(biāo)記為障礙物，實(shí)時(shí)規(guī)劃安全路徑避開危險(xiǎn)。

(2)避障類型

單線激光雷達(dá)（如SICK TIM系列）：低成本，用于平面2D避障。

多線激光雷達(dá)（如Livox Mid360, Velodyne VLP-16）：3D避障，檢測空間高度信息，防止低矮或懸空物體。

(3)避障雷達(dá)安裝位置

主要為車頭/車尾主避障、車身兩側(cè)側(cè)向防護(hù)、頂部全局監(jiān)控，如圖所示。車頭車尾一般安裝在車體的四個(gè)角上，且雷達(dá)正前方向外傾斜。車身兩側(cè)側(cè)向防護(hù)一般以四個(gè)角上的雷達(dá)掃描范圍即可覆蓋。頂部全局監(jiān)控一般將導(dǎo)航雷達(dá)同時(shí)用作避障。

以雷達(dá)正前方為0度，覆蓋車身邊緣的范圍為正負(fù)135度，但由于車體干涉，需要將靠近車體的部分濾除，因此FOV范圍一般設(shè)定為正負(fù)120度。叉間一般只檢測單線無角度避障。

2d雷達(dá)避障一般安裝位置與覆蓋范圍

(4)360度空間環(huán)繞避障:

需通過2d與3d雷達(dá)安裝位置確保掃描范圍整體覆蓋車身周圍一圈。

3d雷達(dá)以mid360為例，需已知其坐標(biāo)定義和最大覆蓋掃描范圍，如圖所示。

默認(rèn)方案為：車頭前導(dǎo)航雷達(dá)下側(cè)豎裝或向上斜裝一個(gè)3d雷達(dá)，車身兩側(cè)豎裝或向上斜裝各一個(gè)3d雷達(dá)，車身后側(cè)貨叉下面豎裝或向上斜裝一個(gè)3d雷達(dá)，叉間采用光電IO避障。

(5)技術(shù)優(yōu)勢與局限性

優(yōu)勢：高精度：毫米級測距精度，遠(yuǎn)高于超聲波或紅外?？垢蓴_：不受環(huán)境光、灰塵、電磁場影響（相比視覺傳感器）?？焖夙憫?yīng)：掃描頻率通常10Hz~50Hz，適合高速AGV（≥1.5m/s）。

#電子版“第六感”：如何為搬運(yùn)機(jī)器人看風(fēng)聽雨？

(1)激光感知原理概述：

通過3D雷達(dá)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，先過濾灰塵、玻璃反光等干擾信息，再利用智能算法提取貨架邊緣、墻角、托盤叉孔等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征，最終將目標(biāo)物體精確映射到坐標(biāo)系中，輸出位置姿態(tài)信息并構(gòu)建帶語義的局部環(huán)境地圖，實(shí)現(xiàn)“看清物體+理解場景”的智能感知。

(2)托盤識別與定位

海豚之星機(jī)器人托盤識別與定位

(3)叉取對齊

(4)自動(dòng)堆疊

海豚之星機(jī)器人自動(dòng)堆疊

(5)技術(shù)優(yōu)勢與局限性

優(yōu)勢：高精度：激光測距精度可達(dá)±1mm，滿足工業(yè)級托盤操作需求?？弓h(huán)境光干擾：相比視覺方案，激光不受光照變化影響。實(shí)時(shí)性強(qiáng)：掃描頻率10Hz~50Hz，適合高速物流場景。

局限性：成本高：激光雷達(dá)價(jià)格顯著高于超聲波，尤其多線雷達(dá)。特殊材質(zhì)影響：黑色吸光物體或鏡面反射物體可能降低檢測可靠性。計(jì)算復(fù)雜度：實(shí)時(shí)點(diǎn)云處理需較高算力（需嵌入式GPU或?qū)Ｓ?a target="_blank">處理器）。

相機(jī)

#ToF怎樣用光波實(shí)現(xiàn)毫米級「隔空測量」？

Time-of-Flight（ToF）是三大主流3D成像技術(shù)之一（另兩種為結(jié)構(gòu)光與雙目立體視覺）。其原理是通過發(fā)射近紅外光并計(jì)算光線往返時(shí)間，直接獲取物體的距離信息（深度）。相較于其他技術(shù)，ToF具有計(jì)算簡單、抗干擾強(qiáng)、遠(yuǎn)距離測量的優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于手機(jī)后置攝像頭（如華為/OPPO/蘋果）、工業(yè)自動(dòng)化、AGV導(dǎo)航和機(jī)器人抓取等領(lǐng)域。

