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(guò)發(fā)射激光束探測(cè)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(hào)，通過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)到的所有物體表面點(diǎn)的集合。每個(gè)點(diǎn)包含兩類(lèi)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(duì)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(lèi)型
②. 空間坐標(biāo)
●坐標(biāo)系類(lèi)型：直角坐標(biāo)(x,y,z) 或 球坐標(biāo)(r,θ,φ)
●探測(cè)有效時(shí)：輸出真實(shí)坐標(biāo)值
●探測(cè)無(wú)效時(shí)（無(wú)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(duì)應(yīng)關(guān)系）
(2)激光雷達(dá)按線(xiàn)數(shù)分類(lèi)可分為單線(xiàn)激光雷達(dá)和多線(xiàn)激光雷達(dá)，單線(xiàn)激光雷達(dá)是指激光源發(fā)出的線(xiàn)束是單線(xiàn)的雷達(dá)，獲取的是2D平面掃描圖；多線(xiàn)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(cè)距雷達(dá)，市場(chǎng)上目前有4線(xiàn)、8線(xiàn)、16
線(xiàn)、32 線(xiàn)、 64 線(xiàn)和128線(xiàn)之分，多線(xiàn)激光雷達(dá)可以識(shí)別物體的高度信息并獲取周?chē)h(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。
（↑ 二維和三維點(diǎn)云的可視化顯示）
# 導(dǎo)航為什么總能猜對(duì)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(chē)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(chē)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(chǎng)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(guò)激光雷達(dá)全方位掃描周?chē)h(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?chē)h(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(duì)比（類(lèi)似“玩找不同游戲”），通過(guò)算法計(jì)算出AGV當(dāng)前的精確位置和朝向。
（↑ 二維柵格地圖和三維點(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(duì)精度要求嚴(yán)格的場(chǎng)景，如堆疊取放貨;環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，復(fù)雜場(chǎng)景有一定兼容性，可應(yīng)對(duì)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(cè)距精度；無(wú)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(wú)需預(yù)埋磁條或鋪設(shè)標(biāo)簽，通過(guò)軟件即可自由修改路徑;高智能化與擴(kuò)展性，多車(chē)協(xié)同，通過(guò)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(duì)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(guò)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(cè)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(chē)身為中心分析周?chē)h(huán)境，車(chē)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(kāi)危險(xiǎn)。
(2) 避障類(lèi)型
單線(xiàn)激光雷達(dá)（如SICK TIM系列）：低成本，用于平面2D避障。
多線(xiàn)激光雷達(dá)（如Livox Mid360, Velodyne VLP-16）：3D避障，檢測(cè)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(chē)頭/車(chē)尾主避障、車(chē)身兩側(cè)側(cè)向防護(hù)、頂部全局監(jiān)控，如圖所示。車(chē)頭車(chē)尾一般安裝在車(chē)體的四個(gè)角上，且雷達(dá)正前方向外傾斜。車(chē)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(chē)身邊緣的范圍為正負(fù)135度，但由于車(chē)體干涉，需要將靠近車(chē)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(cè)單線(xiàn)無(wú)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(guò)2d與3d雷達(dá)安裝位置確保掃描范圍整體覆蓋車(chē)身周?chē)蝗Α?
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(chē)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(chē)身兩側(cè)豎裝或向上斜裝各一個(gè)3d雷達(dá)，車(chē)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(shì)與局限性
優(yōu)勢(shì)：高精度：毫米級(jí)測(cè)距精度，遠(yuǎn)高于超聲波或紅外。抗干擾：不受環(huán)境光、灰塵、電磁場(chǎng)影響（相比視覺(jué)傳感器）。快速響應(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(tīng)雨？
(1)激光感知原理概述：
通過(guò)3D雷達(dá)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，先過(guò)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(pán)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(yǔ)義的局部環(huán)境地圖，實(shí)現(xiàn)“看清物體+理解場(chǎng)景”的智能感知。
(2)托盤(pán)識(shí)別與定位
(3)叉取對(duì)齊
(4)自動(dòng)堆疊
(5)技術(shù)優(yōu)勢(shì)與局限性
優(yōu)勢(shì)：高精度：激光測(cè)距精度可達(dá)±1mm，滿(mǎn)足工業(yè)級(jí)托盤(pán)操作需求。抗環(huán)境光干擾：相比視覺(jué)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(chǎng)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(xiàn)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(cè)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锰幚砥鳎?
