【摘 要】为满足移动机器人对中远距离环境感知的高精度、低成本需求，研究设计了一种基于单光子激光测距法的激光传感器模组。该模组融合单光子激光测距技术与飞行时间法，采用创新的旋转扫描与上下分体式结构，搭配无线供电和光通信技术，实现360度全范围环境探测与高效能源管理。在硬件层面，重点优化单光子探测器（SinglePhoton Avalanche Diode，SPAD）、时间数字转换器（TimetoDigital Converter，TDC）等核心部件的电路设计；在算法层面，通过光斑定位算法与自动化标定算法提升测量精度。

【关键词】单光子激光测距法；移动机器人；激光传感器模组

引言

在移动机器人技术快速发展的背景下，环境感知能力成为决定其作业效率与安全性能的核心要素。单光子激光测距技术利用SPAD的高灵敏度特性，可探测单个光子信号，结合TDC的高精度计时能力，能在降低激光发射功率的同时，实现高精度中远距离测量。基于此，文章分析了一款适配移动机器人的单光子激光测距传感器模组，通过结构创新、硬件优化与算法改进，平衡精度、成本与环境适应性，为移动机器人中远距离感知提供可靠解决方案。

一、单光子激光测距法的移动机器人激光传感器模组结构构成

（一）模组整体结构设计

为适配移动机器人的紧凑安装空间与灵活探测需求，模组采用上下分体式结构，分为转动部件与底座两部分，整体尺寸经3D建模优化，确保轻量化与小型化。转动部件作为核心探测单元，集成光机模组、信号处理板（U板）与无线供电接收模块。底座作为支撑与驱动单元，包含无刷电机模块、调速控制板（D板）与无线供电发射模块。无刷电机模块通过磁环与励磁绕组的配合，驱动转动部件以稳定转速旋转，满足移动机器人对环境的快速扫描需求；调速控制板（D板）采用专用电机驱动芯片，通过相关信号调节转速，适配不同作业场景下的探测效率需求；无线供电发射模块基于LC自激振荡原理，产生交变磁场为转动部件供电，确保模组持续工作时的能源稳定。

（二）核心功能模块协同机制

模组各功能模块通过硬件接口与软件协议紧密协同，形成完整的测距流程。当模组启动后，底座的无刷电机模块在D板控制下带动转动部件旋转，同时无线供电模块开始工作，为转动部件提供稳定电能；光机模组的激光器在U板控制下发射高频窄线宽脉冲激光，激光经目标物体漫反射后，由SPAD探测器接收并转换为电信号；跨阻放大器将微弱电信号放大后，传输至高速比较器整形为数字信号，触发TDC开始计时与停止计时；U板通过TDC获取激光飞行时间，结合相关原理计算目标距离，并通过码盘电路获取当前扫描角度，形成“距离－角度”的点云数据；最后，点云数据经光通信模块传输至底座D板，再由D板通过相关接口输出至移动机器人的主控系统，完成一次测距周期[1]。

这种协同机制充分发挥了单光子激光测距技术的优势：SPAD的高灵敏度降低了激光器功率需求，符合人眼安全标准；TDC的高精度计时能力保障了较高的测距精度；上下分体式结构与无线通信/供电设计，解决了移动机器人连续扫描与紧凑安装的矛盾，实现了“探测－运算－传输”的一体化功能，满足移动机器人中远距离环境感知的实时性与可靠性需求。

二、基于单光子激光测距法的激光传感器模组设计中遇到的难题

（一）中远距离测距精度与成本的平衡难题

单光子激光测距技术虽能实现高精度测量，但核心部件（如SPAD、TDC）的成本较高，若直接采用商用高端芯片，会导致模组整体成本超出移动机器人的市场接受范围；而选用低成本器件时，SPAD的暗计数率升高、TDC的计时分辨率下降，会导致中远距离测距误差增大，尤其在环境光干扰下，误差明显，无法满足移动机器人的定位需求。此外，高频窄线宽脉冲激光器的峰值功率与成本正相关，降低功率虽能控制成本，但会导致激光在远距离传输中的衰减加剧，进一步影响测距精度，形成“精度－成本”的矛盾。

（二）复杂环境下的稳定性难题

移动机器人作业环境多样，温度波动、振动冲击与电磁干扰均会影响模组性能。在温度方面，较宽的温度范围会导致SPAD的击穿电压漂移、TDC的计时误差增大，如温度变化时，SPAD的暗计数率可能明显增加，导致测距数据的信噪比下降；在振动方面，移动机器人行驶过程中的颠簸会导致光机模组的光路偏移，同轴系统的发射与接收光路错位，造成回波信号丢失，尤其在运输或崎岖路面作业时，振动可能导致部件松动，影响模组寿命；在电磁干扰方面，机器人的电机、控制器等设备会产生电磁辐射，干扰光通信模块的数据传输，导致点云数据丢包，影响环境感知的完整性[2]。