各有千秋的机器人避障传感器
导语：移动机器人在行走过程中，通过传感器感知到在其规划路线上存在静态或动态障碍物时，按照一定的算法实时更新路径，绕过障碍物，最后达到目标点。这种动态的导航规划，或者说避障，第一步都需要感知周边环境。 移动机器人在行走过程中，通过传感器感知到在其规划路线上存在静态或动态障碍物时，按照一定的算法实时更新路径，绕过障碍物，最后达到目标点。这种动态的导航规划，或者说避障，第一步都需要感知周边环境。在机器人运动过程中，需要通过传感器实时获取自身周围障碍物信息，包括但不限于尺寸、形状等物理信息。避障使用的传感器多种多样，各有不同的原理与特点。目前应用较多的有视觉传感器、激光传感器、红外传感器和传感器。 红外传感器 红外测距，一般采用三角测距原理。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。 但受限于红外检测器的局限，当物体距离足够近的时候，传感器会丢失物体的检测位置，而当物体过远时，测量精度会明显变差。因此，常见的红外传感器测量距离都比较近，小于，同时远距离测量也有最小距离的限制。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。 传感器 传感器的基本原理是测量的飞行时间，通过d=vt/2测量距离，其中d是距离，v是声速，t是飞行时间。由于在空气中的速度与温湿度有关，在比较精确的测量中，需把温湿度的变化和因素考虑进去。 通过压电或静电变送器产生一个频率在几十kHz的脉冲组成波包，系统检测高于某阈值的反向声波，检测到后使用测量到的飞行时间计算距离。传感器一般作用距离较短，普通的有效探测距离都在几米，但是会有一个几十毫米左右的最小探测盲区。由于超声传感器的成本低、实现方法简单、技术成熟，是移动机器人中常用的传感器。但的测量周期较长，3米左右的物体声波传输需要约20ms的时间。再者多个超声传感器之间有可能会互相干扰。 激光传感器 常见的激光雷达是基于飞行时间的，通过测量激光的飞行时间来进行测距。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。机械式的激光雷达包括一个带有镜子的机械机构，镜子的旋转使得光束可以覆盖 一个平面，这样就可以测量到一个平面上的距离信息。 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。由于结构的复杂、器件成本高，激光雷达的成本也很高。 一些低端的激光雷达会采用三角测距的方案进行测距。但这时它们的量程会受到限制，一般几米以内，并且精度相对低一些，但用于室内低速环境的SLAM或者在室外环境只用于避障的话，效果还是不错的。 视觉传感器 常用的计算机视觉方案也有很多种， 比如双目视觉，基于TOF的深度相机，基于结构光的深度相机等。深度相机可以同时获得RGB图和深度图，不管是基于TOF还是结构光，在室外强光环境下效果都并不太理想，因为它们都是需要主动发光的。 像基于结构光的深度相机，发射出的光会生成相对随机但又固定的斑点图样，这些光斑打在物体上后，因为与摄像头距离不同，被摄像头捕捉到的位置也不相同，之后先计算拍到的图的斑点与标定的标准图案在不同位置的偏移，利用摄像头位置、传感器大小等参数就可以计算出物体与摄像头的距离。主动光源会受到太阳光等条件的很大影响，所以双目视觉这种被动视觉方案更适合，因此大多数采用的视觉方案是基于双目视觉的。 双目视觉的测距本质上也是三角测距法，两个摄像头看到的同一个点P，在成像的时候会有不同的像素位置，此时通过三角测距就可以测出这个点的距离。在实际应用的过程中，我们从摄像头读取到的是连续的视频帧流，我们还可以通过这些帧来估计场景中 目标物体的运动，给它们建立运动模型，估计和预测它们的运动方向、运动速度，这对我们实际行走、避障规划是很有用的。 以上几种是最常见的几种传感器 ，各有其优点和缺点，在真正实际应用的过程中，一般是综合配置使用多种不同的传感器 ，以最大化保证在各种不同的应用和环境条件下，机器人都能正确感知到障碍物信息。
