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LDROBOT D300 LiDARキットの調査

2025/02/08に公開

ROS2

LiDAR

d300

tech

ずっと前にLIDAR D300を購入してほったらかし状態でしたが、Picoマイコンで制御できないか調査してみることにしました。直近のゴールとしては、Picoでデータを拾ってROS2にパブリッシュすることを考えています。

 D300について2万円ぐらい？購入した当時は13000円ぐらいだった気がする。

なんでもかんでも値上がりしてます。。2万円まで来ると、ちょっと手出しづらい気がする。
https://jp.robotshop.com/products/ldrobot-d300-lidar-kit
D300ってのはキットの名前なのか？機種としてはLD19なんですかね。。不明。仕様は以下で良いと思ってます。

https://wiki.youyeetoo.com/en/Lidar/D300

 キットの内容キットに入っていたもの。本体とUSB接続するための基盤、ケーブルです。D300の特徴としてはとても小さいのが売りなんですかね？性能は安価なほかのLIDARと同レベルです。あんまり期待はしないほうがいい。

 D300のI/Oインタフェース本体のI/Oを確認しておきます。


pin
signal
min[V]
max[V]
note


1
Tx
0
3.3
シリアルデータ出力、Baud rate=230400、受信側のRXに接続

2
PWM
0
3.3
回転速度制御、30KHz推奨

3
GND
0
0
GND

4
VDD
4.5
5.5
5V電源

シリアル通信についてはOUTPUTのみです。受信側のUART RXに接続しておくと、距離データが流れてくるんだと思います。

 D300の速度制御（pin2）について公式を翻訳して要約すると
このピンがGNDに接地されていると、内部速度制御で10Hzの速度になる
外部から制御する場合はPWMの矩形波を送信し、Duty比で速度制御する
外部PWMの場合、20k ～ 50K程度の周期で、推奨は30kHz
Duty比は45～55%の間で、最低でも100ms連続入力する
外部制御がトリガーされると、電源切るまでずっと外部制御モードになる
外部制御のトリガーがイマイチよく分からないけど
まず100ms程度Duty比50%で開始すると、外部制御モードになる。（電源オフまで）
それ以降は0～100%で制御できる
ってことかもしれない。これは後程試す必要がある。

 D300キットの基板ICが2個付いてました。片方はCP2102なので、一般的なUSBシリアル変換ICで、これでUSB経由でシリアルデータが読み取れます。問題はもう片方のICで、どうもARMマイコンっぽい？？何やっているのか謎です。
速度制御のPWM波形を作成しているのかもしれないので、信号をオシロスコープで見たところ、矩形波が出てました。








電圧
3.3V

周期
40us=25kHz程度

Duty比
30/40 = 75%

ちなみにPWMをGNDに繋いで実際に回転させてみても違いが良く分からなかったです。上記の条件だと同じ回転速度なのかもしれない。ほかにD300のデータを加工したりしてるかもしれないですが、不明です。

 D300の出力データ
 シリアルデータ構造公式を翻訳した内容です。以下の順番にデータが詰まっている模様。


値
サイズ
内容


Header
1Byte
値はデータパケットの先頭を示す0x54 固定値

VerLen
1Byte
上位3ビットはパケットタイプを示し、現在は1 固定、下位5ビットはパケット内の測定点数を示し現在12 固定であるため、Byte値は0x2C固定となる

Speed
2Byte
単位は度/秒で、ライダーの速度を示す

Start angle
2Byte
単位は0.01度で、データパケット点の開始角度

Data
3Byte
測定データ ※下記参照

End angle
2Byte
単位は0.01度で、データパケット点の終了角度

Timestamp
2Byte
単位はミリ秒、最大値は30000カウント

CRC check
1Byte
自分自身を除くすべての前のデータの検証値


 測定データ(3Bytes)合計3バイトのデータ内訳は、2バイトの距離値と1バイトの信号強度値で構成される。

距離値の単位はmm

信号強度値は光の反射強度を反映する。強度が高いほど信号強度値は大きく、強度が低いほど信号強度値は小さくなります。6m以内の白い物体の場合、信号強度値は200程度。

