LiDAR Lite模块开源

描述

介绍

与上一个项目类似，我们将连接一个可以测量距离的传感器，但我们不使用超声波，而是使用波长为 905 nm 的脉冲激光形式的光。与超声波传感器相比，LiDAR-Lite 模块每秒可提供更好的准确度、精度、范围和更多数据样本。LiDAR 系统通常用于自动驾驶汽车、无人机和卫星以绘制地形图。

16x2 字符 LCD

有关如何以 4 位模式连接 16×2 LCD 的更多详细信息，请参见项目 9 。您应该将 LCD 的引脚 4、6 和 11-14 分别连接到 Uno 引脚 2、3 和 4-7。LCD 通过焊接到 1 对 1 链路的 16 针直角母头安装到 Modulus Canister，如下图所示。您也可以使用无焊面包板来安装 LCD。

我们正在将 LiDAR 安装到 Adapticon Canister。如果您也这样做，则必须移除 Modulus 上的 F/M 跳线，并将 30 AWG 线绕到公头针上。这样我们就可以将 Modulus 和 Adapticon 堆叠在一起。

 

安装到模数的 16x2 字符 LCD

 

Garmin LiDAR-Lite

LiDAR 代表“光检测和测距”，并通过激光测量距离。激光是一种脉冲光源，其波长范围从紫外线到可见光再到红外线。它们的功率也各不相同——一些是 mW 激光器（指针），而另一些则可能超过 500W（用于切割）。这个特殊的模块有一个工作在 905nm 波长和 1.3 瓦功率的激光器。LiDAR-Lite 发射激光信号并测量激光从目标反射回来后返回所需的时间。一旦获得时间，就可以计算距离，因为我们知道时间和光速。模块进行此计算并通过 I2C 返回到主机的距离。

如果您在 PWM 模式下使用模块，它会返回一个与测量距离成正比的高脉冲宽度。

注意：此模块发射激光辐射，被指定为 1类激光。对于 1 类激光，应采取所有预防措施。

LiDAR-Lite 模块由 6 个引脚组成：+5V、电源 EN、模式控制、I2C SCL、I2C SDA 和 GND。该模块可以在两种模式下运行：I2C（内部集成电路）和 PWM（脉宽调制）。我们将在 I2C 模式下操作模块。Garmin 提供两种型号：LiDAR-Lite v3 和 LiDAR-Lite v3HP。我们使用的是 LiDAR-Lite v3，因为它更便宜。规格表如下所示，Garmin 的完整数据表可在此处找到。

 

LiDAR-Lite 规格

 

内部集成电路 (I2C)

我们将在 I2C 模式下使用该模块。由于我们只使用一个模块，我们不必更改其默认的 7 位从地址，即 0x62。即使我们只有一个从设备，主设备 (Uno) 仍必须将地址发送给它想要与之通信的从设备。除了地址之外，还有一个读/写位告诉从机主机是否要读取或写入它。

从 LiDAR-Lite 获取距离测量值的最简单方法是：

• 主机写入 0x62 来寻址从机并等待从机的确认 (ACK) 位。

• 主机将 0x04 写入从机寄存器 0x​​00。LiDAR-Lite 的寄存器 0x​​00 是Receiver Bias Correction 。将 0x04 写入此寄存器会告诉设备您要使用接收器偏差校正进行距离测量。

• 主机读取 0x01 寄存器，指示 LiDAR-Lite 的系统状态。如果位 0 (LSB) 为 1，则设备忙。如果它是零，那么我们可以继续获得距离测量值。

• 通过将地址字节的 MSB 设置为 1，我们可以通过连续读取或写入触发寄存器地址的自动递增。我们要读取寄存器 0x​​0F 中的距离测量的高字节，因此通过将 MSB 设置为 1，该地址变为 0x8F。通过发送 0x8F，主机接收到高字节距离测量和低字节距离测量。

上述步骤的时序图如下所示。

 

写操作的 I2C 时序图

 

 

读取状态寄存器的时序图

 

 

读取距离的时序图

 

适配图标

我们正在使用 Adapticon 安装 LiDAR-Lite。Adapticon 有安装 Raspberry Pi 3 Model B/B+、Raspberry Pi 4、Raspberry Pi Zero 和 Arduino Uno Rev3 的脚印，因此我们创建了一个适配器板（由 1/8 英寸丙烯酸制成），可安装到 RPi3足迹，以便能够安装 LiDAR-Lite。在将板安装到 Adapticon 之前，我们必须使用四个 #4-40 x 3/8" 内六角螺钉和四个 #4 六角螺母将 LiDAR-Lite 安装到板上。下图显示了 LiDAR-Lite 安装在板上的图像。

