【Arduino】168种传感器系列实验（221）---360°激光雷达模块

驱动安装
在 windows 下对 X4 进行评估和开发时，需要安装 USB 转接板的串口驱动。套件的 USB转接板采用 CP2102 芯片实现串口(UART)至 USB 信号的转换。其驱动程序可以在官网下载，或者从 Silicon Labs 的官方网站中下载。
https://ydlidar.cn/dowfile.html?id=88
https://cn.silabs.com/developers ... ivers?tab=downloads

相关参考资料
CP2102N USBXpress 桥迷你板
CP2102N 设备在小至 3 mm x 3 mm 的封装中高度集成了 USB 至 UART 桥接控制器。这些设备包含一个集成了 USB 收发器和时钟、电压调节器和通用异步收发器（UART）的 USB2.0 全速控制器，降低了物料清单（BOM）成本并简化了设计工作。

https://cn.silabs.com/developmen ... nt-kit?tab=overview
https://www.silabs.com/documents ... -cp2102n-miniek.pdf
https://www.silabs.com/documents ... ion-notes/an197.pdf

安装前注意，先不要把设备连接电脑，在驱动安装成功之后，再将设备连接电脑。

安装过程：
（1）解压后，64位系统，选择CP210xVCPInstaller_x64.exe进行安装，32位系统则选择CP210xVCPInstaller_x86.exe进行安装。
（2）执行 CP2102 的 Windows 驱动程序安装文（CP210x_VCP_Windows 下的 exe 文件）。
（3）双击对应的安装程序，按照提示安装。

备注:（1）本驱动只针对本激光雷达使用
        （2）当使用USB转接板时，需安装此驱动
        （3）本驱动程序兼容Win7、Win8、Win10

双击 exe 文件，按照提示进行安装。

安装完成后，可以右键点击【我的电脑】，选择【属性】，在打开的【系统】界面下，选择左边菜单中的【设备管理器】进入到设备管理器，展开【端口】，可看到识别到的 USB 适配器所对应的串口名，即驱动程序安装成功，下图为 COM18。（注意要在 X4 和 PC 互连的情况下检查端口）。

激光测距原理与方法
激光，英文名称为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（简称LASER），意思为原子受激辐射的光，故称激光，激光的产生原理，是原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出，被引诱（激发）出来的光子束（激光）。激光与普通光源相比，具有单色性、高亮度、方向性等优势，被广泛应用于工业生产和科研实验等各个领域，激光测距便是其中应用较为广泛的一项技术。

激光测距技术是一项非接触式的工业测量技术，与传统的接触式测距技术相比，具有以下的特点：
（1）激光测距时，无需与测量表面进行接触，物体的表面不会产生形变。
（2）激光测距时被测物体表面不会发生磨损，降低了额外的损失。
（3）在很多特殊的环境下，没有条件用常规测量工具接触测量，只能使用激光测距技术。

激光测距原理
激光测距粗划分为两种，第一种原理大致是光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离，以激光测距仪为例；第二种是以激光位移传感器原理为原理的方法的。

第一类测距
如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用下列表示。
　　D=ct/2                                                          式1.1
　　式中：
　　D——测站点A、B两点间距离；
　　c——光在大气中传播的速度；
　　t——光往返A、B一次所需的时间。
由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法的不同，激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。

第二类测距
激光位移传感器能够利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光位移传感器（磁致伸缩位移传感器）就是利用激光的这些优点制成的新型测量仪表，它的出现，使位移测量的精度、可靠性得到极大的提高，也为非接触位移测量提供了有效的测量方法。按照测量原理，激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法，激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量。

测量方法一：相位式激光测距
相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。若调制光角频率为ω，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为φ，则对应时间t 可表示为：
　　t=φ/ω                                            式3.1
　　将此关系代入（1.1）式距离D可表示为
　　D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω=c/(4πf) (Nπ+Δφ) = c/4f (N+ ΔN )=U(N+)   式3.2
　　式中：
　　φ——信号往返测线一次产生的总的相位延迟。
　　ω——调制信号的角频率，ω=2πf。
　　U——单位长度，数值等于1/4调制波长
　　N——测线所包含调制半波长个数。
　　Δφ——信号往返测线一次产生相位延迟不足π部分。
　　ΔN——测线所包含调制波不足半波长的小数部分。
　　ΔN=φ/ω