 データのサンプル例各点の角度値は、開始角度と終了角度の線形補間によって求められる。角度の計算方法は以下の通りである：


フィールド
値
例


header
54
54 固定

ver_len
2C
12 固定

speed(LSB)
68
0868 = 2152 deg/sec

speed(MSB)
08


start_angle(LSB)
AB
7EAB = 32427 = 324.27deg

start_angle(MSB)
7E


data
以下


end_angle(LSB)
BE
82BE = 33470 = 334.7deg

end_angle(MSB)
82


timestamp(LSB)
3A
1A3A = 6714 = 6714ms

timestamp(MSB)
1A


crc8
50




dataフィールド
値
例


distance1(LSB)
E0
00E0 = 224mm

distance1(MSB)
00


intensity1
E4
228

distance2(LSB)
DC
00DC = 200mm

distance2(MSB)
00


intensity2
E2
226

:
:


distance12(LSB)
B0
00B0 = 176mm

distance12(MSB)
00


intensity12
EA
234


 D300の開始・終了角度どこを基準にしているかというと、下図のように▲印のところが0degらしい。
接地に影響するので注意。-90degの方向を正面とするか、▲印に合わせるべきか。

 ROS2のLIDARメッセージフォーマットD300のデータフォーマットが分かったので、ついでにROS2のLIDARメッセージのフォーマットも確認します。
ROS2にもあらかじめ用意されたLIDAR用のメッセージフォーマットがあります。2DタイプのLIDARであれば、sensor_msgs/msg/LaserScanのフォーマットが用意されているので、これに合わせると可視化などやりやすい。
https://docs.ros.org/en/noetic/api/sensor_msgs/html/msg/LaserScan.html


フィールド
型
内容
例


header
std_msgs/Header
タイムスタンプと座標フレームID
例）<BR>header.frame_id = "laser_frame"<BR>header.stamp = self.get_clock().now().to_msg()

angle_min
float32
スキャンの開始角度（ラジアン）
-1.57 （-90°）

angle_max
float32
スキャンの終了角度（ラジアン）
1.57 （90°）

angle_increment
float32
各スキャンポイント間の角度差（ラジアン）
0.01 （約0.57°）

time_increment
float32
1スキャンポイント間の時間差（秒）
0.0

scan_time
float32
1回のスキャンにかかる総時間（秒）
1.0

range_min
float32
測定可能な最小距離（メートル）
0.1

range_max
float32
測定可能な最大距離（メートル）
10.0

ranges
float32[]
距離データの配列（メートル）
[1.2, 1.5, inf, 0.9]

intensities
float32[]
各ポイントの反射強度データ
[100, 150, 0, 90]

ここでいう1スキャンというのは、機種によって仕様が異なるが、1パケット分のデータだったり、1回転分のデータのことを指す。D300の場合12個のデータ固定なので、これが1スキャン分のパブリッシュデータとなる。
D300の出力するデータであれば上記のフィールドは埋めることできそうです。

 参考）D300のデータのサンプルコードデータフォーマット（C言語）
#define POINT_PER_PACK 12
#define HEADER 0x54

typedef struct __attribute__((packed)) {
  uint16_t distance;
  uint8_t intensity;
} LidarPointStructDef;

typedef struct __attribute__((packed)) {
  uint8_t header;
  uint8_t ver_len;
  uint16_t speed;
  uint16_t start_angle;
  LidarPointStructDef point[POINT_PER_PACK];
  uint16_t end_angle;
  uint16_t timestamp;
  uint8_t crc8;
} LiDARFrameTypeDef;
サンプルにあったCRCのチェック方法

