激光雷達(dá)（LiDAR）是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，目前廣泛應(yīng)用在無(wú)人駕駛和掃地機(jī)器人等領(lǐng)域。這種廣泛的應(yīng)用一方面得益于激光雷達(dá)的性能提升，一方面也得益于其成本的下降。 根據(jù)掃描方式，激光雷達(dá)可分為 MEMS 型、Flash 型、相控陣型、機(jī)械旋轉(zhuǎn)型；根據(jù)線數(shù)，可分為單線型和多線型： ? 話說(shuō)回來(lái)，有沒(méi)有可能自制一個(gè)激光雷達(dá)？B 站的一位硬核 UP 主「不想宅的技術(shù)宅」還真就把這個(gè)小目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了。

UP 主用了大半年的業(yè)余時(shí)間，用一個(gè)激光測(cè)距傳感器整出了一個(gè)單線機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)，總共包括硬件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、FPGA 開(kāi)發(fā)和 3D 打印幾個(gè)步驟。對(duì)于 UP 主來(lái)說(shuō)，這不算是新的挑戰(zhàn)，只能算是「把以前學(xué)過(guò)的東西復(fù)習(xí)了一遍」： ? 雖然 UP 主很謙虛，但很多人播放完視頻之后，只能表示「不懂，但受到震撼」： ? ? 做一個(gè)激光雷達(dá)，需要哪些基本部件？ UP 主選用了一款 FPGA 開(kāi)發(fā)板，主芯片為 Xilinx ZYNQ7000，板上搭載了一個(gè)最高可輸出 1080p60 幀視頻的 HDMI 接口、32 個(gè) GPIO（通用輸入輸出接口）等其他外設(shè)。在這塊開(kāi)發(fā)板上，將要完成雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算和顯示。

此外還有一個(gè)直流減速機(jī)，額定電壓為 12V，減速比為 1:30，最大輸出轉(zhuǎn)速為 300 轉(zhuǎn)每分鐘，電機(jī)尾部安裝了 500 線的光電編碼器，通過(guò)光電編碼器可以獲知輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

最后，還有一個(gè)激光測(cè)距傳感器，測(cè)距精度為 1cm，量程為 12m，每秒鐘可以測(cè)量 1000 次，輸出接口為串口。 ? 這些就是自制激光雷達(dá)所需要的基本部件，然后就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題了。 ? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) UP 主表示，激光雷達(dá)在工作時(shí)，探頭需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)，因此探頭和底座的信號(hào)傳輸無(wú)法用導(dǎo)線連接，否則會(huì)引發(fā)纏繞問(wèn)題，他通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)解決了這個(gè)問(wèn)題。導(dǎo)電滑環(huán)內(nèi)部是一組電刷，可以解決信號(hào)線在旋轉(zhuǎn)情況下的纏繞問(wèn)題： ? 如此，激光雷達(dá)就設(shè)計(jì)好了： ?

整個(gè)激光雷達(dá)分為底座和探頭，探頭和底座通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行連接，激光測(cè)距傳感器通過(guò)螺絲固定在探頭基座上。

探頭基座內(nèi)部還固定有轉(zhuǎn)子 PCB，底座部分固定有導(dǎo)電滑環(huán)、電機(jī)和定子 PCB。

在實(shí)際裝配時(shí)，電機(jī)輸出軸和導(dǎo)電滑環(huán)和旋轉(zhuǎn)中心因?yàn)檎`差關(guān)系大概率不會(huì)處于同一軸心上，這里使用了一個(gè)彈性連軸器來(lái)補(bǔ)償軸向偏差： ? 探頭和底座之間設(shè)計(jì)了一對(duì)紅外對(duì)管，用來(lái)確定探頭轉(zhuǎn)動(dòng)的初始位置： ?

至此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就完成了。隨后將設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)件在 3D 打印軟件中添加支撐，然后切片，最后通過(guò) 3D 打印機(jī)打印出來(lái)。打印好的探頭基座、探頭蓋和底座就是這樣： ? 硬件電路設(shè)計(jì) 整體框架如圖所示，包含定子 PCB 和轉(zhuǎn)子 PCB： ? 下圖是整個(gè)電源以及隔離設(shè)計(jì)的框圖，整個(gè)電機(jī)控制部分和其他電路沒(méi)有實(shí)際的連接，電機(jī)在工作時(shí)不會(huì)干擾其他電路： ? ? 再之后是 PCB 設(shè)計(jì)： ? ? ? 一番裝配之后（此處省略一萬(wàn)個(gè)步驟），激光雷達(dá)就做好了： ?

激光雷達(dá)和 FGPA 之間通過(guò)排線進(jìn)行通信。在軟件設(shè)計(jì)上，分為兩部分：PS 側(cè)的嵌入式開(kāi)發(fā)，以及 PL 側(cè)的 FPGA 開(kāi)發(fā)，相比之下，PL 側(cè)的開(kāi)發(fā)顯得比較復(fù)雜。整體框圖如下： ? 而主要的難度恰恰在于 FPGA 部分。UP 主表示：「要把雷達(dá)數(shù)據(jù)疊加在視頻數(shù)據(jù)流上，費(fèi)了我不少腦細(xì)胞。」 ? 最后，看下實(shí)際運(yùn)行效果 受限于激光測(cè)距傳感器測(cè)量頻率，探頭轉(zhuǎn)動(dòng)一圈采集 500 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，所以激光雷達(dá)的掃描頻率只能做到 2Hz 每秒。 為了視覺(jué)效果，UP 主加上了雷達(dá)掃描線，最終實(shí)現(xiàn)的效果還是不錯(cuò)的：

目前，UP 主已經(jīng)把視頻中激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)和 pcb 設(shè)計(jì)文件上傳到 Github 平臺(tái)，想要做一個(gè)玩玩的小伙伴可以去下載。 項(xiàng)目傳送門(mén)：https://github.com/Messi-xiong/LiDAR.git

審核編輯 黃宇