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试着在做激光雷达

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发表于 2017-2-23 01:56:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 托马斯小火车 于 2017-2-23 01:54 编辑

最近没闲着,一直在看激光雷达相关的东西,发现其实涉及到的东西蛮多,门槛也比较高,但也拦不住自己做一个的心情,
为了能让工作开展的顺利些,我决定先从简单的三角测距原理的激光雷达做做看,在做的过程中解决了很多问题,也还存在大量
需要解决的问题,先放一个初测视频以诚求与各位交流与进步!

下面这个链接是最开始做出来后一个简单的测试视频
http://v.youku.com/v_show/id_XMjUyNTk2MTE2OA==.html

效果不算好,也还有很多问题需解决. 下文我想聊聊激光雷达两个核心的部件:镜头和激光头
  • 镜头
    因为完全小白,镜头方面我确实恶补了不少知识,以下面这款镜头为列,讲讲我的理解

    分辨率
    关于这项参数,个人并不是特别理解,不过从选型角度来说,应该是表示镜头能cover 500万像素的CCD芯片
    像面尺寸
    又叫靶面尺寸,是指在焦点处(为什么在焦点处,请看下一条),镜头所能成像的最大区域尺寸。百度上,
    我们能搜到关于靶面尺寸的一些计算:
    1英寸——靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm,对角线16mm。
    2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm,对角线11mm。
    1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm,对角线8mm。
    1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm,对角线6mm。
    1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm,对角线4mm。

    可能看到这里有人就会有疑问,因为镜头是圆的,为什么靶面区域是个矩形,而不是圆形。  这是个确实需要
    解释的问题,按靶面尺寸的定义,靶面区域确实应该是圆形,只不过呢在现实的应用场景中,圆形对我们的意义
    并不大,因为我们的成像芯片通常是矩形的,比例一般位4:3或者16:9, 所以直接把靶面尺寸描述为矩形更符合
    应用者的理解。所以如果你有理解的话,1/2”的镜头是可以在焦点处最大成直径为8mm的圆那么大个的图像的。
    焦距/光学后焦距/机械后焦距
    焦距这个概念再熟悉不过了,这里我不再过多解释,上一张图

    好,这里又多出来两个概念,光学后焦距和机械后焦距,定义如下:
    机械后焦指镜头桶上边沿到感光面的距离,光学后焦指光线离开镜头最后一片镜片表面到感光面的距离;一般
    光学后焦大于机械后焦。
    知道具体定义后,这三个参数在实际试用镜头的过程中又有什么知道意义呢?

    从上图可以得到如下的关系式:
    1/u+1/v = 1/f (u:物距 v:像距 f:焦距)

    通过这个公式得到的最有用的结论是:物距u>>焦距f, 像距v近似等于焦距f

    所以焦距这个参数能够让你知道你的CCD芯片需要安装在镜头中心往后焦距f处,这样出来的像是最清晰的,那么
    问题又来了,镜头的中心点在哪里?机械后焦距正是帮你正确找到镜头中心的关键量:

    讲完了上面,我想你应该知道ccd芯片和镜头之间的安装尺寸了吧:)
    通光孔径/光圈
    其实上图参数里,这个参数是有待商榷的,他这里给出的应该是光圈值,而非通光孔径值,根据定义:
    光圈f值 = 镜头的焦距 / 镜头口径的直径

    所以通光孔径实际应该是公式里的 镜头口径的直径 这一个量. 光圈这个量在选购的时候也是挺重要的,
    在同样焦距镜头的情况下,光圈越小,进光量就越大。
    视场角
    这个量也是很重要的,图片中给出的视场角其实是按靶面尺寸和焦距算出来的,下面带着大家一起来
    按计算器:
    水平视场角:2*arctan(6.4/(16*2)) = 22.6
    垂直视场角:2*arctan(4.8/(16*2)) = 17.1
    对角视场角:2*arctan(gen(6.4*6.4 + 4.8*4.8)/(16*2)) = 28
  • 激光头
    大部分我们能买到的激光头其实是有激光二极管外加激光调焦镜头和内置电路组成的,电路主要是为了
    保正激光的恒功率,所以如果你看到的激光头是两脚的,基本店家已经帮你把电路做好内置了,而无须
    自己再搭电路来控制,我这里为了方便也是直接买的内置电路的。
    激光的可见性和其波长有关,为了调试的方便,我选用了波长650nm, 功率为5mw的可见激光,那由于
    激光本身对人眼有较强的破坏性,也建议做之前准备一付护目镜.