(1)dtof

dToF（直接飛行時(shí)間測距）由三大核心組件構(gòu)成：

①VCSEL：發(fā)射納秒級激光脈沖；

②SPAD（單光子雪崩二極管）：可檢測單個(gè)光子級的反射光信號；

③TDC（時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器）：精確記錄光脈沖往返時(shí)間。

其工作原理為：單幀內(nèi)發(fā)射接收N次脈沖，通過TDC記錄每次飛行時(shí)間并生成直方圖，取最高頻時(shí)間t計(jì)算深度（d=ct/2）。此技術(shù)通過統(tǒng)計(jì)優(yōu)化顯著提升抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)高精度深度測量。

單像素記錄的光飛行時(shí)間直方示意圖

dToF的原理看起來雖然很簡單，但是實(shí)際能達(dá)到較高的精度很困難。除了對時(shí)鐘同步有非常高的精度要求以外，還對脈沖信號的精度有很高的要求。普通的光電二極管難以滿足這樣的需求。而dToF中的核心組件SPAD由于制作工藝復(fù)雜，能勝任生產(chǎn)任務(wù)的廠家并不多，并且集成困難。所以目前研究dToF的廠家并不多，更多的是在研究和推動(dòng)iToF。

(2)itof

iToF的概念和dToF相對應(yīng)，全稱是indirect Time-of-Flight，直譯就是間接光飛行時(shí)間。所謂間接，就是指iToF是通過測量相位偏移來間接測量光的飛行時(shí)間，而不是直接測量光飛行時(shí)間。iToF向場景中發(fā)射調(diào)制后的紅外光信號，再由傳感器接收場景中待測物體反射回來的光信號，根據(jù)曝光（積分）時(shí)間內(nèi)的累計(jì)電荷計(jì)算發(fā)射信號和接收信號之間的相位差，從而獲取目標(biāo)物體的深度。如圖所示。

iToF成像原理示意圖

iToF模組的核心組件包含VCSEL和圖像傳感器。VCSEL發(fā)射特定頻率的調(diào)制紅外光。圖像傳感器在曝光（積分）時(shí)間內(nèi)接收反射光并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。曝光（積分）結(jié)束后將數(shù)據(jù)讀出，經(jīng)過一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器再傳給計(jì)算單元，最終由計(jì)算單元計(jì)算每個(gè)像素的相位偏移。iToF計(jì)算深度的方式通常是采用4-sampling-bucket算法，利用4個(gè)相位延遲為0°，90°，180°和270°的采樣信號計(jì)算深度。如圖所示。

連續(xù)波調(diào)制方式測相位偏移原理示意圖

(3)深度圖生成

雙目立體視覺通過左右攝像頭同步拍攝物體，利用視差（圖像中物體的位置差）計(jì)算深度，類似人眼的距離感知；而ToF相機(jī)則直接記錄每個(gè)像素的飛行時(shí)間距離值，生成高分辨率深度圖（如640×480），結(jié)合RGB攝像頭可構(gòu)建彩色3D點(diǎn)云，兩者均為3D環(huán)境建模的核心技術(shù)。

視差原理示意圖深度圖計(jì)算公式：

無論是更大的基線距離還是更大的焦距，都會(huì)在相同視差下產(chǎn)生更深的深度，這意味著深度精度會(huì)更好。焦距是相機(jī)透鏡和圖像傳感器之間的距離。焦距越大，F(xiàn)OV越窄。因此，為了獲得遠(yuǎn)距離深度感知，您可以增加基線距離和/或減小FOV。

深度相機(jī)成像方式對比如表所示：

#Tof相機(jī)在AGV領(lǐng)域的應(yīng)用：

(1)避障與安全防護(hù)

動(dòng)態(tài)避障：實(shí)時(shí)檢測5m內(nèi)的障礙物（如人員、叉車、貨架），觸發(fā)減速或急停。多級安全區(qū)域（如：1m外預(yù)警，0.3m內(nèi)急停）。低矮障礙檢測：檢測地面上的托盤、貨箱等，防止AGV碰撞或碾壓。

(2)托盤識別與叉取

托盤定位：通過深度圖識別托盤叉孔位置，精度可達(dá)±3mm。適應(yīng)不同托盤類型（木制、塑料、金屬）。自動(dòng)叉?。航Y(jié)合AGV運(yùn)動(dòng)控制，調(diào)整叉臂位姿，確保精準(zhǔn)插入。

黑色托盤的tof相機(jī)檢測結(jié)果如下圖所示，depth為深度圖，RGB為彩色圖，PointCloud為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將原始點(diǎn)云通過感知算法處理，最終輸出托盤相對于車體中心的二維位姿。