相機(jī)
# ToF怎樣用光波實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)「隔空測(cè)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(jué)）。其原理是通過(guò)發(fā)射近紅外光并計(jì)算光線(xiàn)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(jiǎn)單、抗干擾強(qiáng)、遠(yuǎn)距離測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于手機(jī)后置攝像頭（如華為/OPPO/蘋(píng)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(cè)距）由三大核心組件構(gòu)成：
①VCSEL：發(fā)射納秒級(jí)激光脈沖；
②SPAD（單光子雪崩二極管）：可檢測(cè)單個(gè)光子級(jí)的反射光信號(hào)；
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：?jiǎn)螏瑑?nèi)發(fā)射接收N次脈沖，通過(guò)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(guò)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(cè)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(lái)雖然很簡(jiǎn)單，但是實(shí)際能達(dá)到較高的精度很困難。除了對(duì)時(shí)鐘同步有非常高的精度要求以外，還對(duì)脈沖信號(hào)的精度有很高的要求。普通的光電二極管難以滿(mǎn)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(chǎng)家并不多，并且集成困難。所以目前研究dToF的廠(chǎng)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(duì)應(yīng)，全稱(chēng)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(guò)測(cè)量相位偏移來(lái)間接測(cè)量光的飛行時(shí)間，而不是直接測(cè)量光飛行時(shí)間。iToF向場(chǎng)景中發(fā)射調(diào)制后的紅外光信號(hào)，再由傳感器接收?qǐng)鼍爸写郎y(cè)物體反射回來(lái)的光信號(hào)，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(hào)和接收信號(hào)之間的相位差，從而獲取目標(biāo)物體的深度。如圖所示。
（↑ 單像素記錄的光飛行時(shí)間直方示意圖）
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(guò)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(hào)計(jì)算深度。如圖所示。
（↑ 連續(xù)波調(diào)制方式測(cè)相位偏移原理示意圖）
(3)深度圖生成
雙目立體視覺(jué)通過(guò)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(lèi)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(wú)論是更大的基線(xiàn)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(xiàn)距離和/或減小FOV。
深度相機(jī)成像方式對(duì)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(cè)5m內(nèi)的障礙物（如人員、叉車(chē)、貨架），觸發(fā)減速或急停。多級(jí)安全區(qū)域（如：1m外預(yù)警，0.3m內(nèi)急停）。低矮障礙檢測(cè)：檢測(cè)地面上的托盤(pán)、貨箱等，防止AGV碰撞或碾壓。
(2) 托盤(pán)識(shí)別與叉取
托盤(pán)定位：通過(guò)深度圖識(shí)別托盤(pán)叉孔位置，精度可達(dá)±3mm。適應(yīng)不同托盤(pán)類(lèi)型（木制、塑料、金屬）。自動(dòng)叉取：結(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(pán)的tof相機(jī)檢測(cè)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(guò)感知算法處理，最終輸出托盤(pán)相對(duì)于車(chē)體中心的二維位姿。
堆疊檢測(cè)：測(cè)量貨物高度，確保多層堆疊穩(wěn)定性。
體積測(cè)量：計(jì)算包裹尺寸（長(zhǎng)×寬×高），用于物流分揀。
# ToF相機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
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(hào)計(jì)算距離。
2.應(yīng)用：
●AGV避障/到位檢測(cè)：典型波束角15°~30°（遠(yuǎn)距覆蓋廣，精度低）；
●透明物體檢測(cè)（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(zhǎng)（>10萬(wàn)次）；
●非接觸無(wú)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(chǎng)景（>1.5m/s）；
●多徑反射干擾，依賴(lài)算法（如RANSAC）濾噪。
# 慣性測(cè)量單元（IMU）
1.原理：
●由陀螺儀（測(cè)量角速度）和加速度計(jì)（測(cè)量線(xiàn)性加速度）構(gòu)成，部分集成磁力計(jì)輔助航向校準(zhǔn)；
●通過(guò)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(cè)貨叉俯仰/翻滾角，調(diào)整貨物姿態(tài)；
●無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施定位：隧道、室內(nèi)等無(wú)GPS場(chǎng)景的自主導(dǎo)航。
3.優(yōu)點(diǎn)：
●完全自主，不依賴(lài)外部信號(hào)（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(jué)/里程計(jì)）融合校正；
●校準(zhǔn)依賴(lài)：開(kāi)機(jī)需靜止校準(zhǔn)零偏，定期維護(hù)；
●初始對(duì)準(zhǔn)：?jiǎn)?dòng)時(shí)需水平靜止或已知姿態(tài)初始化。
# 拉線(xiàn)編碼器
1.原理：通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)與編碼器結(jié)合實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量：拉線(xiàn)（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(hào)（公式：位移=編碼器分辨率×脈沖數(shù)×輪周長(zhǎng)）
2.應(yīng)用：包括AGV貨叉精密控制（±1mm精度）、斜坡車(chē)身調(diào)平及集裝箱吊具校準(zhǔn)；
3.優(yōu)勢(shì)：為超高精度（±0.01mm）、抗干擾（耐粉塵/電磁）、長(zhǎng)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(cè)量，多自由度需多設(shè)備組合。
# 光電測(cè)距傳感器
1.原理：發(fā)射紅外光并檢測(cè)反射強(qiáng)度，距離越近反射信號(hào)越強(qiáng)（無(wú)精確距離值，僅閾值判斷）。
2.應(yīng)用：一般用于簡(jiǎn)單避障或到位檢測(cè)。
3.優(yōu)點(diǎn)：成本極低。非接觸測(cè)量：避免機(jī)械磨損，壽命長(zhǎng)。高速響應(yīng)：毫秒級(jí)檢測(cè)。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(cè)距范圍限制，一般測(cè)距極限值遠(yuǎn)低于激光。
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