    另外附上激光二极管和激光头的图片





最后放一张最新的样机图镇楼啦~


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发表于 2017-2-23 07:55:17 | 显示全部楼层
取电怎么做的?用滑环还是无线?
发表于 2017-2-23 08:38:11 | 显示全部楼层
楼主相机用的什么型号?速度跟的上吗
发表于 2017-2-23 09:17:44 | 显示全部楼层
小白一个,不懂,楼主能解释下原理不,看视频不停的旋转,激光头不固定,,那怎么能对准物体测量距离呢!
发表于 2017-2-23 09:19:12 | 显示全部楼层
支持一下,做好后再发一下
发表于 2017-2-23 09:25:19 | 显示全部楼层
支持一下!
发表于 2017-2-23 09:28:04 | 显示全部楼层
有点看不懂,看样子有点复杂。
楼主看过这个么:
http://www.amobbs.com/thread-5247845-1-1.html
 楼主| 发表于 2017-2-23 12:19:50 | 显示全部楼层
jlhgold 发表于 2017-2-23 07:55
取电怎么做的?用滑环还是无线?

滑环{长度不够尾巴来凑}
 楼主| 发表于 2017-2-23 12:20:33 | 显示全部楼层
lcw_swust 发表于 2017-2-23 09:28
有点看不懂,看样子有点复杂。
楼主看过这个么:
http://www.amobbs.com/thread-5247845-1-1.html ...

嗯,有看过,前辈贴了应该
 楼主| 发表于 2017-2-23 12:21:47 | 显示全部楼层
kang732816702 发表于 2017-2-23 08:38
楼主相机用的什么型号?速度跟的上吗

用的单线ccd 速度挺快的
 楼主| 发表于 2017-2-23 12:23:14 | 显示全部楼层
hongfadg 发表于 2017-2-23 09:17
小白一个,不懂,楼主能解释下原理不,看视频不停的旋转,激光头不固定,,那怎么能对准物体测量距离呢! ...

在delta T时间内可以认为激光是固定的
发表于 2017-2-23 14:04:24 | 显示全部楼层
你用的线阵CCD吧?什么型号啊
发表于 2017-2-23 14:16:38 | 显示全部楼层
板子上用了两个STM32   是不是运算量很大。  视频只看到一个圆圈发光在转,高大上看不懂。
三角测距原理   我的理解是不是发光器和镜头大致并排放着,镜头指向延长线和发光器指向延长线在前面N远交叉。 发光器发个点光源到物体反射回来到镜头,镜头根据收到光点像素X轴与镜头中心像素差值,再根据焦距,镜头和发光器延长线夹角等三角关系计算物体反光点到镜头的距离和方位。发光器和镜头固定在一起转动,转动是为了扫描360度范围内的距离。  不知道对不对        物体反射回来激光有没可能在镜头上成像很大,不是一个点,是一大片。  这个是不是测量出来两轴平面距离,如果三轴立体物体呢,垂直方向斜面是不是可能把激光反射到镜头视角外造成空洞。
发表于 2017-2-23 14:30:25 | 显示全部楼层
太炫了,,,转起来的时候感觉高大上啊,,推荐迷彩色的塑料涂装
发表于 2017-2-23 14:40:47 来自手机 | 显示全部楼层
是不是用激光相位测距更合适啊
发表于 2017-2-23 18:16:51 | 显示全部楼层
希克传感器,用的是旋转镜头的方法,激光管不动的,潜望镜的那样
发表于 2017-2-23 19:28:50 来自手机 | 显示全部楼层
虽然不懂,但是感觉很有意思,闲来试试
 楼主| 发表于 2017-2-23 21:16:52 | 显示全部楼层
z123 发表于 2017-2-23 18:16
希克传感器,用的是旋转镜头的方法,激光管不动的,潜望镜的那样

嗯,他那个是tof原理的
 楼主| 发表于 2017-2-23 21:18:09 | 显示全部楼层
zouzhichao 发表于 2017-2-23 14:40
是不是用激光相位测距更合适啊

嗯,那个精度更高,同时测量范围更广,但是不知道怎么做,有资料入个门么?
 楼主| 发表于 2017-2-23 21:19:42 | 显示全部楼层
s1j2h3 发表于 2017-2-23 09:19
支持一下,做好后再发一下

哦了~~~~~~
 楼主| 发表于 2017-2-23 21:20:26 | 显示全部楼层
LinuxTux.China 发表于 2017-2-23 14:30
太炫了,,,转起来的时候感觉高大上啊,,推荐迷彩色的塑料涂装

我这个是3d打印件,透光率很高
 楼主| 发表于 2017-2-23 21:25:23 | 显示全部楼层
huangqi412 发表于 2017-2-23 14:16
板子上用了两个STM32   是不是运算量很大。  视频只看到一个圆圈发光在转,高大上看不懂。
三角测距原理    ...

你理解完全正确呢,对于你讲的光点大小问题其实不用考虑,在做图像处理的时候只care光点中心就可以了。
盲点肯定是有的,但只要漫反射能回到镜头的基本都是能测出距离的.
发表于 2017-2-23 23:50:39 | 显示全部楼层
托马斯小火车 发表于 2017-2-23 21:25
你理解完全正确呢,对于你讲的光点大小问题其实不用考虑,在做图像处理的时候只care光点中心就可以了。
...

