NEST149 March 2025 LMH13000
光達(dá)技術(shù)持續(xù)改善機(jī)器人和自主系統(tǒng)在各種環(huán)境中安全感測(cè)，反應(yīng)及運(yùn)作的方式。這項(xiàng)技術(shù)已存在幾十年，但最近的發(fā)展導(dǎo)致了光達(dá)被應(yīng)用於機(jī)器人，如中所示的自動(dòng)行動(dòng)機(jī)器人（AMR）圖 1。
圖 1 AMR 使用光達(dá)導(dǎo)航有一部機(jī)器人從汽車轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蓄愃迫祟悅€(gè)性的全功能機(jī)器人的熱門電影系列。現(xiàn)實(shí)中，現(xiàn)今的機(jī)器人並沒有這種感情；他們需要攝影機(jī)來充當(dāng)眼睛，才能在充滿無法預(yù)料的障礙的世界中移動(dòng)。
在汽車產(chǎn)業(yè)中，理解擁有所有可能的導(dǎo)航方法（而不僅僅是攝影機(jī)）對(duì)於確保車輛、乘客和行人的安全是有益的原因是很容易的。光達(dá)，雷達(dá)和攝影機(jī)等導(dǎo)航方法使用一套稱為感測(cè)器融合的感測(cè)模組，相互並行運(yùn)作以執(zhí)行距離和速度量測(cè)。感測(cè)器融合可讓車輛在周遭環(huán)境中看見最佳障礙物。
因此在機(jī)器人領(lǐng)域，光達(dá)技術(shù)的進(jìn)步將有助於在各種環(huán)境中更廣泛地部署 AMR、提供更高的環(huán)境意識(shí)、障礙物偵測(cè)和即時(shí)反應(yīng)能力，並同時(shí)克服傳統(tǒng)攝影機(jī)系統(tǒng)的限制。
汽車與工業(yè)光達(dá)
在商用車上，您可以在車輛頂部或底盤側(cè)面找到機(jī)械掃描光達(dá)（請(qǐng)參閱圖 2）。光達(dá)模組大小約像曲棍球，每模組通常包含 32 至 128 個(gè)通道，並以極高的速度移動(dòng)，平均以 0.2s 旋轉(zhuǎn) 360 度。光學(xué)飛時(shí)測(cè)距（ToF）架構(gòu)搭配類比轉(zhuǎn)數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）型系統(tǒng)，可讓每個(gè)光達(dá)模組每通道獲得更多資訊，但需在更高的功耗與尺寸間做取捨。
圖 2 車架最上方中央的機(jī)械掃描光達(dá)模組搭載 ADC 的光達(dá)模組通常稱為 3D 或 4D 設(shè)計(jì)，因?yàn)槠淠軌蚪⑷S或四維資訊點(diǎn)雲(yún)。
工業(yè)光達(dá)擁有相同的技術(shù)基礎(chǔ)，但通常通道數(shù)量較少（在某些情況下一個(gè)模組只有一個(gè)通道）。由於工業(yè)模組的複雜性和尺寸降低，因此其成本和功耗通常較低，有助於更輕鬆地整合至機(jī)器人設(shè)計(jì)中。工業(yè)光達(dá)系統(tǒng)可根據(jù)建立二維點(diǎn)雲(yún)或單維距離量測(cè)的能力，分類為二維或單維。
工業(yè)光達(dá)用途包括交通監(jiān)控、連接埠與終端監(jiān)控、分配倉庫導(dǎo)航與監(jiān)控、 AMR、自動(dòng)工業(yè)車輛，以及智慧型手機(jī)和平板電腦等個(gè)人電子產(chǎn)品。
光達(dá)可為機(jī)器人帶來什麼好處？
隨著 AMR 進(jìn)入新的領(lǐng)域，並比以往更獨(dú)立地移動(dòng)，攝影機(jī)數(shù)量可能還不夠。想像一下 AMR 運(yùn)送裝置沿著鄰近的人行道移動(dòng)。即使沿著人行道，也可能會(huì)有汽車、垃圾桶、行人、腳踏車或兒童玩具等障礙物，這些全部都可能影響機(jī)器人的導(dǎo)航能力。
