[科普中国]-激光导航系统

产生背景

光学作为一门学科在两千多年前就被人们所研究，1665年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光分解成简单的组成部分，这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布——光谱。它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征，各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。1960年，西奥多·梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年产生了半导体激光器；1963年产生了可调谐染料激光器。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年发现以来，得到了迅速的发展和广泛应用，引起了科学技术的重大变化。同时激光的方向性也受到了军事学家的关注，并在21世纪的新生代武器——导弹上得到了广泛应用，从而产生了激光导航（制导）导弹。之后又出现了航天器激光制导、机器人激光导航系统和民用激光导航设施。

形式激光驾束制导，

激光半主动式自动导引，

激光主动式自动导引，

激光传输指令制导。

原理激光导航看似“高大上”，但其基本原理其实与激光测距相同，即机器通过测量激光从发出到接收的时间计算出自身距离前方障碍物的距离。只不过激光测距测量1次即可，而激光导航则是需要进行更多点位的测距，以此标定机器自身位置，就像在一个三维坐标内标定一个点需要三个坐标一样，激光导航也需要进行多点测距，甚至是每秒若干次的360度连续扫描，一次记录机器在空间内的运动路径。

激光驾束制导原理激光接收器置于被导航设备上，发射时激光器对着目标照射，发射后的该设备在激光波束内飞行。当其偏离激光波束轴线时，接收器敏感偏离的大小和方位并形成误差信号，按导引规律形成控制指令来修正该设备的飞行。光束编码是驾束制导的关键技术，激光驾束制导武器系统对被导航设备的控制的关键是要形成具有编码信息的激光驾束控制场。激光驾束的编码方案有多种，如数字编码、空间偏振编码、空间扫描以及调制 盘空间编码等，其中激光空间频率编码方式应用较广。该方式抗干扰性能好，解码方式简单，易实对光强分布均匀性要求不高，但对调制盘转速稳定性要求严格。

激光半主动式自动导引原理也称激光半主动寻的制导。激光半主动寻的制导是将攻击用弹头与指引目标用的“激光目标指示器”分开配置的。攻击时，先从地面或空中用激光目标指示器对准目标发射激光束，发射或投放的攻击性弹头前端的“寻的器”就会捕获由目标表面漫反射回来的激光，并控制和导引弹头对目标进行奔袭，直至击中目标并将目标炸掉。由于激光束的方向性极好而且发散角极小，因此，激光制导武器命中精度极高，可以说指哪儿打哪儿。如美国生产和装备的“宝石路”激光制导炸弹，其命中精度已达到1. 5米。

激光主动式自动导引原理是把激光照射器装在导引头上。这种激光制导的自动化程度高，但实际上还没有应用到反坦克导弹上。这种照射器可以将被导航设备的预设轨道在激光器内编码，有激光通过光的反射自主导航。该种方法抗干扰能力较强，并且制导精确，适合于在空中打击地面目标，如坦克等。

激光传输指令制导原理是用激光脉冲代替红外半自动指令制导中用来传输控制指令的导线。弹上接收机用激光接收器。激光脉冲经编码后发射出去，如采用哈明码(一种能自动纠错的码)对激光脉冲进行编码。激光波束方向性强、波束窄，故激光制导精度高，抗干扰能力强。适合进行信息信号的传输。1

激光导航的应用战争军事上（1）激光导航的基本原理是：用激光器发射激光束照射目标，装于弹体上的激光接收则接收照射的激光信号或目标反射的激光信号，算出弹体偏离照射或反射激光束的程度，不断调整飞行轨迹，使战斗部沿着照射或反射激光前进，最终命中目标。

（2）制导方式：半主动制导、主动制导、波束制导

（3）特点：

优点：命中精度高、捕获目标灵活、作战实效成本低、导引头成本低、抗干扰性能好、操作简单、可同时攻击多个来袭目标（即把激光信号经过编码以数个指示器分别控制数枚导弹，打击来袭目标）、结构简单、抗干扰性能好等

不足：受大气及战场影响较大，不能全天候工作等。

（4）飞机应用：激光导航系统包括至少能产生两道激光先束的装置，它产生的光束射向螺旋桨叶片背面的反射表面上，以便告诉驾驶员飞机在哪个方向上偏离了预期的航线。反射表面位于靠近单发动机飞机的螺旋桨叶片上端的背面，以便提供一个激光光束反射而造成的亮点的显示表面。激光光束把光射向飞机头部的左侧或右测的由于螺旋桨旋转形成的环形带上，这个产生的亮点，告诉驾驶员飞机的方向或偏右，驾驶员就应该操纵飞机朝着预期的航线飞行。2

