機器人技術-5感知-第三章 3環境感知（有源測距）

3.1測距傳感器：

直接測量機器人到其鄰區物體的距離。 機器人的障礙監測和避障嚴重依賴於測距傳感器。同時，這類傳感器 所提供的局部自由空間的信息也會被用來支撐機器人定位和環境建模 （3D成像）

3.2兩種主流方案：

3.2.1飛行時間（TOF）

3.2.1.1三種飛行時間（Time of Flight） 的有源測距傳感器

• 超聲傳感器（Sonar）
• 激光測距儀（Laser range finder）
• 飛行時間攝像頭（Time of Flight Camera）
  

3.2.1.2如何飛行時間測距

飛行時間測距：利用聲音或者電磁波的傳播速度，其行進距離

• d:行進距離（通常是往返）
• c:傳播速度
• t:飛行時間

飛行時間測距傳感器的關鍵：

• 飛行時間測量的不準確性（激光測距傳感器）
• 發射術的傳播圓錐體（超聲測距傳感器）
• 與目標的交互（表面吸收和特殊反射）
• 傳播速度的變化
• 機器人和目標的速度（動態目標的情況下）

需要重點指出的是：

• 聲音的傳播速度近似爲0.3m/ms
• 電磁波的傳播速度近似爲0.3m/ns
• 電磁波比聲音的速度快近100萬倍 採樣頻率會非常高
• 測量電磁波信號的飛行時間是非常具有挑戰性的（3m，10ns）
• 激光測距儀是非常貴也非常精密的

3.2.1.3有源測距傳感器——飛行時間測距——超聲傳感器1D

特性：有效距離12cm到5m之間； 準確度98%到99.1%之前； 分辨率近似可達2cm； 相對來說價錢便宜。精度容易受到被測距物體材料的聲學性質所影響。

3.2.1.3有源測距傳感器——行時間測距——激光測距儀

3.2.1.4有源測距傳感器——飛行時間測距——2D激光測距儀

3.2.1.5有源測距傳感器——飛行時間測距——3D激光測距儀

3D激光測距儀一種典型的激光掃描儀，它在一個以上的平面中獲取掃描數據。 如：圍繞平行於掃描面的軸，以步進或連續的方式上下襬動或旋轉一個2D掃描儀。
如右圖中用Sick公司的激光距離傳感器定製 的3D掃描儀（360° 方位角、90°仰角）。 若該3D掃描儀每秒可獲取75個垂直面的掃描， 那麼爲了達到0.25°的方位角分辨率，旋轉臺旋轉半周所需要的時間爲多少？ 360/2/0.25/75=9.6s

激光雷達（LiDAR, Light Detection And Ranging）通過水平旋轉掃描或相控掃描測角度，並根據這兩個數據建立二維的極座標系;再通過獲取不同俯仰角度的信號獲得第三維的高度信息。
高頻激光可在一秒內獲取大量的位置點信息(稱爲點雲)，並根據這些信息進行三維建模。

3.2.1.6有源測距傳感器——飛行時間測距——ToF攝像頭

ToF攝像頭（ToF Camera）
ToF 攝像頭利用飛行時間測量原理來確定攝像頭與物體或周圍環境之間距離，並通過測量的點生成深度圖像或 3D 圖像。
特性：結構簡單、價格便宜，但是有效距離比激光雷達要短，不能檢測光學上透明的物體。

3.2.2有源測距傳感器——三角測量(Triangulation)

基於三角測量的有源測距：通過把已知的光模式（例如，點、線和紋 理）投射到環境中，通過接收器捕獲反射的光，並與已知的幾何值合在一起，再通過簡單的三角幾何關係建立距離的測量。

3.2.2.1 1D光學三角測量傳感器

1D光學三角測量傳感器：接收器（線性攝像機、位置敏感器件PSD） 沿着單個軸測量反射的位置。
特性：分辨率較高（近距離）、帶寬比超聲傳感器要高、 比超聲和激光測距傳感器都便宜， 但是有效距離非常短。

3.2.2.2 2D光學三角測量傳感器（結構光傳感器）

2D光學三角測量傳感器（結構光傳感器）：接收器採用2D接收器（如用CCD或CMOS攝像機），來對一個陣列的點進行距離測量。關鍵在於： 必須將已知模式的光（結構光）投射到環境中。

3.2.2.3 有源測距傳感器——3D成像

測距傳感器：直接測量機器人到其鄰區物體的距離。
兩種主流方案：飛行時間（TOF）和結構光（Structured Light）。