全球許多著名電影都展示了有趣而逼真的移動(dòng)機(jī)器人在日常環(huán)境中穿梭的場(chǎng)景。這些機(jī)器人的種類(lèi)繁多，有的仿真機(jī)器人可以從汽車(chē)變形為具有人類(lèi)個(gè)性的全功能機(jī)器人，有的簡(jiǎn)單機(jī)器人用攝像頭當(dāng)眼睛，看起來(lái)栩栩如生。如果這些機(jī)器人沒(méi)有類(lèi)似人類(lèi)的感知能力來(lái)輔助移動(dòng)，而只能完全依靠電子技術(shù)來(lái)導(dǎo)航，那會(huì)怎樣？用作眼睛的攝像頭是否足以在我們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)對(duì)所有不可預(yù)知的障礙？

在當(dāng)今的汽車(chē)中，我們不難理解為何采用所有可能的導(dǎo)航方法（而不僅僅是攝像頭）有利于確保車(chē)輛、乘客和行人的安全。借助一套稱(chēng)為“傳感器融合”的檢測(cè)模塊，可以讓激光雷達(dá)、雷達(dá)和攝像頭等導(dǎo)航方法并行工作，從而實(shí)現(xiàn)最大距離和速度測(cè)量。傳感器融合還能讓車(chē)輛以最佳視角觀察周?chē)h(huán)境中的障礙物。 但是，機(jī)器人是否也需要像電影中的機(jī)器人那樣的安全等級(jí)呢？如果是，工程師如何開(kāi)始這類(lèi)設(shè)計(jì)？為了回答這些問(wèn)題，本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)提供了一些背景信息，說(shuō)明汽車(chē)激光雷達(dá)和工業(yè)激光雷達(dá)之間的差異，以及在機(jī)器人設(shè)計(jì)中采用激光雷達(dá)的好處。

汽車(chē)激光雷達(dá)與工業(yè)激光雷達(dá)

如圖 1 所示，汽車(chē)激光雷達(dá)通常安裝在商用車(chē)的車(chē)身頂部或側(cè)面，呈中等尺寸圓盤(pán)狀。這些模塊通常非常復(fù)雜，每個(gè)模塊包含 32 到 128 個(gè)通道，

并以極高的速度移動(dòng)。汽車(chē)中的激光雷達(dá)模塊通常采用光學(xué)飛行時(shí)間 (ToF) 架構(gòu)和基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的系統(tǒng)，讓每個(gè)模塊能夠在每個(gè)通道獲取更多信息，但代價(jià)是更高的功耗和更大的尺寸。如需進(jìn)一步詳細(xì)了解架構(gòu)類(lèi)型（包括基于 ADC 的系統(tǒng)），另請(qǐng)參閱飛行時(shí)間和激光雷達(dá) 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)。包含 ADC 的系統(tǒng)通常被稱(chēng)為 3D 或 4D 設(shè)計(jì)，具體取決于能夠創(chuàng)建三維還是四維信息點(diǎn)云。總之，得益于這些特性，該技術(shù)有助于更好地實(shí)時(shí)了解車(chē)輛周?chē)那闆r。

工業(yè)激光雷達(dá)具有相同的技術(shù)基礎(chǔ)，但每個(gè)模塊的通道數(shù)通常較少，有時(shí)甚至只有一個(gè)通道。此外，許多工業(yè)激光雷達(dá)模塊采用 ToF 架構(gòu)并將 ADC 替換為時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (TDC)，從而減少和簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)點(diǎn)并降低設(shè)計(jì)功耗。由于降低了復(fù)雜性和尺寸，工業(yè)模塊的成本和功耗通常都更低，同時(shí)也更容易集成到機(jī)器人設(shè)計(jì)中。一些工業(yè)模塊仍然使用基于 ADC 的架構(gòu)，但會(huì)減少通道數(shù)，這種設(shè)計(jì)能夠平衡前面提到的權(quán)衡因素。根據(jù)能夠創(chuàng)建二維點(diǎn)云還是只能進(jìn)行一維距離測(cè)量，工業(yè)激光雷達(dá)系統(tǒng)通常分為 2D 或 1D 激光雷達(dá)類(lèi)別。目前正在部署工業(yè)激光雷達(dá)的一些工業(yè)應(yīng)用包括交通監(jiān)控系統(tǒng)、港口和碼頭監(jiān)控、配送倉(cāng)庫(kù)導(dǎo)航和監(jiān)控、自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR)、自主工業(yè)車(chē)輛 (AGV)，甚至一些個(gè)人電子產(chǎn)品應(yīng)用（如智能手機(jī)和平板電腦）。

如何開(kāi)始設(shè)計(jì)？

開(kāi)發(fā)人員如何開(kāi)始設(shè)計(jì)機(jī)器人？TI 致力于開(kāi)發(fā)激光雷達(dá)系統(tǒng)接收器模擬前端設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵構(gòu)建塊：集成電流/電壓跨阻放大器 (TIA)。LMH34400 具有單端輸出，是基于 TDC 的設(shè)計(jì)的理想選擇，并擁有可確保器件安全并增強(qiáng)其靈敏度性能的獨(dú)特特性。此器件允許在光電二極管和 TDC 之間實(shí)施單芯片設(shè)計(jì)，也可以將該設(shè)計(jì)與 TLV3801 等高速比較器配合使用以進(jìn)一步縮短信號(hào)上升時(shí)間。

LMH34400 還包含一套集成元件，進(jìn)而可減小寄生電容、減小整體尺寸并降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。例如，設(shè)計(jì)了一個(gè) 100mA 保護(hù)鉗位來(lái)保護(hù)放大器，幫助器件快速?gòu)倪^(guò)載輸入狀態(tài)中恢復(fù)。還記得球滾到機(jī)器人面前的情景嗎？此鉗位有助于確保系統(tǒng)能夠在突然檢測(cè)到近距離物體時(shí)從這種可能很劇烈的輸入尖峰中快速恢復(fù)，盡可能縮短停機(jī)時(shí)間。

LMH34400 還具有以下集成特性：

• 40kΩ 跨阻增益消除了對(duì)外部無(wú)源器件的需求，因此比分立式電阻器更容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定
• 環(huán)境光消除 (ALC) 電路可以濾除通常會(huì)影響接收器動(dòng)態(tài)范圍的殘余背景光
• 斷電模式支持該器件用于多通道系統(tǒng)中，無(wú)需額外的分立式多路復(fù)用器（圖 3）。

所有這些特性都被整合在尺寸僅為 1.60mm × 1.20mm 的超小型 5 引腳 SOT-5X3 封裝中，因此該器件非常適合空間受限和成本敏感的工程，如 AMR。

其他設(shè)計(jì)資源：

• 德州儀器 (TI)，飛行時(shí)間和激光雷達(dá) - 光學(xué)前端設(shè)計(jì)
• 德州儀器 (TI)，在激光雷達(dá)和飛行時(shí)間 (ToF) 應(yīng)用中有效提升跨阻帶寬
• 德州儀器 (TI)，激光雷達(dá)脈沖飛行時(shí)間參考設(shè)計(jì)概述
• 德州儀器 (TI)，汽車(chē)激光雷達(dá)簡(jiǎn)介
• 德州儀器 (TI)，應(yīng)用指南 - 工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人