成本僅100美元的激光雷達(dá)：這個(gè)項(xiàng)目教你零基礎(chǔ)DIY

從 PCB 到上位機(jī)軟件全開源，項(xiàng)目中所有材料均能買到，不怕你做不出來。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202006/414358.htm

激光雷達(dá)能夠幫助機(jī)器人快速獲取其周圍環(huán)境信息，且具有探測(cè)范圍廣、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是自動(dòng)駕駛汽車、掃地機(jī)器人、倉儲(chǔ)機(jī)器人等一系列地面自主移動(dòng)機(jī)器人的重要組成部分。然而，目前工業(yè)級(jí)激光雷達(dá)往往造價(jià)高昂，像谷歌、百度造的那些無人車，其激光雷達(dá)的造價(jià)甚至超過了車輛本身的價(jià)值，讓普通人望而卻步。即使是探測(cè)范圍僅有 25m 的單線激光雷達(dá)，在某寶上也賣到了千元級(jí)別。

想入坑自動(dòng)駕駛卻無法承受激光雷達(dá)高昂的價(jià)格？這個(gè)由俄羅斯的一位 Github 主近期開源的項(xiàng)目也許非常適合你，讓你也能低成本自制激光雷達(dá)。

項(xiàng)目地址：
https://github.com/iliasam/OpenTOFLidar

效果演示

我們先來看看該項(xiàng)目制作完成后激光雷達(dá)的參數(shù)，這也許是大家最關(guān)心的問題，畢竟拋開精度談價(jià)格都是在耍流氓！

• 掃描速度：每秒 15 次

• 分辨率：大約檢測(cè)距離的 1%，但不會(huì)優(yōu)于±2 cm

• 最小檢測(cè)距離：5 cm

• 最大檢測(cè)距離：大約 25 米（白色反射平面）

• 角分辨率：0.5 度

• 掃描頻率：大約 11 kHz

• 掃描角度范圍：大約 230 度，改變相應(yīng)結(jié)構(gòu)還有一定提升空間

• 功率：5 V/0.1 A（也就是 0.5 瓦），剛啟動(dòng)時(shí)電壓可能會(huì)超過 0.8A

• 尺寸：50x50x120 mm

下圖為該激光雷達(dá)的 CAD 模型與成品圖。

在作者公寓的檢測(cè)效果如下圖所示

項(xiàng)目作者表示制作該激光雷達(dá)大零部件總成本大約只需要 114 美元，且激光發(fā)射器與接收器所使用的光學(xué)透鏡均為監(jiān)控相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭?？吹竭@里你是不是已經(jīng)忍不住想要自己上手試一試了呢？下面我們逐一為大家道來其制作過程。

激光雷達(dá)測(cè)距原理及其制作流程

該激光雷達(dá)采用的是 TOF（Time-of-Flight）測(cè)距原理。由于之后的鏡頭選型、安裝調(diào)試與校準(zhǔn)均涉及到 TOF 原理的知識(shí)，這里我們簡(jiǎn)要介紹一下它。

測(cè)距原理

如下圖所示，激光器發(fā)射出一系列光脈沖，遇到物體反射后被感光元件捕獲，感光元件產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)過放大器后，使用運(yùn)算電路捕捉其上升沿或下降沿計(jì)算出光脈沖在空中的飛行時(shí)間，結(jié)合光速即可得到被測(cè)物體距離激光雷達(dá)的距離。

TOP 測(cè)距原理示意圖（圖片來源：維基百科）

我們從 TOP 測(cè)距的原理可以看出，以下幾個(gè)因素決定了激光雷達(dá)的測(cè)量性能：

1. 環(huán)境中物體的顏色及其反射表面

由于 TOP 測(cè)距是通過計(jì)算光脈沖信號(hào)發(fā)射與接收前后的時(shí)間差來工作的，假如發(fā)射出的光脈沖被環(huán)境中物體吸收，或反射到感光元件測(cè)量范圍之外，此時(shí)激光雷達(dá)是無法收集到正確測(cè)量數(shù)據(jù)的。這里舉一個(gè)極端的，隱形戰(zhàn)斗機(jī)就是通過使用能夠吸收雷達(dá)的涂層以及較小的雷達(dá)反射面積來實(shí)現(xiàn)「隱身」的。

當(dāng)然由于室內(nèi)的墻大多以白色或淺色為主，大可不必?fù)?dān)心。需要注意的是當(dāng)環(huán)境中存在鏡子或顏色較深的物體時(shí)，激光雷達(dá)的測(cè)量精度會(huì)受到較大影響。

2. 激光器與感光元件的相對(duì)位置及其鏡頭焦距

為有效捕捉到激光器發(fā)出的脈沖信號(hào)，感光元件需要安放在距離激光器合適的位置。并且需要根據(jù)測(cè)量需求，為激光器和感光元件安裝合適焦距的鏡頭。下圖為該項(xiàng)目中激光雷達(dá)鏡頭安裝完成后的圖片。

