机器人、无人机概念市场兴起 什么样的测距技术能更好避障?

2017-02-22 08:30:00 中国之光网 分享
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   调研机构观察,随着机器人(Robot)、无人机(Drone)、无人搬运车、自动驾驶等新概念系统的兴起,连带刺激测距与避障(Obstacle Avoidance)技术需求。

   其中测距为避障的基础,并有多种技术可以实现测距,包含无线射频(Radio Frequency;RF)、超音波(Ultrasonic)、红外线(Infrared)以及激光/雷射(Laser)等。这些技术各有其优缺点,且成本也有差异性。

   其中,红外线与激光属光电半导体技术,分别运用红外线二极管(Infrared Light-Emitting Diode;IR LED)及激光二极管(Laser Diode;LD)的发波,而后接收回波来辨识物体的距离,红外线技术适合短距离运用,激光技术则适合长距离范畴。另外,常见的避障技术还有无线射频、超音波技术等,它们则常见于汽车领域应用。

红外线角度测距原理

   一般的红外测距都是采用三角测距的原理。红外发射器按照一定角度发射红外光束,遇到物体之后,光会反向回来,检测到反射光之后,通过结构上的几何三角关系,就可以计算出物体距离D。

   当D的距离足够近的时候,上图中L值会相当大,如果超过CCD的探测范围,这时,虽然物体很近,但是传感器反而看不到了。当物体距离D很大时,L值就会很小,测量精度会变差。因此,常见的红外传感器测量距离都比较近。另外,对于透明的或者近似黑体的物体,红外传感器是无法检测距离的。

  激光相位差测距原理示意图

  资料来源:home.roboticlab.eu,DIGITIMES整理

   常见的激光雷达则是基于飞行时间的(ToF,time of flight),通过测量激光的飞行时间来进行测距d=ct/2,其中d是距离,c是光速,t是从发射到接收的时间间隔。激光雷达包括发射器和接收器 ,发射器用激光照射目标,接收器接收反向回的光波。

   对飞行时间的测量也有不同的方法,比如使用脉冲激光;另一种发射调频后的连续激光波,通过测量接收到的反射波之间的差频来测量时间。

   比较简单的方案是测量反射光的相移,传感器以已知的频率发射一定幅度的调制光,并测量发射和反向信号之间的相移,如下图三。调制信号的波长为lamda=c/f,其中c是光速,f是调制频率,测量到发射和反射光束之间的相移差theta之后,距离可由lamda*theta/4pi计算得到,如下图四。

图三

图四

   激光雷达的测量距离可以达到几十米甚至上百米,角度分辨率高,通常可以达到零点几度,测距的精度也高。但测量距离的置信度会反比于接收信号幅度的平方,因此,黑体或者远距离的物体距离测量不会像光亮的、近距离的物体那么好的估计。并且,对于透明材料,比如玻璃,激光雷达就无能为力了。此外,由于结构的复杂、器件成本高,激光雷达的成本也很高。

   调研机构认为,

  激光测距技术因价格较高,在室内慢速移动的系统上,较难取代红外线或超音波技术,但激光的精确度高、可侦测的距离远等特性,则适用于户外高速移动系统,如高速行车、无人机飞行等。

   短期内业者偏向采取折衷方式 ,即各类系统使用多组或混用各种测距技术,确保侦测的可靠度,并维持侦测系统价格不致于过高,以提升市场普及度。

责编:赵汗青