AMR 必須偵測(cè)這些障礙、評(píng)估潛在影響，並即時(shí)做出反應(yīng)。新增光達(dá)模組可為 AMR 提供感測(cè)環(huán)境變化（例如，球滾入路徑） ，快速反應(yīng)並避免碰撞所需的解析度與回應(yīng)時(shí)間。圖 3展示 AMR 與光達(dá)沿著擁擠的人行道移動(dòng)。
圖 3 AMR 戶外導(dǎo)航雖然攝影機(jī)可提供高解析度影像，但仍需努力準(zhǔn)確測(cè)量距離，這在決定 AMR 是否能繼續(xù)移動(dòng)或需要重新導(dǎo)向時(shí)非常重要。
此外， AMR 必須能在各種照明和天氣條件下運(yùn)作。光達(dá)技術(shù)不受這些條件的限制，也不需要外部照明（攝影機(jī)式系統(tǒng)的限制）。
加快在機(jī)器人領(lǐng)域採用光達(dá)的速度
隨著光達(dá)的前景越來越明顯，設(shè)計(jì)工程師必須選擇最佳途徑，將這項(xiàng)先進(jìn)感測(cè)技術(shù)整合至系統(tǒng)中。首先，必須為傳輸路徑設(shè)計(jì)雷射驅(qū)動(dòng)器電路和轉(zhuǎn)阻放大器（TIA），以管理光達(dá)光學(xué)設(shè)計(jì)的接收路徑，如所示圖 4。替代選項(xiàng)包括在光二極體和時(shí)間至數(shù)位轉(zhuǎn)換器之間實(shí)作單晶片設(shè)計(jì)，適用於具有 TIA（如 LMH34400）的接收訊號(hào)鏈，或?qū)⒛脑O(shè)計(jì)與其他高速比較器（如 TLV3801）配對(duì)。
圖 4 光達(dá)光學(xué)訊號(hào)鏈方塊圖設(shè)計(jì)傳輸路徑時(shí)，LMH13000 整合式雷射驅(qū)動(dòng)器可在連續(xù)和脈衝兩種運(yùn)作模式下提供高輸出電流驅(qū)動(dòng)，以將對(duì)額外分離式元件的需求降到最低。此低電壓差動(dòng)訊號(hào)控制電流來源可在溫度範(fàn)圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 2% 脈衝變化，上升和下降時(shí)間為 800ps ，頻率高達(dá) 250MHz。LMH13000 可支援從 50mA 到 5A 的輸出電流，同時(shí)做為脈衝電流來源運(yùn)作。
結(jié)合的窄脈衝與高輸出電流驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)更高的功率脈衝，可將距離量測(cè)延長(zhǎng) 30% ，同時(shí)還能維持眼部安全標(biāo)準(zhǔn)。隨著功能的提升，機(jī)器人能夠更快速且更準(zhǔn)確地偵測(cè)障礙物，改善即時(shí)決策，並在複雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更安全的導(dǎo)航。
結(jié)論
光達(dá)是汽車與工業(yè)車輛邁向行動(dòng)自主之路的固有部分。即時(shí)進(jìn)行物體偵測(cè)與碰撞預(yù)防，可提升車輛與人員的安全性。在電影中，那些在日常環(huán)境中導(dǎo)航的逼真移動(dòng)機(jī)器人的未來可能不會(huì)像我們想象的那麼遙遠(yuǎn)。
其他資源
- 立即使用 TI 的整合式 TIA 或整合式雷射驅(qū)動(dòng)器放大器之一開始進(jìn)行光達(dá)設(shè)計(jì)。
- 查看應(yīng)用說明，飛時(shí)測(cè)距與光達(dá)–光學(xué)前端設(shè)計(jì)與影片「光達(dá)脈衝飛時(shí)測(cè)距參考設(shè)計(jì)概覽」。
- 下載參考設(shè)計(jì)，將雷射雷達(dá)和飛時(shí)測(cè)距（ToF）應(yīng)用的跨阻頻寬最大化。
- 閱讀白皮書汽車光達(dá)簡(jiǎn)介。
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