桥区船舶导航上桥区激光船舶导航系统是一种引导船舶安全通行桥梁河段的辅助系统，它由桥区激光导航指引系统和桥区船舶位置判定系统两部分组成，其中桥区激光导航指引系统起着视觉航标的作用，为船舶指引航路；桥区船舶位置判定系统则是通过数学模型计算，为船舶展示实时动态信息。通过2种系统的整合，能够实现航路的直观显示，帮助船舶驾驶人员对错误航向作出合理修正，以实现精确导航，保障船舶安全通过大桥区域。

桥区激光导航系统设计

桥区激光导航指引系统由4道中等强度激光光束组成（如图1所示），左右桥墩分别安装一台激光发射装置（左岸为绿光，右岸发射红光），给驾驶员标示出桥墩准确位置；另两台激光发射器则安装在桥梁安全通行中心线附近（灯质为黄光），一台激光发射器向水面（如果桥梁净空高度较低，也可向上方发射）垂直发射一条激光，另一条激光以45°角向迎船向发射，为驾驶人员标出安全的航线。为避免光线过多产生干扰，本系统主要安装在下水航线一则。

根据船舶位置的不同，驾驶人员通过观察激光射线会出现以下3种情况：

1）桥梁安全通行中心线重合为一条直线，即表明船舶正沿着中心线驶过桥区河段，航向正确。

2）桥梁安全通行垂直射线在斜向射线的左侧时，表明船舶行驶靠左。

3）桥梁安全通行垂直射线在斜向射线的右侧时，表明船舶行驶靠右。3

机器人领域上在机器人领域，激光雷达传感器被用于帮助机器人完全自主地应对复杂、未知的环境，使机器人具备精细的环境感知能力。经过对不断的优化，激光雷达传感器目前已经基本实现了模块化、小型化，且由于其应用范围广并开始向更多的民用领域延伸，智能扫地机器人便是目前热门的应用领域。

原理：

利用激光的不发散性对机器人所处的位置精确定位来指导机器人行走。

激光头安装在机器人顶部，每隔数十毫秒旋转一周，发出经过调制的激光。收到经调制的反射板的反射光时，经过解调，就可以得到有效的信号。由激光头下部角度数据的编码器，计算机可以及时读入当时收到的反射信号时激光器的旋转速度。

在机器人的工作场所预先安置了具有一定间隔的反射板，其坐标预先输入了计算机。

激光导航性能单台基本价格

国内的30万-50万，国外技术，国内应用的，60万起步，国外进口的85万起步

基本配置

导航：激光导航仪（德国SICK） 控制：工控机，马达控制器（欧美进口），数据采集器 驱动总成：舵机（欧美进口）车体及移载方式：定制 安全传感器：270度区域激光的，一般采用德国SICK

采购成本：较高

地面施工：施工最小

适用环境：室内工况

系统柔性：最好

导航精度：+/-5mm

运行速度：85m/min

使用维护成本：最小

技术成熟：成熟

适用装载方式：叉车式，辊筒移载，牵引型

后期改造成本：小，不影响生产4

现状发展赛普拉斯推出首款可编程单芯片激光导航系统（显著简化了鼠标设计与制造流程）

赛普拉斯半导体宣布推出第二代激光导航产品系列，这是业界首款在单芯片上集成激光导航感应器与具有闪存的可编程微控制器产品。全新OvationONSTM Ⅱ激光导航片上系统集成了可编程CPU、USB接口及高度可配置的电源管理单元。采用赛普拉斯OptiCheck专利技术。OvationONSⅡ产品能与光学镜头方便地组装成双构件产品，其尺寸仅为8mm*8mm*4mm.甚至能完全放进AA电池接头里去，该产品不仅集成度高，而且还具有可编程性，从而显著简化客户的设计与制造流程。

OvationONSⅡ激光片上系统采用赛普拉斯0.13μm SONOS混合混合信号工艺技术。可确保低功耗与高性能。OvationONSⅡ系列产品的工作电压范围为0.8V ～5.5V。因此只需一节AA电池就能满足有线和无线连接应用需求。该系列产品高度灵活的架构采用赛普拉斯PSoC 混合信号阵列技术，有助于加快设计方案上市进程。并可通过赛普拉斯的PSoC Designer软件工具进行系统调试。PSoC Designer可提供预构建的拖放式用户模块，从而设计人员能够快速完成各种重要元素的设计工作。

OvationONSⅡ片上系统在封装中集成了垂直腔面发射激光器（VCSEL)。满足一级人眼安全需求。该产品毋需对VCSEL进行电源校准。也不用在客户厂房进行光学定位，从而显著简化了制造工艺并降低了组装成本。此外，该系列中的所有产品共享同一外引脚且具有机械兼容性，因此客户无需改变PCB布局或修改机械系统，能同时满足多种不同产品需求。5