在给定调制和标准大气条件下，频率c/(4πf)是一个常数，此时距离的测量变成了测线所包含半波长个数的测量和不足半波长的小数部分的测量即测N或φ，由于近代精密机械加工技术和无线电测相技术的发展，已使φ的测量达到很高的精度。为了测得不足π的相角φ，可以通过不同的方法来进行测量，通常应用最多的是延迟测相和数字测相，目前短程激光测距仪均采用数字测相原理来求得φ。

由上所述一般情况下相位式激光测距仪使用连续发射带调制信号的激光束，为了获得测距高精度还需配置合作目标，而目前推出的手持式激光测距仪是脉冲式激光测距仪中又一新型测距仪，它不仅体积小、重量轻，还采用数字测相脉冲展宽细分技术，无需合作目标即可达到毫米级精度，测程已经超过100m，且能快速准确地直接显示距离。是短程精度精密工程测量、房屋建筑面积测量中最新型的长度计量标准器具。现应用最多的是leica公司生产的DISTO系列手持式激光测距仪。

测量方法二：脉冲式激光测距
脉冲激光测距简单来说就是针对激光的飞行时间差进行测距，它是利用激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中，瞬时功率很大的特点进行测距。在有合作目标时，可以达到很远的测程；在近距离测量（几千米内）即使没有合作目标，在精度要求不高的情况下也可以进行测距。该方法主要用于地形测量，战术前沿测距，导弹运行轨道跟踪，激光雷达测距，以及人造卫星、地月距离测量等。

脉冲式激光测距原理如图所示。由激光发射系统发出一个持续时间极短的脉冲激光，经过待测距离L之后，被目标物体反射，发射脉冲激光信号被激光接收系统中的光电探测器接收，时间间隔电路通过计算激光发射和回波信号到达之间的时间t，得出目标物体与发射出的距离L。其精度取决于：激光脉冲的上升沿、接收通道带宽、探测器信噪比和时间间隔精确度。

测量方法三：三角法激光测距
激光位移传感器的测量方法称为激光三角反射法，激光测距仪的精度是一定的，同样的测距仪测10米与100米的精度是一样的。而激光三角反射法测量精度是跟量程相关的，量程越大，精度越低。激光测距的另一种原理是激光三角反射法原理：半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。

激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度即知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可设置独立检测窗口。常用在铁轨、产品厚度、平整度、尺寸等方面。

测量方法四：激光回波法
激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离可以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接受器等部分组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个脉冲到检测物并返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回接收器所需时间，以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。其原理与脉冲式激光测距类似，又称脉冲回波法，用于激光位移传感器。

激光雷达的“安全”和“不安全”
目前，市场上的手持式激光测距仪的工作物质主要有以下几种：工作波长为905纳米和1540纳米的半导体激光，工作波长为1064纳米的YAG激光。1064纳米的波长对人体皮肤和眼睛是害的，特别是如果眼睛不小心接触到了1064纳米波长的激光，对眼睛的伤害可能将是永久性的。所以，在国外，手持激光测距仪中，完全取缔了1064纳米的激光。在国内，某些厂家还有生产1064纳米的激光测距仪。对于905纳米和1540纳米的激光测距仪，我们就称之为“安全”的。对于1064纳米的激光测距仪，由于它对人体具有潜在的危害性，所以我们就称之为“不安全”的。

安全须知：
激光对眼睛的危害与防护——激光对眼睛的危害与防护眼睛是人体器官中最容易受到激光伤害的部位。而且激光的生物效应可积累作用，即使单次照射未引起损伤，但多次照射可能会引起损伤，眼部反复受到激光照射的受害者常常没有明显的主诉，只感到视力逐渐下降。

