RM73B1ETP470J測(cè)距原理激光器發(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：

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。

激光器與感光元件的相對(duì)位置及其鏡頭焦，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。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。

首先是激光脈沖電路的制作。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)電路圖脈沖激光驅(qū)動(dòng)電路圖；脈沖檢測(cè)單位電路。

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。

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。

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)。

主機(jī)端口，160KB RAM

功效：

省電模式，

CMOS待機(jī)功耗低，

從省電模式恢復(fù)只需200個(gè)CLKIN周期

借助3總線架構(gòu)，

可在每個(gè)指令周期中實(shí)現(xiàn)雙取操作數(shù)

多功能指令

指令周期時(shí)間：12.5 ns（1.8 V（內(nèi)部）、

80 MIPS持續(xù)性能）

單循環(huán)指令執(zhí)行

單循環(huán)內(nèi)容切換

空閑模式時(shí)功耗極低

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