tof 三角法_tof 三角測距 雙目 - CSDN

現在對三角測距方法踩踩坑。

買了一個rplidar A2, 做工不錯，挺漂亮的，更重要的是可以軟體啟動停止，噪聲很小，而且反射檢測靈敏度比較高（可以掃描到毛玻璃，　有些差的雷射雷達檢測不到毛玻璃上的反射）。

使用之後感覺很不錯。馬上就有其他部門的同事過來看熱鬧，問這問那。於是本人熱心講解了一番。不過感覺他們還是那麼萌萌的表情。

在此，簡單分享一下rplidar A2這種雷射雷達的原理和重點技術。

rplidar A2 是一種三角測距原理雷射雷達，原理和ＴＯＦ雷射雷達不同。　ＴＯＦ雷射雷達是根據測量光的飛行時間來計算距離的。而三角測距雷射雷達是通過攝像頭的光斑成像位置來解三角形的。

於是，先畫個草圖介紹一下原理

如上圖所示，　０１是雷射發射器，　射出去的雷射由紅色虛線表示，　Ａ，Ｂ，Ｃ是三個反射點。０２是攝像頭光心軸，　綠色三角形代表用來捕捉反射光斑的相機模型。這張圖畫的是經典小孔模型。　Ａ，Ｂ，Ｃ的成像點分別是Ａ『，Ｂ』，Ｃ『.　由於雷射發射器和相機安裝的相對位置是已知的，　也就是說相機的光心軸和雷射（線）的角度已知（本圖畫的是９０度），　線段０１０２長度已知，　角０１０２Ａ也已知（通過成像點在像平面的位置可以知道），　於是問題變成了一個「角邊角問題」，　上過初中的同學都應該知道，　已知「角邊角」，　三角形有唯一解，　於是０１A的長度是可以算出來的。　同理，　Ｂ，C 兩點距離０１的距離也是可解的。

原理是不是很簡單～

 

細心的同學會發現，如果這樣安裝，相機成像只有一半的，　太浪費了嘛。

於是，調整相機安裝方式，這樣大部分地區都可以成像了吧！

這些相機模型都還是小孔模型，有沒有更好的方法利用相機的sensor來採樣呢

聰明的同學又會想到如何將整個量程均勻分布在相機sensor上，　於是可以換透鏡，於是有了下面這個圖，　圓形區域代表透鏡，（我畫的是常見的圓形表示，　但實際上這個透鏡應該有點凹，效果才會理想）。由於rplidar是２維的，所以成像sensor做成長條狀就夠了。

以上相機採樣都是同步瞬間完成的。

好了，　rplidar雷射雷達的三角測距原理講完了。接下來的，會有同學說，　我知道距離了，　可是這個雷達一直在轉我怎麼精確知道它的角度呢。

還好當年上學比較專心，稍微想想不用拆都知道使用編碼盤啦。　光電編碼盤　可以直接獲取旋轉角度。比如給它裝個８位編碼盤，那麼就可以有５１２個刻度（通常叫光柵編碼盤，一般都有上千個編碼。例如雷射雷達UXM-30LX-EW　用的就是１４４０的編碼盤）。每次電機旋轉，觸發光電編碼器編碼變化，就觸發雷射採集一次(這樣省功耗)。調好時間延遲，就可以精確知道每個角度的距離。

 

這個雷射雷達還有一個需要注意的地方，　它的數據採集是在旋轉機構上做的，　那麼需要把數據傳回底座，必須採用無線／光通訊的方式回傳（光編碼也算是一種吧）。　而且要控制供電，用有刷肯定不好。需要像無刷電機那樣給轉子供電。所以但凡做了雷射雷達的公司都會宣傳掌握了關鍵光磁融合技術等等之類的。其實跟無刷電機大同小異啦。　

 

從上面的原理分析，我們可以得知，類似rplidar這種雷射雷達量程是很難做到很遠的。通常有效都是５，６m。此外，它也很容易被幹擾，　如果使用同頻率的光源讓相機sensor成像上有多個光斑，或者過曝，或者多個雷達相互幹擾，那麼就無法得到真實數據了。所以幾乎所有的三角測距雷射雷達都不能在太陽光直射下工作。　而ＴＯＦ雷射雷達通常是加了編碼的，可以在很大的噪聲背景下獲取真實信號，所以可以在太陽光直射下使用，　也可以相互抗幹擾。　

 

