描述

介紹

與上一個項目類似，我們將連接一個可以測量距離的傳感器，但我們不使用超聲波，而是使用波長為 905 nm 的脈沖激光形式的光。與超聲波傳感器相比，LiDAR-Lite 模塊每秒可提供更好的準確度、精度、范圍和更多數據樣本。LiDAR 系統通常用于自動駕駛汽車、無人機和衛星以繪制地形圖。

16x2 字符 LCD

有關如何以 4 位模式連接 16×2 LCD 的更多詳細信息，請參見項目 9 。您應該將 LCD 的引腳 4、6 和 11-14 分別連接到 Uno 引腳 2、3 和 4-7。LCD 通過焊接到 1 對 1 鏈路的 16 針直角母頭安裝到 Modulus Canister，如下圖所示。您也可以使用無焊面包板來安裝 LCD。

我們正在將 LiDAR 安裝到 Adapticon Canister。如果您也這樣做，則必須移除 Modulus 上的 F/M 跳線，并將 30 AWG 線繞到公頭針上。這樣我們就可以將 Modulus 和 Adapticon 堆疊在一起。

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安裝到模數的 16x2 字符 LCD

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Garmin LiDAR-Lite

LiDAR 代表“光檢測和測距”，并通過激光測量距離。激光是一種脈沖光源，其波長范圍從紫外線到可見光再到紅外線。它們的功率也各不相同——一些是 mW 激光器（指針），而另一些則可能超過 500W（用于切割）。這個特殊的模塊有一個工作在 905nm 波長和 1.3 瓦功率的激光器。LiDAR-Lite 發射激光信號并測量激光從目標反射回來后返回所需的時間。一旦獲得時間，就可以計算距離，因為我們知道時間和光速。模塊進行此計算并通過 I2C 返回到主機的距離。

如果您在 PWM 模式下使用模塊，它會返回一個與測量距離成正比的高脈沖寬度。

注意：此模塊發射激光輻射，被指定為 1類激光。對于 1 類激光，應采取所有預防措施。

LiDAR-Lite 模塊由 6 個引腳組成：+5V、電源 EN、模式控制、I2C SCL、I2C SDA 和 GND。該模塊可以在兩種模式下運行：I2C（內部集成電路）和 PWM（脈寬調制）。我們將在 I2C 模式下操作模塊。Garmin 提供兩種型號：LiDAR-Lite v3 和 LiDAR-Lite v3HP。我們使用的是 LiDAR-Lite v3，因為它更便宜。規格表如下所示，Garmin 的完整數據表可在此處找到。

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LiDAR-Lite 規格

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內部集成電路 (I2C)

我們將在 I2C 模式下使用該模塊。由于我們只使用一個模塊，我們不必更改其默認的 7 位從地址，即 0x62。即使我們只有一個從設備，主設備 (Uno) 仍必須將地址發送給它想要與之通信的從設備。除了地址之外，還有一個讀/寫位告訴從機主機是否要讀取或寫入它。

從 LiDAR-Lite 獲取距離測量值的最簡單方法是：

• 主機寫入 0x62 來尋址從機并等待從機的確認 (ACK) 位。

• 主機將 0x04 寫入從機寄存器 0x??00。LiDAR-Lite 的寄存器 0x??00 是Receiver Bias Correction 。將 0x04 寫入此寄存器會告訴設備您要使用接收器偏差校正進行距離測量。

• 主機讀取 0x01 寄存器，指示 LiDAR-Lite 的系統狀態。如果位 0 (LSB) 為 1，則設備忙。如果它是零，那么我們可以繼續獲得距離測量值。

• 通過將地址字節的 MSB 設置為 1，我們可以通過連續讀取或寫入觸發寄存器地址的自動遞增。我們要讀取寄存器 0x??0F 中的距離測量的高字節，因此通過將 MSB 設置為 1，該地址變為 0x8F。通過發送 0x8F，主機接收到高字節距離測量和低字節距離測量。

上述步驟的時序圖如下所示。

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寫操作的 I2C 時序圖

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讀取狀態寄存器的時序圖

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讀取距離的時序圖

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適配圖標

我們正在使用 Adapticon 安裝 LiDAR-Lite。Adapticon 有安裝 Raspberry Pi 3 Model B/B+、Raspberry Pi 4、Raspberry Pi Zero 和 Arduino Uno Rev3 的腳印，因此我們創建了一個適配器板（由 1/8 英寸丙烯酸制成），可安裝到 RPi3足跡，以便能夠安裝 LiDAR-Lite。在將板安裝到 Adapticon 之前，我們必須使用四個 #4-40 x 3/8" 內六角螺釘和四個 #4 六角螺母將 LiDAR-Lite 安裝到板上。下圖顯示了 LiDAR-Lite 安裝在板上的圖像。

