ZHCAEB6 August 2024 LMH34400
光探測和測距（LiDAR，激光雷達）是一種新興技術(shù)，旨在幫助推動整個行業(yè)朝著自主和安全方向發(fā)展。要獲取有關(guān)這些技術(shù)架構(gòu)的專業(yè)知識并詳細(xì)了解推薦的器件（例如專門設(shè)計的新款 LMH34400 跨阻放大器），請參閱飛行時間和激光雷達 - 光學(xué)前端設(shè)計 應(yīng)用簡報。
全球許多著名電影都展示了有趣而逼真的移動機器人在日常環(huán)境中穿梭的場景。這些機器人的種類繁多，有的仿真機器人可以從汽車變形為具有人類個性的全功能機器人，有的簡單機器人用攝像頭當(dāng)眼睛，看起來栩栩如生。如果這些機器人沒有類似人類的感知能力來輔助移動，而只能完全依靠電子技術(shù)來導(dǎo)航，那會怎樣？用作眼睛的攝像頭是否足以在我們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)對所有不可預(yù)知的障礙？
在當(dāng)今的汽車中，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，可以讓激光雷達、雷達和攝像頭等導(dǎo)航方法并行工作，從而實現(xiàn)最大距離和速度測量。傳感器融合還能讓車輛以最佳視角觀察周圍環(huán)境中的障礙物。 但是，機器人是否也需要像電影中的機器人那樣的安全等級呢？如果是，工程師如何開始這類設(shè)計？為了回答這些問題，本應(yīng)用簡報提供了一些背景信息，說明汽車激光雷達和工業(yè)激光雷達之間的差異，以及在機器人設(shè)計中采用激光雷達的好處。
汽車激光雷達與工業(yè)激光雷達
如圖 1 所示，汽車激光雷達通常安裝在商用車的車身頂部或側(cè)面，呈中等尺寸圓盤狀。這些模塊通常非常復(fù)雜，每個模塊包含 32 到 128 個通道，
并以極高的速度移動。汽車中的激光雷達模塊通常采用光學(xué)飛行時間 (ToF) 架構(gòu)和基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的系統(tǒng)，讓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。如需進一步詳細(xì)了解架構(gòu)類型（包括基于 ADC 的系統(tǒng)），另請參閱飛行時間和激光雷達 應(yīng)用簡報。包含 ADC 的系統(tǒng)通常被稱為 3D 或 4D 設(shè)計，具體取決于能夠創(chuàng)建三維還是四維信息點云?？傊?，得益于這些特性，該技術(shù)有助于更好地實時了解車輛周圍的情況。
圖 1 機械掃描激光雷達模塊位于車身頂部中央位置的汽車工業(yè)激光雷達具有相同的技術(shù)基礎(chǔ)，但每個模塊的通道數(shù)通常較少，有時甚至只有一個通道。此外，許多工業(yè)激光雷達模塊采用 ToF 架構(gòu)并將 ADC 替換為時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (TDC)，從而減少和簡化數(shù)據(jù)點并降低設(shè)計功耗。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，同時也更容易集成到機器人設(shè)計中。一些工業(yè)模塊仍然使用基于 ADC 的架構(gòu)，但會減少通道數(shù)，這種設(shè)計能夠平衡前面提到的權(quán)衡因素。根據(jù)能夠創(chuàng)建二維點云還是只能進行一維距離測量，工業(yè)激光雷達系統(tǒng)通常分為 2D 或 1D 激光雷達類別。目前正在部署工業(yè)激光雷達的一些工業(yè)應(yīng)用包括交通監(jiān)控系統(tǒng)、港口和碼頭監(jiān)控、配送倉庫導(dǎo)航和監(jiān)控、自主移動機器人 (AMR)、自主工業(yè)車輛 (AGV)，甚至一些個人電子產(chǎn)品應(yīng)用（如智能手機和平板電腦）。
工業(yè)激光雷達對機器人有何好處？