如果需要多機協同工作，而且每個機器安裝高度相近的話，　類似rplidar A2這種雷射雷達會相互幹擾（幹擾概率多大呢？這跟它們的FOV有關係啦，FOV越大說明量程可以做大，但也意味多個雷達工作時容易受到幹擾）。如果非要避免幹擾的話，必須使用通訊方式，讓某一個雷達停下了，分時使用，感覺這樣太笨了吧，建議乾脆安裝位置故意錯開。來來來，看看FOV究竟又多大，見圖：

最後兩張圖反映了兩個信息：

1》鏡頭裡面添加了濾光片，所以可見光都被反射回來了，所以像鏡子一樣(圓圈裡的圖像是我的華為手機攝像頭，雙攝頭)。但指定波長的紅外光可以穿過。

2》視角（FOV）就這麼大，大家好好感受一下吧！想像一下裡面有一個橫著的長條sensor,再回憶一下三角測距原理，是不是感覺很簡單了呢！

 

參考文獻：

http://www.doc88.com/p-7149630429284.html

Good Luck~

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雷射測距原理與方法

　　雷射測距粗劃分為兩種，第一種原理大致是光速和往返時間的乘積的一半，就是測距儀和被測量物體之間的距離，以雷射測距儀為例；第二種是以雷射位移傳感器原理為原理的方法的。

　　雷射的測量方法大致有三種，脈衝法（雷射回波法），相位法，三角反射法。脈衝法測量距離的精度一般是在+/- 1米左右。另外，此類測距儀的測量盲區一般是15米左右。三角法用來測量2000mm以下短程距離（行業稱之為位移）時，精度最高可達1um。相位式雷射測距一般應用在精密測距中，精度一般為毫米級。雷射回波分析法則用於遠距離測量。

1第一類測距

　　如果光以速度c在空氣中傳播在A、B兩點間往返一次所需時間為t，則A、B兩點間距離D可用下列表示。

　　D=ct/2                                                          式1.1

　　式中：

　　D——測站點A、B兩點間距離；

　　c——光在大氣中傳播的速度；

　　t——光往返A、B一次所需的時間。

　　由上式可知，要測量A、B距離實際上是要測量光傳播的時間t，根據測量時間方法的不同，雷射測距儀通常可分為脈衝式和相位式兩種測量形式。

2 第二類測距

　　雷射位移傳感器能夠利用雷射的高方向性、高單色性和高亮度等特點可實現無接觸遠距離測量。雷射位移傳感器（磁致伸縮位移傳感器）就是利用雷射的這些優點製成的新型測量儀表，它的出現，使位移測量的精度、可靠性得到極大的提高，也為非接觸位移測量提供了有效的測量方法。

　　按照測量原理,雷射位移傳感器原理分為雷射三角測量法和雷射回波分析法,雷射三角測量法一般適用於高精度、短距離的測量，而雷射回波分析法則用於遠距離測量。

3測量方法一：相位式雷射測距

　　相位式雷射測距儀是用無線電波段的頻率，對雷射束進行幅度調製並測定調製光往返測線一次所產生的相位延遲，再根據調製光的波長，換算此相位延遲所代表的距離。即用間接方法測定出光經往返測線所需的時間。

　　若調製光角頻率為ω，在待測量距離D上往返一次產生的相位延遲為φ，則對應時間t 可表示為：

　　t=φ/ω                                            式3.1

　　將此關係代入（1.1）式距離D可表示為

　　D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω=c/(4πf) (Nπ+Δφ) = c/4f (N+ ΔN )=U(N+)   式3.2

　　式中：

　　φ——信號往返測線一次產生的總的相位延遲。

　　ω——調製信號的角頻率，ω=2πf。

　　U——單位長度，數值等於1/4調製波長

　　N——測線所包含調製半波長個數。

　　Δφ——信號往返測線一次產生相位延遲不足π部分。

　　ΔN——測線所包含調製波不足半波長的小數部分。

　　ΔN=φ/ω

　　在給定調製和標準大氣條件下，頻率c/(4πf)是一個常數，此時距離的測量變成了測線所包含半波長個數的測量和不足半波長的小數部分的測量即測N或φ，由於近代精密機械加工技術和無線電測相技術的發展，已使φ的測量達到很高的精度。

　　為了測得不足π的相角φ，可以通過不同的方法來進行測量，通常應用最多的是延遲測相和數字測相，目前短程雷射測距儀均採用數字測相原理來求得φ。

　　由上所述一般情況下相位式雷射測距儀使用連續發射帶調製信號的雷射束，為了獲得測距高精度還需配置合作目標，而目前推出的手持式雷射測距儀是脈衝式雷射測距儀中又一新型測距儀，它不僅體積小、重量輕，還採用數字測相脈衝展寬細分技術，無需合作目標即可達到毫米級精度，測程已經超過100m，且能快速準確地直接顯示距離。是短程精度精密工程測量、房屋建築面積測量中最新型的長度計量標準器具。現應用最多的是leica公司生產的DISTO系列手持式雷射測距儀。