static const uint8_t CrcTable[256] = {
    0x00, 0x4d, 0x9a, 0xd7, 0x79, 0x34, 0xe3, 0xae, 0xf2, 0xbf, 0x68, 0x25,
    0x8b, 0xc6, 0x11, 0x5c, 0xa9, 0xe4, 0x33, 0x7e, 0xd0, 0x9d, 0x4a, 0x07,
    0x5b, 0x16, 0xc1, 0x8c, 0x22, 0x6f, 0xb8, 0xf5, 0x1f, 0x52, 0x85, 0xc8,
    0x66, 0x2b, 0xfc, 0xb1, 0xed, 0xa0, 0x77, 0x3a, 0x94, 0xd9, 0x0e, 0x43,
    0xb6, 0xfb, 0x2c, 0x61, 0xcf, 0x82, 0x55, 0x18, 0x44, 0x09, 0xde, 0x93,
    0x3d, 0x70, 0xa7, 0xea, 0x3e, 0x73, 0xa4, 0xe9, 0x47, 0x0a, 0xdd, 0x90,
    0xcc, 0x81, 0x56, 0x1b, 0xb5, 0xf8, 0x2f, 0x62, 0x97, 0xda, 0x0d, 0x40,
    0xee, 0xa3, 0x74, 0x39, 0x65, 0x28, 0xff, 0xb2, 0x1c, 0x51, 0x86, 0xcb,
    0x21, 0x6c, 0xbb, 0xf6, 0x58, 0x15, 0xc2, 0x8f, 0xd3, 0x9e, 0x49, 0x04,
    0xaa, 0xe7, 0x30, 0x7d, 0x88, 0xc5, 0x12, 0x5f, 0xf1, 0xbc, 0x6b, 0x26,
    0x7a, 0x37, 0xe0, 0xad, 0x03, 0x4e, 0x99, 0xd4, 0x7c, 0x31, 0xe6, 0xab,
    0x05, 0x48, 0x9f, 0xd2, 0x8e, 0xc3, 0x14, 0x59, 0xf7, 0xba, 0x6d, 0x20,
    0xd5, 0x98, 0x4f, 0x02, 0xac, 0xe1, 0x36, 0x7b, 0x27, 0x6a, 0xbd, 0xf0,
    0x5e, 0x13, 0xc4, 0x89, 0x63, 0x2e, 0xf9, 0xb4, 0x1a, 0x57, 0x80, 0xcd,
    0x91, 0xdc, 0x0b, 0x46, 0xe8, 0xa5, 0x72, 0x3f, 0xca, 0x87, 0x50, 0x1d,
    0xb3, 0xfe, 0x29, 0x64, 0x38, 0x75, 0xa2, 0xef, 0x41, 0x0c, 0xdb, 0x96,
    0x42, 0x0f, 0xd8, 0x95, 0x3b, 0x76, 0xa1, 0xec, 0xb0, 0xfd, 0x2a, 0x67,
    0xc9, 0x84, 0x53, 0x1e, 0xeb, 0xa6, 0x71, 0x3c, 0x92, 0xdf, 0x08, 0x45,
    0x19, 0x54, 0x83, 0xce, 0x60, 0x2d, 0xfa, 0xb7, 0x5d, 0x10, 0xc7, 0x8a,
    0x24, 0x69, 0xbe, 0xf3, 0xaf, 0xe2, 0x35, 0x78, 0xd6, 0x9b, 0x4c, 0x01,
    0xf4, 0xb9, 0x6e, 0x23, 0x8d, 0xc0, 0x17, 0x5a, 0x06, 0x4b, 0x9c, 0xd1,
    0x7f, 0x32, 0xe5, 0xa8};

uint8_t CalCRC8(const uint8_t *data, uint16_t data_len) {
  uint8_t crc = 0;
  while (data_len--) {
    crc = CrcTable[(crc ^ *data) & 0xff];
    data++;
  }
  return crc;
}
上記のコードは、以下から抜粋しただけです。
LD06、LD19に対応したROS2のドライバ

https://github.com/ldrobotSensorTeam/ldlidar_stl_ros2

 ちなみにPicoのPWM出力についてそういえばということで、PicoでPWM波形出力どうやってやるのかついでに調査。
もし、PicoにD300をシリアル接続する場合、上記の変換基板は使いたくないです。（そもそもUSB使わないので）
Picoに変換基板の仕事の一部をやってもらうとして、PWMピンに矩形波を渡すケースも念頭に入れます。（最悪GNDに設置しても動くけど）

