激光雷達技術(shù)正持續(xù)提升機器人與自主系統(tǒng)在各種環(huán)境中的感知、反應和安全運行水平。這項技術(shù)雖已有數(shù)十年歷史，但近年來的發(fā)展才使激光雷達成功應用于機器人領(lǐng)域，例如圖所示的自主移動機器人 (AMR)。

某熱門電影系列中，機器人能從汽車變形成具備人類性格的全功能機器人。現(xiàn)實中，如今的機器人尚未擁有這種感知能力，其需要攝像頭充當“眼睛”來應對充滿未知障礙的環(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”的檢測模塊，可讓激光雷達、雷達和攝像頭等導航方法并行工作，從而實現(xiàn)距離和速度測量。傳感器融合可使車輛以精準視角觀察周圍環(huán)境中的障礙物。

因此，在機器人領(lǐng)域，激光雷達技術(shù)的進步將推動 AMR 在各種場景中的廣泛應用，提供更強的環(huán)境感知能力、障礙物探測能力和實時反應能力，同時克服基于攝像頭的傳統(tǒng)系統(tǒng)的局限性。

汽車激光雷達與工業(yè)激光雷達

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

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

工業(yè)激光雷達雖然具有相同的技術(shù)基礎，但每個模塊的通道數(shù)通常較少，有時甚至只有一個通道。由于降低了復雜性和尺寸，工業(yè)模塊的成本和功耗通常都更低，且更易集成到機器人設計中。根據(jù)其生成二維點云或單維距離測量的能力，工業(yè)激光雷達系統(tǒng)可分為二維或單維類型。

工業(yè)激光雷達的應用包括交通監(jiān)控、港口和樞紐監(jiān)控、配送倉庫導航和監(jiān)控、AMR、自動駕駛工業(yè)車輛，以及智能手機和平板電腦等個人電子產(chǎn)品。

激光雷達對機器人有何好處？

隨著 AMR 進入新的領(lǐng)域，且行動比以往都更加獨立，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，這些都會影響機器人的導航能力。

AMR 必須檢測到這些障礙物，評估潛在影響，并實時做出相應反應，這一點至關(guān)重要。添加激光雷達模塊可提供必要的分辨率和響應時間，從而使AMR 能夠感知環(huán)境變化（如滾入路徑的球），從而快速反應并避免碰撞。演示了一個配有激光雷達的 AMR 在擁擠的人行道上移動。

盡管攝像頭能提供高分辨率圖像，但其在精確測距方面存在局限，而這恰恰是判斷 AMR 應繼續(xù)行進還是調(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。激光雷達技術(shù)既不受這些環(huán)境因素制約，也無需外部光源（而這正是基于攝像頭的系統(tǒng)的限制因素）。

加速激光雷達在機器人中的應用

隨著激光雷達的發(fā)展前景越來越明朗，設計工程師必須選擇合適的方法來將這種先進的感應技術(shù)集成到系統(tǒng)中。首先，必須為激光雷達光學設計中的發(fā)射路徑設計激光驅(qū)動電路，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間數(shù)字轉(zhuǎn)換器之間為具有 TIA（如 LMH34400）的接收信號鏈實現(xiàn)單芯片設計，或選用TLV3801等高速比較器進行設計配對。

圖 ：激光雷達光學信號鏈方框圖

在設計傳輸路徑時，LMH13000集成激光驅(qū)動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，從而最大限度地減少對額外分立元件的需求。這款低電壓差分信號控制電流源可實現(xiàn) 2% 的脈沖溫度變化，上升和下降時間為 800ps，頻率高達 250MHz。LMH13000作為脈沖電流源工作時，可支持 50mA 至 5A 的輸出電流。

窄脈沖和高輸出電流驅(qū)動相結(jié)合，可產(chǎn)生更高功率的脈沖，從而使測量距離延長多達30%，同時仍能確保符合人眼安全標準。借助改進的功能，機器人可更快、更準確地檢測障礙物，從而改善實時決策并在復雜環(huán)境中實現(xiàn)更安全的導航。

結(jié)語

在汽車和工業(yè)車輛中，激光雷達都是實現(xiàn)移動自主性的核心一環(huán)。實時進行物體探測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)境的逼真的移動機器人，也許并不像我們想象的那樣遙不可及。