4 測量方法二：脈衝式雷射測距

　　脈衝雷射測距簡單來說就是針對雷射的飛行時間差進行測距，它是利用雷射脈衝持續時間極短，能量在時間上相對集中，瞬時功率很大的特點進行測距。在有合作目標時，可以達到很遠的測程；在近距離測量（幾千米內）即使沒有合作目標，在精度要求不高的情況下也可以進行測距。該方法主要用於地形測量，戰術前沿測距，飛彈運行軌道跟蹤，雷射雷達測距，以及人造衛星、地月距離測量等。

圖4.1脈衝式雷射測距原理圖

　　脈衝式雷射測距原理如圖4.1所示。由雷射發射系統發出一個持續時間極短的脈衝雷射，經過待測距離L之後，被目標物體反射，發射脈衝雷射信號被雷射接收系統中的光電探測器接收，時間間隔電路通過計算雷射發射和回波信號到達之間的時間t，得出目標物體與發射出的距離L。

　　其精度取決於：雷射脈衝的上升沿、接收通道帶寬、探測器信噪比和時間間隔精確度。

5 測量方法三：三角法雷射測距

　　雷射位移傳感器的測量方法稱為雷射三角反射法，雷射測距儀的精度是一定的，同樣的測距儀測10米與100米的精度是一樣的。而雷射三角反射法測量精度是跟量程相關的，量程越大，精度越低。

　　雷射測距的另一種原理是雷射三角反射法原理：半導體雷射器1被鏡片2聚焦到被測物體6。反射光被鏡片3收集，投射到CCD陣列4上；信號處理器5通過三角函數計算陣列4上的光點位置得到距物體的距離。

 

圖5.1雷射三角法

　　雷射發射器通過鏡頭將可見紅色雷射射向物體表面，經物體反射的雷射通過接受器鏡頭，被內部的CCD線性相機接受，根據不同的距離，CCD線性相機可以在不同的角度下「看見」這個光點。根據這個角度即知的雷射和相機之間的距離，數位訊號處理器就能計算出傳感器和被測物之間的距離。

　　同時，光束在接收元件的位置通過模擬和數字電路處理，並通過微處理器分析，計算出相應的輸出值，並在用戶設定的模擬量窗口內，按比例輸出標準數據信號。如果使用開關量輸出，則在設定的窗口內導通，窗口之外截止。另外，模擬量與開關量輸出可設置獨立檢測窗口。

　　常用在鐵軌、產品厚度、平整度、尺寸等方面。

6 測量方法四：雷射回波法

　　雷射位移傳感器採用回波分析原理來測量距離可以達到一定程度的精度。傳感器內部是由處理器單元、回波處理單元、雷射發射器、雷射接受器等部分組成。雷射位移傳感器通過雷射發射器每秒發射一百萬個脈衝到檢測物並返回至接收器，處理器計算雷射脈衝遇到檢測物並返回接收器所需時間，以此計算出距離值，該輸出值是將上千次的測量結果進行的平均輸出。

圖6.1 雷射回波法

　　其原理與脈衝式雷射測距類似，又稱脈衝回波法，用於雷射位移傳感器。

7「安全」和「不安全」

　　目前，市場上的手持式雷射測距儀的工作物質主要有以下幾種：工作波長為905納米和1540納米的半導體雷射，工作波長為1064納米的YAG雷射。1064納米的波長對人體皮膚和眼睛是害的，特別是如果眼睛不小心接觸到了1064納米波長的雷射，對眼睛的傷害可能將是永久性的。所以，在國外，手持雷射測距儀中，完全取締了1064納米的雷射。在國內，某些廠家還有生產1064納米的雷射測距儀。

　　對於905納米和1540納米的雷射測距儀，我們就稱之為「安全」的。對於1064納米的雷射測距儀，由於它對人體具有潛在的危害性，所以我們就稱之為「不安全」的。

 

參考連結：

 http://www.chinabaike.com/t/9675/2013/1104/1701968.html

http://www.docin.com/p-620029816.html

http://baike.baidu.com/link?url=i4xMw2_QYjk-dArerDA5x_a_AgxQz0V8hGyJAs5uTw3VHOenPEShY2ihDAJMYxcM0O3aVbwj3Yy7egoyLiwrl_