 

安装在转接板上的 LiDAR-Lite

 

将 LiDAR-Lite 安装到板上后，我们可以使用提供的六角支架和 #4-40 x 1/4" 内六角螺钉将其固定到 Adapticon。最终组装如下所示。

 

安装到 Adapticon 的 LiDAR-Lite 总装

 

罐堆栈

接下来，我们需要将 Modulus 和 Adapticon 连接在一起。建议您先将 Modulus 连接到 Adapticon（如下图所示），而不是将 Modulus 插入 FuelCan 的 4×26 针连接器，然后再插入 Adapticon。

 

Modulus（底部）和 Adapticon（顶部）结合在一起

 

将两个罐子配对后，小心地将电池组插入 FuelCan 的 4×26 针连接器，然后插入 LiDAR-Lite 的线束，如下图所示。

 

与 FuelCan 配对的罐组

 

LiDAR-Lite 接线

线束一侧有一个 JST 母接头，另一侧有剥线端。您可能需要在电线的末端镀锡，这样当您将末端插入面包板时它不会弯曲。将无焊面包板放入底部储物箱中，并将每个剥离端插入面包板上的相邻节点。在模块的引脚 1 和 6（分别为 5Vdc 和 GND）之间放置一个极化的 680uF 电解电容器。确保电容器的方向正确，否则在给设备加电时可能会损坏或爆炸。

使用 8 英寸 M/M 跳线将 LiDAR-Lite 引脚 4 (I2C SCL) 和 5 (I2C SDA) 分别连接到引脚 A5 和 A4 中的 Uno 模拟。LiDAR-Lite 引脚 2 和 3 连接到面包板，但它们没有连接到任何东西——引脚 2 有一个内部上拉电阻以始终启用设备，而引脚 3 未连接，因为我们使用的是 I2C 模式。电路原理图如下所示。

 

LiDAR-Lite 的电路原理图

 

燃料罐接线

如果您还没有将 Uno 安装到 FuelCan 的原型制作区域，请继续执行此操作。如果您使用的是面包板而不是 Modulus，请将面包板放在底部的储物箱中以限制跳线的长度。您需要使用提供的香蕉插孔来测试引线夹电缆，为面包板上的电源和接地轨提供 +5V 和 GND。您将需要两个公头针将测试引线夹安装在面包板一侧。将 USB 电缆的 A 型端插入 USB1 插座，将 B 型端插入 Uno 的插座。使用 AC-DC 电源适配器为 FuelCan 供电。

软件

一旦接线完成并且 FuelCan 通电，我们现在可以将草图加载到 Uno 上。您将需要 Garmin 的 LiDAR-Lite 库，该库可在此处获得。它会将您定向到他们的 GitHub 存储库。

下载库后，通过导航到Sketch -> Include Library -> Add.ZIP Library...将其添加到您的 Arduino IDE 。您还可以通过转到Sketch -> Library Manager并搜索“LIDAR”来安装该库。当搜索结果弹出时，安装 Garmin 库的 LIDAR-Lite。

下面的第一个草图在没有接收器偏差校正的情况下获取距离测量值，其中不考虑目标距离、设备温度或光学噪声。不使用接收器偏差校正的一个优点是您可以更快地获取距离测量值。但是，准确性和灵敏度会受到影响。

下一个草图（下图）定期执行接收器偏差校正。建议每 100 个连续测量命令执行一次。通过使用接收器偏差校正，提高了准确性和灵敏度。但是，获取距离测量值较慢。

数字波形

数字波形是在 SCL 和 SDA 线上采集的。第一个波形（下图）显示主机与从机通信，它希望将 0x03（无接收器偏置校正）写入从机寄存器 0x​​00。

 

将 0x04 写入从寄存器 0x​​00

 

第二个波形（下图）显示主机轮询从机状态寄存器 0x​​01，直到位 0 为零。您可以看到状态寄存器被读取了两次，因为位 0 为 1。

 

轮询状态寄存器标志

 

第三个波形（下图）显示主机轮询从机状态寄存器 0x​​01，直到位 0 为零。第二次轮询从属寄存器时，位 0 为零，因此主机能够继续从从属设备检索距离测量值。主机发送 0x8F 用于连续读取从机寄存器 0x​​0F 和 0x10。在最后一帧中，从机分别从寄存器 0x​​0F 和 0x10 发送两个字节的数据，0x01 和 0x05。

 

检索两个字节的数据以进行距离测量