激光雷達(dá)技術(shù)正持續(xù)提升機(jī)器人與自主系統(tǒng)在各種環(huán)境中的感知、反應(yīng)和安全運(yùn)行水平。這項(xiàng)技術(shù)雖已有數(shù)十年歷史，但近年來(lái)的發(fā)展才使激光雷達(dá)成功應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域，例如圖所示的自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR)。

某熱門電影系列中，機(jī)器人能從汽車變形成具備人類性格的全功能機(jī)器人。現(xiàn)實(shí)中，如今的機(jī)器人尚未擁有這種感知能力，其需要攝像頭充當(dāng)“眼睛”來(lái)應(yīng)對(duì)充滿未知障礙的環(huán)境。

在汽車領(lǐng)域，我們不難理解為何采用所有可能的導(dǎo)航方法（而不僅僅是攝像頭）有利于確保車輛、乘客和行人的安全。借助一套稱為“傳感器融合”的檢測(cè)模塊，可讓激光雷達(dá)、雷達(dá)和攝像頭等導(dǎo)航方法并行工作，從而實(shí)現(xiàn)距離和速度測(cè)量。傳感器融合可使車輛以精準(zhǔn)視角觀察周圍環(huán)境中的障礙物。

因此，在機(jī)器人領(lǐng)域，激光雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步將推動(dòng) AMR 在各種場(chǎng)景中的廣泛應(yīng)用，提供更強(qiáng)的環(huán)境感知能力、障礙物探測(cè)能力和實(shí)時(shí)反應(yīng)能力，同時(shí)克服基于攝像頭的傳統(tǒng)系統(tǒng)的局限性。

汽車激光雷達(dá)與工業(yè)激光雷達(dá)

在商用車輛上，可在車頂或底盤側(cè)面發(fā)現(xiàn)機(jī)械掃描激光雷達(dá)。激光雷達(dá)模塊的大小與冰球差不多，單個(gè)模塊往往配備 32 至 128 個(gè)通道，移動(dòng)速度極快，平均 0.2 秒就能旋轉(zhuǎn) 360 度。采用光學(xué)飛行時(shí)間 (ToF) 架構(gòu)和基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的系統(tǒng)，每個(gè)模塊能夠在每個(gè)通道獲取更多信息，但代價(jià)是更高的功耗和更大的尺寸。

配備 ADC 的激光雷達(dá)模塊通常被稱為3D 或 4D 設(shè)計(jì)，具體取決于其能夠創(chuàng)建三維還是四維信息點(diǎn)云的能力。

工業(yè)激光雷達(dá)雖然具有相同的技術(shù)基礎(chǔ)，但每個(gè)模塊的通道數(shù)通常較少，有時(shí)甚至只有一個(gè)通道。由于降低了復(fù)雜性和尺寸，工業(yè)模塊的成本和功耗通常都更低，且更易集成到機(jī)器人設(shè)計(jì)中。根據(jù)其生成二維點(diǎn)云或單維距離測(cè)量的能力，工業(yè)激光雷達(dá)系統(tǒng)可分為二維或單維類型。

工業(yè)激光雷達(dá)的應(yīng)用包括交通監(jiān)控、港口和樞紐監(jiān)控、配送倉(cāng)庫(kù)導(dǎo)航和監(jiān)控、AMR、自動(dòng)駕駛工業(yè)車輛，以及智能手機(jī)和平板電腦等個(gè)人電子產(chǎn)品。

激光雷達(dá)對(duì)機(jī)器人有何好處？

隨著 AMR 進(jìn)入新的領(lǐng)域，且行動(dòng)比以往都更加獨(dú)立，僅靠攝像頭可能已難以滿足需求。想象一下，一輛 AMR 送貨車正在街區(qū)的人行道上行駛。即便是人行道區(qū)域，也可能出現(xiàn)汽車、垃圾桶、行人、自行車或兒童玩具等各類障礙物，這些都會(huì)影響機(jī)器人的導(dǎo)航能力。

AMR 必須檢測(cè)到這些障礙物，評(píng)估潛在影響，并實(shí)時(shí)做出相應(yīng)反應(yīng)，這一點(diǎn)至關(guān)重要。添加激光雷達(dá)模塊可提供必要的分辨率和響應(yīng)時(shí)間，從而使AMR 能夠感知環(huán)境變化（如滾入路徑的球），從而快速反應(yīng)并避免碰撞。演示了一個(gè)配有激光雷達(dá)的 AMR 在擁擠的人行道上移動(dòng)。

盡管攝像頭能提供高分辨率圖像，但其在精確測(cè)距方面存在局限，而這恰恰是判斷 AMR 應(yīng)繼續(xù)行進(jìn)還是調(diào)整路線的關(guān)鍵依據(jù)。

此外，AMR 需確保在各種光照和天氣條件下正常工作。激光雷達(dá)技術(shù)既不受這些環(huán)境因素制約，也無(wú)需外部光源（而這正是基于攝像頭的系統(tǒng)的限制因素）。

加速激光雷達(dá)在機(jī)器人中的應(yīng)用

隨著激光雷達(dá)的發(fā)展前景越來(lái)越明朗，設(shè)計(jì)工程師必須選擇合適的方法來(lái)將這種先進(jìn)的感應(yīng)技術(shù)集成到系統(tǒng)中。首先，必須為激光雷達(dá)光學(xué)設(shè)計(jì)中的發(fā)射路徑設(shè)計(jì)激光驅(qū)動(dòng)電路，并為接收路徑配置跨阻放大器 (TIA)，如圖所示?？蛇x方案包括在光電二極管和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器之間為具有 TIA（如 LMH34400）的接收信號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)單芯片設(shè)計(jì)，或選用TLV3801等高速比較器進(jìn)行設(shè)計(jì)配對(duì)。

圖 ：激光雷達(dá)光學(xué)信號(hào)鏈方框圖

在設(shè)計(jì)傳輸路徑時(shí)，LMH13000集成激光驅(qū)動(dòng)器可在兩種操作模式（連續(xù)和脈沖）下提供高輸出電流驅(qū)動(dòng)，從而最大限度地減少對(duì)額外分立元件的需求。這款低電壓差分信號(hào)控制電流源可實(shí)現(xiàn) 2% 的脈沖溫度變化，上升和下降時(shí)間為 800ps，頻率高達(dá) 250MHz。LMH13000作為脈沖電流源工作時(shí)，可支持 50mA 至 5A 的輸出電流。

窄脈沖和高輸出電流驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，可產(chǎn)生更高功率的脈沖，從而使測(cè)量距離延長(zhǎng)多達(dá)30%，同時(shí)仍能確保符合人眼安全標(biāo)準(zhǔn)。借助改進(jìn)的功能，機(jī)器人可更快、更準(zhǔn)確地檢測(cè)障礙物，從而改善實(shí)時(shí)決策并在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更安全的導(dǎo)航。

結(jié)語(yǔ)

在汽車和工業(yè)車輛中，激光雷達(dá)都是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)自主性的核心一環(huán)。實(shí)時(shí)進(jìn)行物體探測(cè)和避免碰撞可提高車輛和人員的安全性。那些在電影中穿梭于日常環(huán)境的逼真的移動(dòng)機(jī)器人，也許并不像我們想象的那樣遙不可及。