2D LiDAR
概述
2D LiDAR（也称为单线激光雷达或激光扫描仪）在单一平面内进行 360° 或有限角度的距离扫描，输出一圈二维距离数据（LaserScan）。它是室内移动机器人、扫地机器人和 AGV 导航中最常用的传感器。
工作原理
2D LiDAR 通常使用 ToF 或三角测距原理：
三角测距法
低成本 2D LiDAR（如 RPLIDAR A1）常采用三角测距：
\[
d = \frac{f \cdot B}{\Delta p}
\]
其中：
- \(f\) 为透镜焦距
- \(B\) 为发射器与接收器基线距离
- \(\Delta p\) 为像素偏移量
特点：近距离精度高、远距离精度下降、成本低。
ToF 测距法
中高端 2D LiDAR（如 Hokuyo、RPLIDAR S2）采用 ToF：
\[
d = \frac{c \cdot t}{2}
\]
特点：远距离精度好、测量范围大。
主流产品对比
RPLIDAR 系列（思岚科技 SLAMTEC）
| 型号 | 测距范围 | 采样率 | 扫描频率 | 测距原理 | 接口 | 价格（参考） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A1M8 | 0.15–12m | 8000 pts/s | 5.5Hz | 三角测距 | UART | ~$99 |
| A2M12 | 0.15–18m | 16000 pts/s | 10Hz | 三角测距 | UART | ~$299 |
| A3M1 | 0.15–25m | 16000 pts/s | 10Hz | 三角测距 | UART | ~$399 |
| S1 | 0.1–40m | 9200 pts/s | 10Hz | ToF | UART | ~$149 |
| S2 | 0.05–30m | 32000 pts/s | 10Hz | ToF | UART | ~$349 |
| C1 | 0.05–12m | 5000 pts/s | 10Hz | 三角测距 | UART | ~$69 |
RPLIDAR A1 —— 入门首选
RPLIDAR A1 是 ROS 社区使用最广泛的入门级 LiDAR，价格低廉、SDK 完善、社区支持好。非常适合学习 SLAM 和移动机器人开发。
YDLIDAR 系列（乐动）
| 型号 | 测距范围 | 采样率 | 扫描频率 | 测距原理 | 接口 | 价格（参考） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| X4 | 0.12–10m | 5000 pts/s | 6–12Hz | 三角测距 | UART | ~$69 |
| X4PRO | 0.12–10m | 5000 pts/s | 6–12Hz | 三角测距 | UART | ~$79 |
| G4 | 0.26–16m | 9000 pts/s | 5–12Hz | 三角测距 | UART | ~$159 |
| TG30 | 0.05–30m | 20000 pts/s | 10Hz | ToF | UART | ~$299 |
| TMini Pro | 0.02–12m | 4000 pts/s | 6Hz | 三角测距 | UART | ~$39 |
Hokuyo 系列（日本北阳）
| 型号 | 测距范围 | 采样率 | 扫描角度 | 测距原理 | 接口 | 价格（参考） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| URG-04LX | 0.02–5.6m | - | 240° | ToF | USB/UART | ~$1,000 |
| UTM-30LX | 0.1–30m | - | 270° | ToF | USB/Ethernet | ~$4,500 |
| UST-10LX | 0.06–10m | - | 270° | ToF | Ethernet | ~$1,600 |
Hokuyo 的定位
Hokuyo 主打工业级品质和高可靠性，价格远高于国产方案，但在精度、稳定性和使用寿命方面有优势。适合商业部署的 AGV 和服务机器人。
SICK 系列（安全级）
| 型号 | 测距范围 | 扫描角度 | 特点 | 价格（参考） |
|---|---|---|---|---|
| TiM551 | 0.05–10m | 270° | 工业级 | ~$1,200 |
| TiM571 | 0.05–25m | 270° | 工业级 | ~$2,000 |
| S300 Mini | 0.05–30m | 270° | 安全认证 SIL2/PLd | ~$5,000+ |
数据格式
2D LiDAR 在 ROS2 中使用 sensor_msgs/msg/LaserScan 消息：
# sensor_msgs/msg/LaserScan
Header header # 时间戳和坐标系
float32 angle_min # 起始角度 (rad)
float32 angle_max # 终止角度 (rad)
float32 angle_increment # 角度增量 (rad)