激光发出漫反射后 回到镜头CCD   这一过程是怎么确定距离的 ?
发表于 2017-2-24 09:53:09 | 显示全部楼层
zouzhichao 发表于 2017-2-23 14:40
是不是用激光相位测距更合适啊

比楼主这个更高大上了。     测量反射回来时间差/相位差,光速30WKM/S,1米反射回来的时间差飞秒?皮秒?
发表于 2017-2-24 09:59:57 | 显示全部楼层
托马斯小火车 发表于 2017-2-23 21:25
你理解完全正确呢,对于你讲的光点大小问题其实不用考虑,在做图像处理的时候只care光点中心就可以了。
...


实际使用中空洞多不多,垂直墙面测试就不能算了,那个标准垂直体,比如站一排人穿各种材质衣服扫描呢。 激光光点在3米处有多大。   板子上两个STM32是分开处理显示和扫描?
发表于 2017-2-24 10:00:18 来自手机 | 显示全部楼层
huangqi412 发表于 2017-2-24 09:53
比楼主这个更高大上了。     测量反射回来时间差/相位差,光速30WKM/S,1米反射回来的时间差飞秒?皮秒? ...

1us对应单程300m
发表于 2017-2-24 10:07:19 | 显示全部楼层

1US=1MHZ  1G=1NS  0.3M  常用芯片到X G级别,远距离够了,近距离分辨3mm--->100G  这是蛮算,应该有电路降低频率需求。
发表于 2017-2-24 10:09:00 | 显示全部楼层
估计有特殊光学器件辅助  不是纯电路参与
发表于 2017-2-24 10:11:57 来自手机 | 显示全部楼层
huangqi412 发表于 2017-2-24 10:07
1US=1MHZ  1G=1NS  0.3M  常用芯片到X G级别,远距离够了,近距离分辨3mm--->100G  这是蛮算,应 ...

给激光做10Mhz的正弦波调制,相当于一个波长30m,测回波与发射的相位差,12度的相位差对应1m
 楼主| 发表于 2017-2-24 12:13:00 | 显示全部楼层
huangqi412 发表于 2017-2-24 09:59
实际使用中空洞多不多,垂直墙面测试就不能算了,那个标准垂直体,比如站一排人穿各种材质衣服扫描呢。  ...

衣服如果够暗就回不来了,大部分情况还是可以看到的,小片子是做无刷控制的
发表于 2017-2-24 12:35:47 来自手机 | 显示全部楼层
zouzhichao 发表于 2017-2-24 10:11
给激光做10Mhz的正弦波调制,相当于一个波长30m,测回波与发射的相位差,12度的相位差对应1m ...

能高速调制的激光头某宝不知道有没有 接收也要光电接收器不能摄像头吧
发表于 2017-2-24 15:00:31 | 显示全部楼层
赶紧mark一下
发表于 2017-2-24 15:22:00 | 显示全部楼层
这个有多远   

转慢点换超声波也不错
发表于 2017-2-24 19:33:11 | 显示全部楼层
加油,做得好很有前途
发表于 2017-2-24 20:27:55 | 显示全部楼层
支持,有前途...
 楼主| 发表于 2017-2-26 22:24:57 | 显示全部楼层
3DA502 发表于 2017-2-24 15:22
这个有多远   

转慢点换超声波也不错

超声波频率上不去啊
发表于 2017-2-26 22:50:13 | 显示全部楼层
激光雷达啊~赶紧mark~
发表于 2017-3-1 09:46:05 | 显示全部楼层
期待下文。非常有意思的探索。
发表于 2017-3-1 09:46:28 | 显示全部楼层
本帖最后由 yllyly0454 于 2017-3-1 09:48 编辑

期待下文。非常有意思的探索。
焦距与距离的关系是明确的,但是运算后是否还需要进行补偿?
发表于 2017-3-1 17:12:54 | 显示全部楼层
侣行 这个节目里面就有用上这我玩意,好像还挺贵的!
发表于 2017-3-1 18:07:21 | 显示全部楼层
3DA502 发表于 2017-2-24 15:22
这个有多远   

转慢点换超声波也不错

钓鱼的探鱼器应该只有一个探头自发自收,那个应该也不转动,不知道那个是怎么做的。
 楼主| 发表于 2017-3-2 23:45:33 | 显示全部楼层
yllyly0454 发表于 2017-3-1 09:46
期待下文。非常有意思的探索。
焦距与距离的关系是明确的,但是运算后是否还需要进行补偿? ...

补偿主要是对镜头畸变的补偿
发表于 2019-8-12 14:11:07 | 显示全部楼层
你好 请教一下 光斑定位算法 谢谢
发表于 2019-8-15 10:58:02 | 显示全部楼层
你好 请问你用的是线阵CCD还是CMOS  传感器输出的是模拟信号吧
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