3. 激光信號(hào)發(fā)生器脈寬以及放大電流與運(yùn)算單元分辨率

還有一個(gè)對(duì)傳感器性能影響至關(guān)重要的是激光信號(hào)發(fā)射器的脈寬，它決定了激光雷達(dá)能夠測(cè)量的最大距離。假設(shè)光速為 c = 300,000,000 m/s，當(dāng)光脈沖寬度為 50 ns 時(shí)，其最遠(yuǎn)測(cè)量距離為 7.5 m。

由于感光元件產(chǎn)生的電信號(hào)需要經(jīng)過放大處理，相應(yīng)放大元件的增益、帶寬、噪聲、電源抑制比、共模抑制比、線性度、輸出阻抗等關(guān)鍵指標(biāo)，在制作過程中也是需要考慮的因素。最后就是運(yùn)算單元的分辨率，其決定著傳感器能否準(zhǔn)確計(jì)算出激光脈沖往返的時(shí)間差。

制作流程

首先是激光脈沖電路的制作。作者選用了價(jià)格相對(duì)便宜但功能強(qiáng)大的脈沖激光二極管「SPL PL90_3」，其工作在 905 nm 的波長(zhǎng)下，能夠產(chǎn)生高達(dá) 75 瓦功率的激光脈沖，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路圖如左下所示。在檢測(cè)電路部分，作者選用雪崩光電二極管（APD）作為光電探測(cè)元件，同時(shí)設(shè)計(jì)了 DC-DC 轉(zhuǎn)換器為其產(chǎn)生足夠高的偏置電壓。激光脈沖探測(cè)需要信號(hào)帶寬大且輸入電容低的運(yùn)算放大器，于是作者選用 MAX3658 作為運(yùn)放。該芯片專門設(shè)計(jì)用于光電二極管，放大倍數(shù)為 18000，帶寬為 580 MHz。此外，該芯片還包含一個(gè)內(nèi)置濾波器，可削減低頻噪聲。檢測(cè)電路圖如圖所示：

脈沖激光驅(qū)動(dòng)電路圖；脈沖檢測(cè)單位電路圖。

在時(shí)間節(jié)點(diǎn)測(cè)量部分，作者選用了用于超聲波液體流量計(jì)的現(xiàn)成芯片 TDC-GP21。該微電路的時(shí)間分辨率為 90 ps 左右，MCU 可通過 SPI 總線對(duì)其進(jìn)行控制。作者選用 STM32F303CBT6 作為微控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光脈沖的發(fā)送與接收、測(cè)量數(shù)據(jù)讀取與校準(zhǔn)、反光鏡電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制以及與上位機(jī)的通訊。制作完成的 PCB 如下圖所示。

正面示意圖+背面示意圖。

在光學(xué)元件方面，選用標(biāo)準(zhǔn)的 M12 鏡頭作為激光透鏡，發(fā)散角約為 0.45 度。并選用焦距為 25 mm 的鏡頭用于感光元件，該鏡頭具有較大的光圈，能夠盡可能多地讓反射光落在光電二極管上，以獲得更高的信噪比。如果要在強(qiáng)光照射條件下（例如戶外）使用激光雷達(dá)，作者建議在光電二極管和透鏡之間安裝專為 905 nm 波長(zhǎng)設(shè)計(jì)的干涉濾光片。由于本項(xiàng)目是在室內(nèi)照明條件下進(jìn)行測(cè)試，所以沒有安裝。

旋轉(zhuǎn)類型的激光雷達(dá)有兩種方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的探測(cè)，分別是通過旋轉(zhuǎn)整個(gè)測(cè)距儀或通過旋轉(zhuǎn)相對(duì)于激光雷達(dá)光軸傾斜 45 度的反射鏡來完成掃描，其對(duì)應(yīng)工作方式如下圖所示。

這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，由于第二種方法僅需旋轉(zhuǎn)反射鏡，而第一種方法需要考慮測(cè)距儀在旋轉(zhuǎn)時(shí)的供電與通信問題，所以這里采用僅旋轉(zhuǎn)反射鏡的掃描方法。待裝好反射鏡和驅(qū)動(dòng)電機(jī)后，就完成了整個(gè)激光雷達(dá)硬件部分的制作工作。下面就可以使用項(xiàng)目作者提供的上位機(jī)軟件進(jìn)行調(diào)試與測(cè)量了。

上位機(jī)軟件軟件示意圖。

將激光雷達(dá)用于 SLAM 可以說是如今比較成熟的技術(shù)，其具有精度高、速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。然而目前由于其高昂的造價(jià)限制了它在民用無人駕駛領(lǐng)域的普及，哪怕是售價(jià)高達(dá) 100 余萬人民幣的特斯拉 Model S，使用的檢測(cè)方案仍然以攝像頭為主?；蛟S此類低成本的激光雷達(dá)開源項(xiàng)目能對(duì)我們了解這一技術(shù)提供便利。