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安裝在轉接板上的 LiDAR-Lite

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將 LiDAR-Lite 安裝到板上后，我們可以使用提供的六角支架和 #4-40 x 1/4" 內六角螺釘將其固定到 Adapticon。最終組裝如下所示。

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安裝到 Adapticon 的 LiDAR-Lite 總裝

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罐堆棧

接下來，我們需要將 Modulus 和 Adapticon 連接在一起。建議您先將 Modulus 連接到 Adapticon（如下圖所示），而不是將 Modulus 插入 FuelCan 的 4×26 針連接器，然后再插入 Adapticon。

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Modulus（底部）和 Adapticon（頂部）結合在一起

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將兩個罐子配對后，小心地將電池組插入 FuelCan 的 4×26 針連接器，然后插入 LiDAR-Lite 的線束，如下圖所示。

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與 FuelCan 配對的罐組

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LiDAR-Lite 接線

線束一側有一個 JST 母接頭，另一側有剝線端。您可能需要在電線的末端鍍錫，這樣當您將末端插入面包板時它不會彎曲。將無焊面包板放入底部儲物箱中，并將每個剝離端插入面包板上的相鄰節點。在模塊的引腳 1 和 6（分別為 5Vdc 和 GND）之間放置一個極化的 680uF 電解電容器。確保電容器的方向正確，否則在給設備加電時可能會損壞或爆炸。

使用 8 英寸 M/M 跳線將 LiDAR-Lite 引腳 4 (I2C SCL) 和 5 (I2C SDA) 分別連接到引腳 A5 和 A4 中的 Uno 模擬。LiDAR-Lite 引腳 2 和 3 連接到面包板，但它們沒有連接到任何東西——引腳 2 有一個內部上拉電阻以始終啟用設備，而引腳 3 未連接，因為我們使用的是 I2C 模式。電路原理圖如下所示。

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LiDAR-Lite 的電路原理圖

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燃料罐接線

如果您還沒有將 Uno 安裝到 FuelCan 的原型制作區域，請繼續執行此操作。如果您使用的是面包板而不是 Modulus，請將面包板放在底部的儲物箱中以限制跳線的長度。您需要使用提供的香蕉插孔來測試引線夾電纜，為面包板上的電源和接地軌提供 +5V 和 GND。您將需要兩個公頭針將測試引線夾安裝在面包板一側。將 USB 電纜的 A 型端插入 USB1 插座，將 B 型端插入 Uno 的插座。使用 AC-DC 電源適配器為 FuelCan 供電。

軟件

一旦接線完成并且 FuelCan 通電，我們現在可以將草圖加載到 Uno 上。您將需要 Garmin 的 LiDAR-Lite 庫，該庫可在此處獲得。它會將您定向到他們的 GitHub 存儲庫。

下載庫后，通過導航到Sketch -> Include Library -> Add.ZIP Library...將其添加到您的 Arduino IDE 。您還可以通過轉到Sketch -> Library Manager并搜索“LIDAR”來安裝該庫。當搜索結果彈出時，安裝 Garmin 庫的 LIDAR-Lite。

下面的第一個草圖在沒有接收器偏差校正的情況下獲取距離測量值，其中不考慮目標距離、設備溫度或光學噪聲。不使用接收器偏差校正的一個優點是您可以更快地獲取距離測量值。但是，準確性和靈敏度會受到影響。

下一個草圖（下圖）定期執行接收器偏差校正。建議每 100 個連續測量命令執行一次。通過使用接收器偏差校正，提高了準確性和靈敏度。但是，獲取距離測量值較慢。

數字波形

數字波形是在 SCL 和 SDA 線上采集的。第一個波形（下圖）顯示主機與從機通信，它希望將 0x03（無接收器偏置校正）寫入從機寄存器 0x??00。

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將 0x04 寫入從寄存器 0x??00

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第二個波形（下圖）顯示主機輪詢從機狀態寄存器 0x??01，直到位 0 為零。您可以看到狀態寄存器被讀取了兩次，因為位 0 為 1。

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輪詢狀態寄存器標志

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第三個波形（下圖）顯示主機輪詢從機狀態寄存器 0x??01，直到位 0 為零。第二次輪詢從屬寄存器時，位 0 為零，因此主機能夠繼續從從屬設備檢索距離測量值。主機發送 0x8F 用于連續讀取從機寄存器 0x??0F 和 0x10。在最后一幀中，從機分別從寄存器 0x??0F 和 0x10 發送兩個字節的數據，0x01 和 0x05。

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檢索兩個字節的數據以進行距離測量

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