 PicoのPWMモジュール、スライス、チャンネルについてRaspberry Pi PicoのPWMモジュールについて、スライス、チャンネルというキーワードが出てきます。

スライスごとにTimerカウンタが独立していて、周波数を個別に指定できる

チャンネルABは共通カウンタなのでDuty比だけ個別に指定できる
スライスについては、PWM0-PWM7まで合計8個ある。GPIOに割り当てられているものを見ると、一部スライスが被っているものもあるので注意。

 PWM0 から PWM3

GPIOピン
PWMスライス
チャンネル


GPIO 0
PWM 0
A

GPIO 1
PWM 0
B

GPIO 2
PWM 1
A

GPIO 3
PWM 1
B

GPIO 4
PWM 2
A

GPIO 5
PWM 2
B

GPIO 6
PWM 3
A

GPIO 7
PWM 3
B


 PWM4 から PWM7

GPIOピン
PWMスライス
チャンネル


GPIO 8
PWM 4
A

GPIO 9
PWM 4
B

GPIO 10
PWM 5
A

GPIO 11
PWM 5
B

GPIO 12
PWM 6
A

GPIO 13
PWM 6
B

GPIO 14
PWM 7
A

GPIO 15
PWM 7
B


 上記と被っているもの

GPIOピン
PWMスライス
チャンネル


GPIO 16
PWM 0
A

GPIO 17
PWM 0
B

GPIO 18
PWM 1
A

GPIO 19
PWM 1
B

GPIO 20
PWM 2
A

GPIO 21
PWM 2
B

GPIO 22
PWM 3
A

GPIO 23
PWM 3
B

GPIO 24
PWM 4
A

GPIO 25
PWM 4
B

GPIO 26
PWM 5
A

GPIO 27
PWM 5
B

GPIO 28
PWM 6
A

GPIO 29
PWM 6
B

以下は、GPIO0（PWM0 A）で1kHz、デューティサイクル50%の矩形波を生成するサンプル。
#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pwm.h"

#define PWM_PIN 0  // 使用するGPIOピン (GPIO 0)

int main() {
    // 標準入出力を初期化
    stdio_init_all();

    // GPIOピンをPWM機能に設定
    gpio_set_function(PWM_PIN, GPIO_FUNC_PWM);

    // ピンに対応するPWMスライス番号を取得
    uint slice_num = pwm_gpio_to_slice_num(PWM_PIN);

    // デフォルトのPWM周波数を変更（例えば1kHz）
    pwm_set_clkdiv(slice_num, 4.0f);  // クロック分周設定

    // デューティサイクルの範囲を設定（0-65535）
    pwm_set_wrap(slice_num, 65535);

    // デューティサイクル50%に設定
    pwm_set_chan_level(slice_num, PWM_CHAN_A, 32768);

    // PWM出力を開始
    pwm_set_enabled(slice_num, true);

    while (true) {
        sleep_ms(1000);
    }
}
ネタはそろったので、次回以降で、PicoにD300を接続して制御、距離データを拾うところまでやってみる予定です。

pin	signal	min[V]	max[V]	note
1	Tx	0	3.3	シリアルデータ出力、Baud rate=230400、受信側のRXに接続
2	PWM	0	3.3	回転速度制御、30KHz推奨
3	GND	0	0	GND
4	VDD	4.5	5.5	5V電源

値	サイズ	内容
Header	1Byte	値はデータパケットの先頭を示す0x54 固定値
VerLen	1Byte	上位3ビットはパケットタイプを示し、現在は1 固定、下位5ビットはパケット内の測定点数を示し現在12 固定であるため、Byte値は0x2C固定となる
Speed	2Byte	単位は度/秒で、ライダーの速度を示す
Start angle	2Byte	単位は0.01度で、データパケット点の開始角度
Data	3Byte	測定データ ※下記参照
End angle	2Byte	単位は0.01度で、データパケット点の終了角度
Timestamp	2Byte	単位はミリ秒、最大値は30000カウント
CRC check	1Byte	自分自身を除くすべての前のデータの検証値

