激光雷达

激光雷达（Light Detection And Ranging）,缩写LiDAR，翻译一下叫——激光探测与测距。

激光雷达原理

激光雷达的原理也很简单，就像蝙蝠的定位方法一样，蝙蝠定位大家都知道吧，像下面这样子的回声定位。

普通的单线激光雷达一般有一个发射器，一个接收器，发射器发出激光射线到前方的目标上，物品会将激光反射回来，然后激光雷达的接受器可以检测到反射的激光。

通过计算发送和反馈之间的时间间隔，乘上激光的速度，就可以计算出激光飞行的距离，该计算方法成为TOF（飞行时间法Time of flight，也称时差法）。

除了TOF之外还有其他方法进行测距，比如三角法，这里就不拓展了放一篇文章，大家自行阅读。

激光三角测距原理详述

目前市面上的激光雷达，几乎都是采用三角测距，比如思岚的：

需要注意的是虽然只有一个发射器和一个接受器，激光雷达通过电机可以进行旋转，这样就可以达到对周围环境360度测距的目的。

Gazebo激光雷达插件

因为激光雷达是属于射线类传感器，该类传感在在Gazebo插件中都被封装成了一个动态库libgazebo_ros_ray_sensor.so。

接着我们来看看LiDAR的话题消息接口sensor_msgs/msg/LaserScan。

ros2 interface show  sensor_msgs/msg/LaserScan

header:

std_msgs/Header header：消息头，包含时间戳（stamp）和坐标系（frame_id）信息。时间戳表示此激光扫描数据的获取时间，坐标系表示数据相对于哪个参考系进行描述。

angle_min:

float32 angle_min：扫描开始的角度（弧度）。这是激光雷达扫描范围的最小角度。

angle_max:

float32 angle_max：扫描结束的角度（弧度）。这是激光雷达扫描范围的最大角度。

angle_increment:

float32 angle_increment：相邻激光束之间的角度增量（弧度）。这是激光雷达在扫描过程中，相邻两个测量点之间的角度差。

time_increment:

float32 time_increment：连续测量之间的时间增量（秒）。如果激光雷达在移动，这个值将用于插值 3D 点的位置。

scan_time:

float32 scan_time：完成一次完整扫描所需的时间（秒）。这有助于了解激光雷达的扫描频率。

range_min:

float32 range_min：激光雷达能够检测到的最小距离（米）。这是激光雷达能够可靠测量的最短距离。

range_max:

float32 range_max：激光雷达能够检测到的最大距离（米）。这是激光雷达能够可靠测量的最远距离。

ranges:

float32[] ranges：测量的距离数据数组（米）。数组中的每个元素表示对应角度的测量距离值。注意：小于 range_min 或大于 range_max 的值应被丢弃。

intensities:

float32[] intensities：测量的强度数据数组（设备特定单位）。如果设备不提供强度数据，请保持数组为空。

雷达的数据结构有些复杂，但通过注释和名字相信你可以看的七七八八，看不懂也没关系，一般情况下我们不会直接的对雷达的数据做操作。小鱼这里也就先skip。

为FishBot添加雷达插件

有了前面的经验，我们需要在URDF添加以下内容即可

  <gazebo reference="laser_link">
      <sensor name="laser_sensor" type="ray">
      <always_on>true</always_on>
      <visualize>true</visualize>
      <update_rate>5</update_rate>
      <pose>0 0 0.075 0 0 0</pose>
      <ray>
          <scan>
            <horizontal>
              <samples>360</samples>
              <resolution>1.000000</resolution>
              <min_angle>0.000000</min_angle>
              <max_angle>6.280000</max_angle>
            </horizontal>
          </scan>
          <range>
            <min>0.120000</min>
            <max>3.5</max>
            <resolution>0.015000</resolution>
          </range>
          <noise>
            <type>gaussian</type>
            <mean>0.0</mean>
            <stddev>0.01</stddev>
          </noise>
      </ray>

      <plugin name="laserscan" filename="libgazebo_ros_ray_sensor.so">
        <ros>
          <remapping>~/out:=scan</remapping>
        </ros>
        <output_type>sensor_msgs/LaserScan</output_type>
        <frame_name>laser_link</frame_name>
      </plugin>
      </sensor>
    </gazebo>

可以看到:

雷达也可以设置更新频率update_rate，这里设置为5
雷达可以设置分辨率，设置为1，采样数量360个，最终生成的点云数量就是360
雷达也有噪声，模型为gaussian
雷达有扫描范围range，这里配置成0.12-3.5，0.015分辨率
雷达的pose就是雷达的joint中位置的设置值

编译测试

编译

colcon build --packages-select fishbot_description
source install/setup.bash

运行

ros2 launch fishbot_description gazebo.launch.py

查看话题

ros2 topic list
ros2 topic info /scan

ros2 topic echo /scan

接着我们尝试使用rviz2进行可视化激光雷达数据

添加和修改RVIZ2的如下：（通过LaserScan插件可以看到激光数据）

相信你改完之后依然是看不到任何激光雷达的数据的，反看topic的echo出来的数据，不是0就是inf(无限大)，再看看gazebo你会发现，激光雷达并没有达到任何一个物体上。

所以我们可以手动的给激光雷达周围添加一下东西，点击Gazebo工具栏的正方体，圆球或者圆柱，随意放置几个到我们激光雷达的最大扫描半径内。

接着我们再看一下RVIZ2，这里小鱼把size改大了10倍0.01->0.1。

总结

到这里我们就把fishbot的各个传感器都仿真出来了，第九章的内容也暂且告一段落，迎接我们的是第十章，也就是fishbot的导航仿真，nav2了。

如果你想先本教程一步学习Nav2，可以到nav2中文网哦～