激光雷達技術正持續提升機器人與自主系統在各種環境中的感知、反應和安全運行水平。這項技術雖已有數十年歷史，但近年來的發展才使激光雷達成功應用于機器人領域，例如圖所示的自主移動機器人 (AMR)。

某熱門電影系列中，機器人能從汽車變形成具備人類性格的全功能機器人。現實中，如今的機器人尚未擁有這種感知能力，其需要攝像頭充當“眼睛”來應對充滿未知障礙的環境。

在汽車領域，我們不難理解為何采用所有可能的導航方法（而不僅僅是攝像頭）有利于確保車輛、乘客和行人的安全。借助一套稱為“傳感器融合”的檢測模塊，可讓激光雷達、雷達和攝像頭等導航方法并行工作，從而實現距離和速度測量。傳感器融合可使車輛以精準視角觀察周圍環境中的障礙物。

因此，在機器人領域，激光雷達技術的進步將推動 AMR 在各種場景中的廣泛應用，提供更強的環境感知能力、障礙物探測能力和實時反應能力，同時克服基于攝像頭的傳統系統的局限性。

汽車激光雷達與工業激光雷達

在商用車輛上，可在車頂或底盤側面發現機械掃描激光雷達。激光雷達模塊的大小與冰球差不多，單個模塊往往配備 32 至 128 個通道，移動速度極快，平均 0.2 秒就能旋轉 360 度。采用光學飛行時間 (ToF) 架構和基于模數轉換器 (ADC) 的系統，每個模塊能夠在每個通道獲取更多信息，但代價是更高的功耗和更大的尺寸。

配備 ADC 的激光雷達模塊通常被稱為3D 或 4D 設計，具體取決于其能夠創建三維還是四維信息點云的能力。

工業激光雷達雖然具有相同的技術基礎，但每個模塊的通道數通常較少，有時甚至只有一個通道。由于降低了復雜性和尺寸，工業模塊的成本和功耗通常都更低，且更易集成到機器人設計中。根據其生成二維點云或單維距離測量的能力，工業激光雷達系統可分為二維或單維類型。

工業激光雷達的應用包括交通監控、港口和樞紐監控、配送倉庫導航和監控、AMR、自動駕駛工業車輛，以及智能手機和平板電腦等個人電子產品。

激光雷達對機器人有何好處？

隨著 AMR 進入新的領域，且行動比以往都更加獨立，僅靠攝像頭可能已難以滿足需求。想象一下，一輛 AMR 送貨車正在街區的人行道上行駛。即便是人行道區域，也可能出現汽車、垃圾桶、行人、自行車或兒童玩具等各類障礙物，這些都會影響機器人的導航能力。

AMR 必須檢測到這些障礙物，評估潛在影響，并實時做出相應反應，這一點至關重要。添加激光雷達模塊可提供必要的分辨率和響應時間，從而使AMR 能夠感知環境變化（如滾入路徑的球），從而快速反應并避免碰撞。演示了一個配有激光雷達的 AMR 在擁擠的人行道上移動。

盡管攝像頭能提供高分辨率圖像，但其在精確測距方面存在局限，而這恰恰是判斷 AMR 應繼續行進還是調整路線的關鍵依據。

此外，AMR 需確保在各種光照和天氣條件下正常工作。激光雷達技術既不受這些環境因素制約，也無需外部光源（而這正是基于攝像頭的系統的限制因素）。

加速激光雷達在機器人中的應用

隨著激光雷達的發展前景越來越明朗，設計工程師必須選擇合適的方法來將這種先進的感應技術集成到系統中。首先，必須為激光雷達光學設計中的發射路徑設計激光驅動電路，并為接收路徑配置跨阻放大器 (TIA)，如圖所示。可選方案包括在光電二極管和時間數字轉換器之間為具有 TIA（如 LMH34400）的接收信號鏈實現單芯片設計，或選用TLV3801等高速比較器進行設計配對。

圖 ：激光雷達光學信號鏈方框圖

在設計傳輸路徑時，LMH13000集成激光驅動器可在兩種操作模式（連續和脈沖）下提供高輸出電流驅動，從而最大限度地減少對額外分立元件的需求。這款低電壓差分信號控制電流源可實現 2% 的脈沖溫度變化，上升和下降時間為 800ps，頻率高達 250MHz。LMH13000作為脈沖電流源工作時，可支持 50mA 至 5A 的輸出電流。

窄脈沖和高輸出電流驅動相結合，可產生更高功率的脈沖，從而使測量距離延長多達30%，同時仍能確保符合人眼安全標準。借助改進的功能，機器人可更快、更準確地檢測障礙物，從而改善實時決策并在復雜環境中實現更安全的導航。

結語

在汽車和工業車輛中，激光雷達都是實現移動自主性的核心一環。實時進行物體探測和避免碰撞可提高車輛和人員的安全性。那些在電影中穿梭于日常環境的逼真的移動機器人，也許并不像我們想象的那樣遙不可及。