float32 time_increment # 测量时间增量 (s)
float32 scan_time # 扫描周期 (s)
float32 range_min # 最小有效距离 (m)
float32 range_max # 最大有效距离 (m)
float32[] ranges # 距离数组 (m)
float32[] intensities # 反射强度数组
每一帧数据包含一圈的距离测量值，角度从 angle_min 到 angle_max，步长为 angle_increment。
ROS2 集成
RPLIDAR ROS2 驱动
# 安装 rplidar_ros 包
sudo apt install ros-humble-rplidar-ros
# 或从源码编译
cd ~/ros2_ws/src
git clone https://github.com/Slamtec/rplidar_ros.git -b ros2
cd ~/ros2_ws
colcon build --packages-select rplidar_ros
启动节点：
# RPLIDAR A1
ros2 launch rplidar_ros rplidar_a1_launch.py
# RPLIDAR A2
ros2 launch rplidar_ros rplidar_a2m12_launch.py
# 查看数据
ros2 topic echo /scan
YDLIDAR ROS2 驱动
cd ~/ros2_ws/src
git clone https://github.com/YDLIDAR/ydlidar_ros2_driver.git
cd ~/ros2_ws
colcon build --packages-select ydlidar_ros2_driver
Launch 文件示例
from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
def generate_launch_description():
return LaunchDescription([
Node(
package='rplidar_ros',
executable='rplidar_node',
name='rplidar_node',
parameters=[{
'serial_port': '/dev/ttyUSB0',
'serial_baudrate': 115200,
'frame_id': 'laser_frame',
'angle_compensate': True,
'scan_mode': 'Standard',
}],
output='screen',
),
])
典型应用场景
2D SLAM 导航
2D LiDAR 是移动机器人 SLAM 的核心传感器。常用 SLAM 算法：
| 算法 | 类型 | ROS2 包 | 特点 |
|---|---|---|---|
| Cartographer | 图优化 | cartographer_ros |
Google 开源，精度高 |
| SLAM Toolbox | 图优化 | slam_toolbox |
ROS2 推荐，支持终身建图 |
| GMapping | 粒子滤波 | slam_gmapping |
经典算法，资源消耗低 |
| Hector SLAM | 扫描匹配 | hector_slam |
不需要里程计 |
详细 SLAM 内容请参考 SLAM 专题
扫地机器人导航
扫地机器人是 2D LiDAR 最大的消费级应用场景：
graph TD
A[LiDAR 扫描] --> B[SLAM 建图]
B --> C[全局路径规划]
C --> D[区域覆盖规划]
D --> E[局部避障]
E --> F[执行运动]
F --> A
G[悬崖传感器] --> E
H[碰撞传感器] --> E
主要特点：
- 使用低成本 LiDAR（如 RPLIDAR A1 级别的定制模块）
- LDS（Laser Distance Sensor）安装在机器人顶部旋转
- 配合 cliff sensor（悬崖传感器）和 bumper（碰撞传感器）
- 实时建图 + 分区清扫规划
安全防护
工业 AGV 使用安全级 LiDAR（如 SICK S300）进行安全区域监控：
- 保护区域：检测到障碍物立即停车
- 警告区域：减速或改变路径
- 符合 IEC 61496 安全标准
安装与调试注意事项
- 安装高度：确保扫描平面在期望检测高度，避免扫到地面
- 遮挡：确保机器人本体不遮挡 LiDAR 视野（或在 URDF 中配置 min/max angle）
- 串口权限：Linux 下需要
sudo usermod -aG dialout $USER - 坐标系：确保 TF 变换正确（base_link → laser_frame）
- 反射率：深色/透明物体可能无法检测到
参考资料
- SLAMTEC RPLIDAR 官方文档：https://www.slamtec.com
- YDLIDAR 开发文档：https://www.ydlidar.com
- ROS2 Navigation2 文档
- 《Probabilistic Robotics》 - Thrun et al.