3、常用传感器详解（一）：红外传感器、超声波传感器、激光雷达（LiDAR）的原理与选型
各位同学，欢迎来到传感器实战的第一讲。
做机器人，说白了就是让机器感知世界。而感知的第一步，就是选对传感器。今天咱们聊三个最常用的测距传感器：红外、超声波、激光雷达。这三种东西，我几乎在每个项目里都会用到，但它们的脾气秉性完全不同。
3.1 红外传感器：便宜但娇气
红外传感器，原理很简单——发射红外光，碰到物体反射回来，根据反射光的强度或三角测距法算出距离。
常见型号：
- GP2Y0A21YK0F（夏普，测距 10-80cm）
- GP2Y0A02YK0F（夏普，测距 20-150cm）
输出特性：模拟电压，距离越近电压越高，但注意——它不是线性的！
核心要点：红外传感器对物体颜色和表面材质极其敏感。黑色物体吸光，测距会偏远；白色物体反光强，测距会偏近。我曾在做避障小车时，黑色桌腿直接让传感器“失明”，小车一头撞上去。
避坑指南：我曾经在强光环境下调试红外传感器，发现数据乱跳。后来才意识到，太阳光里含有大量红外成分，直接干扰了传感器。所以，户外项目慎用红外。
3.2 超声波传感器：稳定但慢
超声波传感器，发射40kHz的声波，等它碰到物体弹回来，计算时间差。声速在空气中约340m/s，所以距离 = 时间 × 声速 / 2。
经典型号：HC-SR04
- 测距范围：2cm - 400cm
- 精度：约3mm
- 工作频率：40kHz
时序控制代码示例（Arduino）：
// 触发引脚 Trig -> D2，回声引脚 Echo -> D3
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(2, OUTPUT);
pinMode(3, INPUT);
}
void loop() {
// 发送10us高电平触发
digitalWrite(2, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(2, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(2, LOW);
// 读取回声脉冲宽度（单位微秒）
long duration = pulseIn(3, HIGH);
// 换算成距离（cm）
float distance = duration * 0.034 / 2;
Serial.print("距离: ");
Serial.print(distance);
Serial.println(" cm");
delay(100);
}个人经验：超声波不怕光照，也不受颜色影响。但它有个致命弱点——对软性物体（比如海绵、布料）几乎无效。声波被吸收了，回波很弱。另外，两个超声波靠太近会互相串扰。我建议你给每个传感器加个“时间窗口”，错开发射时机。
3.3 激光雷达（LiDAR）：精准但贵
激光雷达，发射激光脉冲，测量飞行时间（ToF）。精度可以达到毫米级，扫描频率高，是SLAM建图的核心传感器。
常见类型：
| 类型 | 典型型号 | 测距范围 | 精度 | 价格区间 |
|---|---|---|---|---|
| 单线机械式 | RPLIDAR A1 | 0.15-12m | ±1% | ¥500-1000 |
| 单线固态 | VL53L1X | 0.04-4m | ±1mm | ¥30-80 |
| 多线机械式 | Velodyne VLP-16 | 0.1-100m | ±3cm | ¥20000+ |
选型建议：
- 做室内小车避障，用VL53L1X就够了，便宜又精准
- 做建图导航，至少上RPLIDAR A1，360度扫描
- 做自动驾驶？嗯，准备好预算吧
注意：激光雷达在强光下也会受影响，但比红外好得多。另外，玻璃和镜面是激光雷达的噩梦——激光直接穿透或反射到别处去了。我有个朋友做AGV小车，仓库里全是玻璃墙，激光雷达直接废了，最后换了超声波才搞定。
3.4 三种传感器对比总结
为什么要把这三种放一起讲？因为它们互补。你想想看：
- 红外便宜，但怕光、怕颜色
- 超声波不怕光，但怕软物、速度慢
- 激光雷达精准，但贵、怕玻璃
我个人的习惯是：能用激光雷达就用激光雷达，预算不够就上超声波，红外只用在室内、短距离、固定场景。记住，没有完美的传感器，只有合适的组合。
实战技巧：如果你做避障小车，我建议你同时装一个超声波（正前方）和两个红外（左右两侧）。超声波负责远距离预警，红外负责近距离防撞。这样既省钱又可靠。
好了，这一章就到这里。三种传感器的原理和选型，你心里应该有数了。下一章咱们会深入讲一讲传感器的数据融合——怎么把这三个家伙的数据揉在一起，让机器人更聪明。