堆疊檢測：測量貨物高度，確保多層堆疊穩(wěn)定性。

體積測量：計(jì)算包裹尺寸（長×寬×高），用于物流分揀。

#ToF相機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢

其他傳感器

#超聲傳感器

1.原理：發(fā)射40kHz-200kHz超聲波脈沖，接收反射信號計(jì)算距離。

2.應(yīng)用：

●AGV避障/到位檢測：典型波束角15°~30°（遠(yuǎn)距覆蓋廣，精度低）；

●透明物體檢測（玻璃/亞克力）；

●多設(shè)備需防串?dāng)_，盲區(qū)（5-20cm）需紅外/激光補(bǔ)足。

3.優(yōu)點(diǎn)：

●抗光/粉塵/霧氣干擾，適應(yīng)工業(yè)復(fù)雜環(huán)境；

●成本極低（單價(jià)10~100元），壽命長（>10萬次）；

●非接觸無磨損。

4.缺點(diǎn)：

●精度低（±1~5cm，溫濕度影響），需多傳感器融合；

●動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢（50~100ms），不適用高速場景（>1.5m/s）；

●多徑反射干擾，依賴算法（如RANSAC）濾噪。

#慣性測量單元（IMU）

1.原理：

●由陀螺儀（測量角速度）和加速度計(jì)（測量線性加速度）構(gòu)成，部分集成磁力計(jì)輔助航向校準(zhǔn)；

●通過姿態(tài)解算與濾波算法（如卡爾曼濾波）輸出歐拉角。

2.應(yīng)用：

●AGV導(dǎo)航：融合編碼器數(shù)據(jù)補(bǔ)償航向漂移，提升定位精度；

●動(dòng)態(tài)姿態(tài)控制：實(shí)時(shí)監(jiān)測貨叉俯仰/翻滾角，調(diào)整貨物姿態(tài)；

●無基礎(chǔ)設(shè)施定位：隧道、室內(nèi)等無GPS場景的自主導(dǎo)航。

3.優(yōu)點(diǎn)：

●完全自主，不依賴外部信號（GPS/反光板）；

●高頻更新（可達(dá)1kHz），實(shí)時(shí)性強(qiáng)；

●抗光照/粉塵/電磁干擾（磁力計(jì)除外）。

4.缺點(diǎn)：

●累積誤差：陀螺儀漂移需多傳感器（視覺/里程計(jì)）融合校正；

●校準(zhǔn)依賴：開機(jī)需靜止校準(zhǔn)零偏，定期維護(hù)；

●初始對準(zhǔn)：啟動(dòng)時(shí)需水平靜止或已知姿態(tài)初始化。

#拉線編碼器

1.原理：通過機(jī)械傳動(dòng)與編碼器結(jié)合實(shí)現(xiàn)位移測量：拉線（鋼絲/纖維）隨物體移動(dòng)伸縮，帶動(dòng)內(nèi)部編碼器旋轉(zhuǎn)，將位移轉(zhuǎn)換為電信號（公式：位移=編碼器分辨率×脈沖數(shù)×輪周長）

2.應(yīng)用：包括AGV貨叉精密控制（±1mm精度）、斜坡車身調(diào)平及集裝箱吊具校準(zhǔn)；

3.優(yōu)勢：為超高精度（±0.01mm）、抗干擾（耐粉塵/電磁）、長行程（達(dá)50m）和靈活安裝；

4.不足：在于機(jī)械磨損需定期維護(hù)、高速運(yùn)動(dòng)易抖動(dòng)（>1m/s），且僅支持單向測量，多自由度需多設(shè)備組合。

#光電測距傳感器

1.原理：發(fā)射紅外光并檢測反射強(qiáng)度，距離越近反射信號越強(qiáng)（無精確距離值，僅閾值判斷）。

2.應(yīng)用：一般用于簡單避障或到位檢測。

3.優(yōu)點(diǎn)：成本極低。非接觸測量：避免機(jī)械磨損，壽命長。高速響應(yīng)：毫秒級檢測。抗電磁干擾：適合工業(yè)復(fù)雜環(huán)境。

4.缺點(diǎn)：受物體顏色、表面材質(zhì)影響大。光學(xué)干擾：強(qiáng)光、鏡面反射、透明物體會(huì)影響精度。測距范圍限制，一般測距極限值遠(yuǎn)低于激光。

原文：海豚之星機(jī)器人官網(wǎng)（aiten.com)

審核編輯 黃宇