フィールド	値	例
header	54	54 固定
ver_len	2C	12 固定
speed(LSB)	68	0868 = 2152 deg/sec
speed(MSB)	08
start_angle(LSB)	AB	7EAB = 32427 = 324.27deg
start_angle(MSB)	7E
data	以下
end_angle(LSB)	BE	82BE = 33470 = 334.7deg
end_angle(MSB)	82
timestamp(LSB)	3A	1A3A = 6714 = 6714ms
timestamp(MSB)	1A
crc8	50

dataフィールド	値	例
distance1(LSB)	E0	00E0 = 224mm
distance1(MSB)	00
intensity1	E4	228
distance2(LSB)	DC	00DC = 200mm
distance2(MSB)	00
intensity2	E2	226
:	:
distance12(LSB)	B0	00B0 = 176mm
distance12(MSB)	00
intensity12	EA	234

フィールド	型	内容	例
header	std_msgs/Header	タイムスタンプと座標フレームID	例）<BR>header.frame_id = "laser_frame"<BR>header.stamp = self.get_clock().now().to_msg()
angle_min	float32	スキャンの開始角度（ラジアン）	-1.57 （-90°）
angle_max	float32	スキャンの終了角度（ラジアン）	1.57 （90°）
angle_increment	float32	各スキャンポイント間の角度差（ラジアン）	0.01 （約0.57°）
time_increment	float32	1スキャンポイント間の時間差（秒）	0.0
scan_time	float32	1回のスキャンにかかる総時間（秒）	1.0
range_min	float32	測定可能な最小距離（メートル）	0.1
range_max	float32	測定可能な最大距離（メートル）	10.0
ranges	float32[]	距離データの配列（メートル）	[1.2, 1.5, inf, 0.9]
intensities	float32[]	各ポイントの反射強度データ	[100, 150, 0, 90]

GPIOピン	PWMスライス	チャンネル
GPIO 0	PWM 0	A
GPIO 1	PWM 0	B
GPIO 2	PWM 1	A
GPIO 3	PWM 1	B
GPIO 4	PWM 2	A
GPIO 5	PWM 2	B
GPIO 6	PWM 3	A
GPIO 7	PWM 3	B

GPIOピン	PWMスライス	チャンネル
GPIO 8	PWM 4	A
GPIO 9	PWM 4	B
GPIO 10	PWM 5	A
GPIO 11	PWM 5	B
GPIO 12	PWM 6	A
GPIO 13	PWM 6	B
GPIO 14	PWM 7	A
GPIO 15	PWM 7	B

GPIOピン	PWMスライス	チャンネル
GPIO 16	PWM 0	A
GPIO 17	PWM 0	B
GPIO 18	PWM 1	A
GPIO 19	PWM 1	B
GPIO 20	PWM 2	A
GPIO 21	PWM 2	B
GPIO 22	PWM 3	A
GPIO 23	PWM 3	B
GPIO 24	PWM 4	A
GPIO 25	PWM 4	B
GPIO 26	PWM 5	A
GPIO 27	PWM 5	B
GPIO 28	PWM 6	A
GPIO 29	PWM 6	B

D300について

キットの内容

D300のI/Oインタフェース

D300の速度制御（pin2）について

D300キットの基板

D300の出力データ

シリアルデータ構造

測定データ(3Bytes)

データのサンプル例

D300の開始・終了角度

ROS2のLIDARメッセージフォーマット

参考）D300のデータのサンプルコード

ちなみにPicoのPWM出力について

PicoのPWMモジュール、スライス、チャンネルについて

PWM0 から PWM3

PWM4 から PWM7

上記と被っているもの

Discussion