常见到的激光测距传感器所使用的原理

第十四届智能车竞赛赛道中凸显的横断路障，它让去年韩国国内智能车竞赛中参加决赛的队伍备受困扰，同样，它也使得今年国内参加比赛的队员感到苦恼。

2018年韩国全国大学生智能车竞赛中的横断路障

成功越过横断路障的关键就是需要能够尽可能提前检测到它的存在，然后在路障前后的一米区内精确绕过路障。

在绕过路障的过程中，车模不再具有赛道的导引。如果仅仅依靠车模开环控制完成绕行，则车模的轨迹就会受到赛道环境的影响，要么弯绕大了卡在旁边的赛道路肩上，要么弯绕小了，剐蹭在路障上。

视觉检测路障并开环绕行

为了避免绕行中厄运的发生，则需要对车模绕行路障引入反馈控制。

一种方案就是在车模上增加转向陀螺仪和车模行进距离传感器，这样可以精确控制车模运行轨迹，从而能够适应更加复杂多变的 环境。

另一种方案就是增加路障距离传感器，控制车模与路障之间的距离使得绕行转弯不太大也不太小。

近期很多同学在寻找各种测距传感器。传统的超声传感器对于反射物体 要求比较高，面积小的物体就会测不到，测量距离误差较大。现在更多同学把目光转移到一大类基于激光的测距传感器。

常见到的激光测距传感器所使用的原理包括有：TOF（Time of Flight），几何测距，结构光方法等。

TOF测距原理和超声波测距相似，只是它使用的是光波。由于激光定向性强，所以探测空间分辨率较高。由于它是通过测量光波从发送到接受之间的时间差来计算物体距离，所以物体表面的反射率对于测量结果影响不大。

TOF激光距离传感器

由于半导体工艺的进步，TOF激光测距传感器的价格也比较便宜。近期很多同学在询问这类传感器是否可以允许用于竞赛中。

对于这类封装比较小（集成了传感器，处理电路和接口芯片）的模块可以被当做整体传感器应用于竞赛中。但需要排除 一些体积比较大并具有MCU，功能比较综合的TOF传感器。

TOP10120传感器以及其中的接口芯片

TOP10120是一款TOF激光测距传感器。它的测距结果可以通过UART，或者I2C总线输出。测量范围在100~1800mm，输出结果速度最快每秒33个数据。

通过UART输出的测量结果以及串口波形

该模块体积比较小，价格相对比较便宜，在一个车模上可以安装多个这样的传感器。所以很多同学不仅希望使用它检测赛道中的路障，而且还希望用于信标组中，检测信标障碍。

那么这个传感器在使用中，究竟效果如何。对于大的路障，小的信标检测距离有多远。是否会受到环境光线影响，多个TOF模块之间是否会存在干扰呢？

TOF测试接口

为了回答上面的问题，下面就通过实验来一一验证它。

为了更好的衡量TOF10120测量的空间分辨率和测量范围，下面将传感器固定在 一个小型的舵机上，然后让舵机进行旋转，便可以得到TOF传感器在水平方向上的空间分辨率和检测精度。

使用小型舵机旋转TOF传感器

下面是一个长度为1米左右的水平导轨，可以承载检测物体在纵向进行移动，这样可以测试TOF传感器的距离精度和检测范围。

纵向滑轨

使用一个红色表面的木箱作为检测对象。放在滑轨上沿着远离传感器的方向移动。

在木箱在远离方向上的每一个地点，舵机带动TOF传感器就左右扫描一周，可以的到在当前距离下，从不同方位所检测到前面物体的距离。

具体结果如下图所示。距离扫描曲线显示TOF传感器在空间分辨率上是很高的。

红色物体在远离过程中TOF扫描水平方向上所得到距离曲线

从上面动图可以看到，随着木箱 远离传感器，传感器前面所测到近距离的范围原来越小，同时距离数值也随着木箱的远离逐步增加。

当木箱移动到接近1米的时候，检测距离曲线出现了很多噪声，数据变得不可靠了。

所选的木箱底部是黑色，当黑色底部对准TOF传感器时，可以看到当距离城廓0.5米之后，测量数据就开始具有很多的噪声了。测距距离明显减少。

黑色表面，检测距离缩小到0.5米

下面三个距离扫描结果曲线分别是针对白色反射面，红色反射面以及黑色反射面。反射物体距离TOF传感器大约700mm。

通过对比可以看到，白色和红色反射面所测量的结果噪声基本相同，而黑色反射面结果中的噪声则非常大。

白色反射面测量距离扫描结果

红色反射面测量距离扫描结果

黑色表面距离扫描结果

因此比赛中所规定路障的颜色为红色，利于TOF传感器的检测。

考虑到实际路障的尺寸是45厘米，比实验中的木箱更大，因此，可以推测使用TOF10120传感器检测到路障的正面距离应该能够大于1米。

TOF传感器是否可以比较可靠的检测到信标呢?

下面使用同样的测试方法绘制了信标灯罩在不同的距离下被TOF传感器扫描的距离曲线。

信标灯罩在不同距离下检测距离结果曲线

从上面结果来看，当距离超过0.7米之后，信标就基本上无法检测到。如果再考虑到现场环境的影响，所以使用TOF检测信标的距离只能在半米左右。

如果信标车模控制的好的话，比如同时使用它的四轮，完成横向运动，半米的距离是可以灵活的躲开信标灯。

只是需要考虑到在H车模四周都安装该激光测距传感器。

由于得到最后一组数据的时候，已经到了晚上，外面没有了阳光。否则需要测试一下，在阳光下的环境中，TOF检测距离是多远？ 看是否能够满足室外越野组的避障检测。

两个TOF之间的相互干扰

上图动图显示了两个TOF传感器之间的相互干扰的情况。手持一个TOF传感器旋转，如果碰巧照射在另外一个传感器上，则传感器输出为2000，这是错误的检测结果。如果TOF不是正向照射在另外一个传感器上，它们测量结果还是正确的。

因此，在一个车模上是可以在四周同时按照多个TOF传感器。只要注意他们之间不会相互直射即可。

在比赛中的决赛阶段，如果赛道上是两个车模同时进行运行，理论上他们上面的TOF传感器是可能发生干扰的。不过这种干扰的几率会很小。