現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了汽車和工業(yè)激光雷達單元的區(qū)別，接下來可以提出一個問題：為什么需要在 AMR 上使用激光雷達模塊？為什么攝像頭不能滿足需求？機器人的應(yīng)用場合越來越多，其獨立移動能力也越來越強。想象一下，一輛 AMR 送貨車正在街區(qū)的人行道上行駛。沿街都是房屋，每天都面臨很多挑戰(zhàn)，例如汽車、垃圾箱、行人、自行車、兒童玩具，等等。有許多外部因素都要求系統(tǒng)具備長期決策或即時反應(yīng)能力，處理不當(dāng)可能影響機器人完成任務(wù)的能力，而上述列舉的因素只是眾多外部因素中的一小部分。為了確保社區(qū)安全，AMR 必須檢測到這些障礙物，評估潛在影響，并在任何情況下實時做出相應(yīng)反應(yīng)，這一點很重要。使用激光雷達可以確保當(dāng)有球滾到人行道上而迅速阻斷機器人的行進路徑時，激光雷達具有必要的分辨率和時間響應(yīng)能力，能夠感知環(huán)境變化，并迅速做出反應(yīng)，以避免出現(xiàn)碰撞和損壞。
圖 2 機械掃描激光雷達模塊位于頂部的自主移動機器人
(AMR)攝像頭可以提供高分辨率圖像，但攝像頭的距離測量能力較差，而在決定機器人能否繼續(xù)前進或是否因存在障礙物而需要調(diào)整方向時，距離測量非常重要。
此外，機器人還需要能夠在所有光照條件（例如陰天或夜間）下工作。激光雷達不受光照條件的限制，也不需要外部照明，而這正是基于攝像頭的系統(tǒng)的主要限制因素。這種激光雷達功能使機器人在一天中的任何時間都能發(fā)揮出色的性能。
如何開始設(shè)計？
開發(fā)人員如何開始設(shè)計機器人？TI 致力于開發(fā)激光雷達系統(tǒng)接收器模擬前端設(shè)計中的關(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)計的理想選擇，并擁有可確保器件安全并增強其靈敏度性能的獨特特性。此器件允許在光電二極管和 TDC 之間實施單芯片設(shè)計，也可以將該設(shè)計與 TLV3801 等高速比較器配合使用以進一步縮短信號上升時間。
LMH34400 還包含一套集成元件，進而可減小寄生電容、減小整體尺寸并降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。例如，設(shè)計了一個 100mA 保護鉗位來保護放大器，幫助器件快速從過載輸入狀態(tài)中恢復(fù)。還記得球滾到機器人面前的情景嗎？此鉗位有助于確保系統(tǒng)能夠在突然檢測到近距離物體時從這種可能很劇烈的輸入尖峰中快速恢復(fù)，盡可能縮短停機時間。
LMH34400 還具有以下集成特性：
- 40kΩ 跨阻增益消除了對外部無源器件的需求，因此比分立式電阻器更容易實現(xiàn)穩(wěn)定
- 環(huán)境光消除 (ALC) 電路可以濾除通常會影響接收器動態(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。
圖 3 基于 TDC 的設(shè)計中采用雙通道多路復(fù)用配置的
LMH34400 和可選比較器結(jié)語
在汽車和工業(yè)車輛中，激光雷達都是實現(xiàn)移動自主性的重要一環(huán)。激光雷達為系統(tǒng)提供實時的物體檢測和防撞等關(guān)鍵功能，幫助確保周圍環(huán)境和車輛的安全。如需立即開始激光雷達設(shè)計，請查看 TI 集成式跨阻放大器或聯(lián)系您當(dāng)?shù)氐?TI 銷售代表以了解更多信息。
其他設(shè)計資源：
- 德州儀器 (TI)，飛行時間和激光雷達 - 光學(xué)前端設(shè)計
- 德州儀器 (TI)，在激光雷達和飛行時間 (ToF) 應(yīng)用中有效提升跨阻帶寬
- 德州儀器 (TI)，激光雷達脈沖飛行時間參考設(shè)計概述
- 德州儀器 (TI)，汽車激光雷達簡介
- 德州儀器 (TI)，應(yīng)用指南 - 工業(yè)移動機器人