刚查到，YDLIDAR X4 激光雷达的激光功率为3毫瓦，在激光器安全级别中为Class3R级，激光功率1mW~5mW。

激光雷达实验的特别安全注意事项：
1、可能对人眼的伤害——严重暴露在激光下可能会造成对角膜和视网膜的伤害，伤害的位置和范围取决于激光的波长和级别。长期接触可能造成白内障或者视网膜损伤，严重暴露在高级别激光下也会造成同样的结果。佩带合适的激光防护眼镜或者其他工程防护手段可以很容易的预防激光对眼睛的伤害。
2、眼睛的基本结构组成如图。光线经过视网膜，瞳孔聚焦到视网膜上成像。激光对眼睛视觉的伤害是激光产品最大的潜在危险。不同波长的激光会损害眼睛的不同结构，其对眼睛的损害程度也不仅相同。可见光以及近红外（400nm-1400nm）的激光损伤视网膜。因为激光经角膜，水晶体等屈光介质的汇聚作用，会使到达视网膜的激光辐射量（火辐照度）比角膜处高出约10万倍。例如有1mW/cm2能量的光进入眼睛，经过眼睛聚焦后到达视网膜上的辐射能量将达到100W/cm2。
3、视网膜的损伤，可见和红外光谱范围400nm-1400nm，可见和红外波段穿透角膜在视网膜的很小区域内（黄斑处）聚焦。这一过程极大的增强了光能量密度，增加了伤害的可能性。视网膜上局域化的加热并伴随对光的吸收将会导致视网膜上的损伤。
4、晶状体的损伤，紫外光谱范围315-400nm，波长在这一波段的光主要被晶状体所吸收，对晶状体造成损伤，不管使光化学损伤，还是热损伤，都会破坏晶状体各组织层之间的精确关系。这将导致散射区域的增加—造成白内障。在通常情况下，晶状体将随着年龄而老化。暴露于紫外波段将加速这种老化并可能导致老花眼（晶状体失去调节或者聚焦共嫩功能）。红外光谱范围1.4um-100um，眼睛的角膜对红外辐射是不透明的，光速能量被眼睛表面吸收并对角膜有热损伤。过渡暴露在红外光下会导致眼睛模糊或者造成角膜表面的不规则。紫外 100-315nm，眼睛的角膜对紫外辐射也是不透明的，当有红外辐射时，光速的能量被眼睛表面吸收并对角膜有损伤。过渡的紫外暴露会导致光角膜炎（像电焊弧造成的），昼盲，红眼，流泪等。在光化学损伤的症状出现之间，会有6-12小时的潜伏期。
5、3A级激光器产生可见或不可见激光，通常用肉眼短时间观察不会产生危害。对发射波长为400-700nm的激光，由包括眨眼反射在内的回避反应提供保护。对于其他波长对裸眼的危害不大于1类激光器。用光学装置，如望远镜，显微镜等直接进行3A类的光束内观测时危险的。若只是短时间看到，人眼会对光的保护反射会起到一定的保护作用，但是如果光斑聚焦时进入人眼，则会对人眼造成伤害。

激光雷达查看器



LiDAR Viewer 是一款用于可视化和测量 3D 点云数据的应用程序，例如通过地面或机载 LiDAR 测量收集的数据。开发该软件是为了能够分析数十亿点激光雷达数据集，而无需合并、子采样、抽取或数字表面建模。LiDARViewer 通过使用分层数据结构和视图相关、多分辨率、核外渲染来优化数据处理，从而能够对任意大于计算机主内存的数据集进行实时交互式可视化和分析。

点云通过强度着色、用户定义的 RGB 着色进行可视化，或者，为了增强特征识别，动态山体阴影效果可实时调整太阳方位角和仰角。点云始终在 3D 中保持完全可操作性，因此可以从多个角度评估解释和测量。除了交互式导航，LidarViewer 还支持实时点选择和提取、几何基元（直线、平面、球体、圆柱体）与选定点的拟合、点位置和距离的测量、点与用户定义平面距离的可视化通过平面垂直可调颜色渐变和轮廓曲线提取。

LidarViewer 与专有数据管理程序通信，因此可以轻松导出、管理定量测量并将其集成到数据分析工作流程中。

激光雷达的实时可视化软件LidarViewer
YDLIDAR 提供了 X4 实时扫描的点云数据可视化软件 LidarViewer，用户使用该软件，可以直观的观察到 X4 的扫描效果图。YDLIDAR 上提供了 X4 实时点云数据和实时扫描频率，同时可以读取到 X4 的版本信息，并且可以离线保存扫描数据至外部文件供进一步分析。LidarViewer是一个EAI雷达在PC上的可视化工具，支持EAI现有所有标品激光雷达模块。

可视化软件下载链接：https://www.ydlidar.cn/Public/upload/download/TOOL.zip
                                  https://github.com/KeckCAVES/LidarViewer（参考）

使用 YDLIDAR 前，请确保 X4 的 USB 转接板串口驱动已安装成功，并将 X4 与 PC 的 USB 口互连。运行评估软件：LidarViewer.exe，选择对应的串口号和型号。同时，用户也可以根据个人情况，选择语言（右上角）。

开始扫描
在停止状态下点击“启动/停止”。 按钮雷达会自动开始扫描，并显示环境点云，左上角显示红线位置的角度&距离信息（单位：mm），再点击一下“启动/停止”, 雷达会停止扫描。

实验场景图

把YDLIDAR X4雷达放在纸盒里面

Lidar Viewer客户端软件界面的显示