ZHCAEB6 August 2024 LMH34400
光探測和測距（LiDAR，激光雷達）是一種新興技術，旨在幫助推動整個行業朝著自主和安全方向發展。要獲取有關這些技術架構的專業知識并詳細了解推薦的器件（例如專門設計的新款 LMH34400 跨阻放大器），請參閱飛行時間和激光雷達 - 光學前端設計 應用簡報。
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來導航，那會怎樣？用作眼睛的攝像頭是否足以在我們日常生活中應對所有不可預知的障礙？
在當今的汽車中，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，可以讓激光雷達、雷達和攝像頭等導航方法并行工作，從而實現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計？為了回答這些問題，本應用簡報提供了一些背景信息，說明汽車激光雷達和工業激光雷達之間的差異，以及在機器人設計中采用激光雷達的好處。
汽車激光雷達與工業激光雷達
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面，呈中等尺寸圓盤狀。這些模塊通常非常復雜，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飛行時間 (ToF) 架構和基于模數轉換器 (ADC) 的系統，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。如需進一步詳細了解架構類型（包括基于 ADC 的系統），另請參閱飛行時間和激光雷達 應用簡報。包含 ADC 的系統通常被稱為 3D 或 4D 設計，具體取決于能夠創建三維還是四維信息點云。總之，得益于這些特性，該技術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激光雷達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。此外，許多工業激光雷達模塊采用 ToF 架構并將 ADC 替換為時間數字轉換器 (TDC)，從而減少和簡化數據點并降低設計功耗。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，同時也更容易集成到機器人設計中。一些工業模塊仍然使用基于 ADC 的架構，但會減少通道數，這種設計能夠平衡前面提到的權衡因素。根據能夠創建二維點云還是只能進行一維距離測量，工業激光雷達系統通常分為 2D 或 1D 激光雷達類別。目前正在部署工業激光雷達的一些工業應用包括交通監控系統、港口和碼頭監控、配送倉庫導航和監控、自主移動機器人 (AMR)、自主工業車輛 (AGV)，甚至一些個人電子產品應用（如智能手機和平板電腦）。
工業激光雷達對機器人有何好處？
現在我們已經了解了汽車和工業激光雷達單元的區別，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 送貨車正在街區的人行道上行駛。沿街都是房屋，每天都面臨很多挑戰，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具備長期決策或即時反應能力，處理不當可能影響機器人完成任務的能力，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反應，這一點很重要。使用激光雷達可以確保當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能力，能夠感知環境變化，并迅速做出反應，以避免出現碰撞和損壞。
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前進或是否因存在障礙物而需要調整方向時，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揮出色的性能。
如何開始設計？
開發人員如何開始設計機器人？TI 致力于開發激光雷達系統接收器模擬前端設計中的關鍵構建塊：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 之間實施單芯片設計，也可以將該設計與 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的復雜性。例如，設計了一個 100mA 保護鉗位來保護放大器，幫助器件快速從過載輸入狀態中恢復。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，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穩定
- 環境光消除 (ALC) 電路可以濾除通常會影響接收器動態范圍的殘余背景光
- 斷電模式支持該器件用于多通道系統中，無需額外的分立式多路復用器（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 的設計中采用雙通道多路復用配置的
LMH34400 和可選比較器結語
在汽車和工業車輛中，激光雷達都是實現移動自主性的重要一環。激光雷達為系統提供實時的物體檢測和防撞等關鍵功能，幫助確保周圍環境和車輛的安全。如需立即開始激光雷達設計，請查看 TI 集成式跨阻放大器或聯系您當地的 TI 銷售代表以了解更多信息。
其他設計資源：
- 德州儀器 (TI)，飛行時間和激光雷達 - 光學前端設計
- 德州儀器 (TI)，在激光雷達和飛行時間 (ToF) 應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計概述
- 德州儀器 (TI)，汽車激光雷達簡介
- 德州儀器 (TI)，應用指南 - 工業移動機器人