LiDAR激光雷达技术原理及Arduino示例代码纠错

激光雷达（Light Detection and Ranging，LiDAR）即激光探测和测距，又称光学雷达，是自动驾驶领域的一种基础感测技术。LIDAR是激光科技与雷达技术的组合，以下以无人机和自动驾驶领域常用的LIDAR-Lite系列为例，介绍LIDAR与Arduino开发板的连接几测距示例。

LiDAR工作原理

LiDAR工作原理与通信雷达一样，都是飞行时间测量法（Time of Flight，TOF），只是发射介质采用的是对人畜无害的红外光束（Light Pluses），而不是无线电波。

激光雷达LiDAR示意图

LiDAR通过发射、反射和接收红外光束来探测白天或黑夜下的特定物体及动态数据，甚至由于反射度的不同，车道线和路面也是可以区分开来的。对于车用激光雷达，光速是每秒30万公里，要区分目标厘米级别的精确距离，对传输时间测量分辨率必须做到1纳秒。要如此精确的测量时间，对应的测量系统的成本就很难降低，还需要使用巧妙的方法降低测量难度。

激光雷达LiDAR系统组成

LiDAR系统一般包括激光发射光源、接收器、伺服电机、斜面镜和光学旋转编码器（又称圆光栅）几部分。通过旋转的机械镜面测量激光发出和收到回波的时间差，LiDAR可确定目标的方位和距离。由于激光雷达主动发射激光，因此受环境光变化的影响小，测距精确。

LiDAR与Arduino连接

LIDAR是激光科技与雷达技术的组合，不但应用前景广阔，使用也非常简便。通过Arduino开发板就能实现测距应用，必要的物料BOM表如下：
USB micro-B电缆 USB 2.0 A-B型 x1
电阻器 1/4W 500欧姆 x1
SparkFun Arduino开发板 DEV-15123 x1
LIDAR-Lite v3传感器 Garmin SEN-14032 x1
电容器 1000uF/25V去耦铝电解电容器 x1
面包板 x1
跳线 若干

LIDAR-Lite激光雷达

其中，LIDAR-Lite前方有两个镜筒，里面分别是激光发射器和接收器，用以发现和检测目标。侧面的电气接口用来连接6-wire电缆。底部的４个安装孔用来固定传感器，螺丝规格为 #6 or M3.5。

LIDAR-Lite有6个引线，用来与控制板通信。其功能分别为：
红色：5V，连接5V电源。
橙色：PWR EN，电源使能（内部上拉）
黄色：MODE，模式控制（用于PWM模式）
绿色：SCL，I2C时钟
蓝色：SDA，I2C数据
黑色：GND，接地线

LIDAR-Lite的引线及功能说明

由于LIDAR-Lite工作于4.5V to 5.5V，消耗的连续电流高达135mA (待机状态为105mA)，为了维持稳定工作，需要在5V电源和GND之间连接一个680μF电容器，并尽量靠近LIDAR传感器单元。

用于SCL和SD线路的I2C总线上拉电阻器一般为4.7kΩ，如果链路较长或系统器件较多，可改用较小阻值的电阻元件。当线路长度超过允许长度时，可采用总线扩展器。

LIDAR传感器与Arduino开发板连接

按照电路图将LIDAR传感器与RedBoard或者其他Arduino兼容开发板连接，IDAR-Lite就可以通过I2C总线来测量距离了。

LiDAR库文件及代码

连接好电路图后，用USB电缆将LiDAR连接到PC，就可以安装专门的Arduino库文件了。这很简单，打开Arduino Library Manager按照提示操作就OK了。如果这些库文件没有链接到Arduino IDE，就需要手动操作，过程也不复杂。

库文件装好后，打一个新的Arduino sketch，拷入如下代码：

/**
* LIDARLite I2C Example
* Author: Garmin
* Modified by: Shawn Hymel (SparkFun Electronics)
* Date: June 29, 2017
*
* Read distance from LIDAR-Lite v3 over I2C
*
* See the Operation Manual for wiring diagrams and more information:
* http://static.garmin.com/pumac/LIDAR_Lite_v3_Operation_Manual_and_Technical_Specifications.pdf
*/
#include #include
// Globals
LIDARLite lidarLite;int cal_cnt = 0;
void setup()
{
Serial.begin(9600); // Initialize serial connection to display distance readings

lidarLite.begin(0, true); // Set configuration to default and I2C to 400 kHz
lidarLite.configure(0); // Change this number to try out alternate configurations
}
void loop()
{
int dist;

// At the beginning of every 100 readings,
// take a measurement with receiver bias correction
if ( cal_cnt == 0 ) {
dist = lidarLite.distance(); // With bias correction
} else {
dist = lidarLite.distance(false); // Without bias correction
}

// Increment reading counter
cal_cnt++;
cal_cnt = cal_cnt % 100;

// Display distance
Serial.print(dist);
Serial.println(" cm");

delay(10);
}

代码上传成功后，打开Serial Monitor，就可以看到如下显示的测量结果。

LIDAR传感器的测距结果

如果Serial Monitor显示有误（nack error），大部分情况是I2C总线连接问题，因为I2C总线对接触不良非常敏感，最好是事先在面包板上焊接几根导线出来。当然，也可能是上拉电阻太大了，可换个小一点阻值的试试，直到正常测量为止。

审核编辑：汤梓红