隨著機器人(Robot)、無人機(Drone)、無人搬運車、自動駕駛等新概念系統的興起,連帶刺激測距與避障(Obstacle Avoidance)技術需求。
其中測距為避障的基礎,并有多種技術可以實現測距,包含無線射頻(Radio Frequency;RF)、超音波(Ultrasonic)、紅外線(Infrared)以及激光/雷射(Laser)等。這些技術各有其優缺點,且成本也有差異性。
其中,紅外線與激光屬光電半導體技術,分別運用紅外線二極管(Infrared Light-Emitting Diode;IR LED)及激光二極管(Laser Diode;LD)的發波,而后接收回波來辨識物體的距離,紅外線技術適合短距離運用,激光技術則適合長距離范疇。另外,常見的避障技術還有無線射頻、超音波技術等,它們則常見于汽車領域應用。
紅外線角度測距原理
一般的紅外測距都是采用三角測距的原理。紅外發射器按照一定角度發射紅外光束,遇到物體之后,光會反向回來,檢測到反射光之后,通過結構上的幾何三角關系,就可以計算出物體距離D。
當D的距離足夠近的時候,上圖中L值會相當大,如果超過CCD的探測范圍,這時,雖然物體很近,但是傳感器反而看不到了。當物體距離D很大時,L值就會很小,測量精度會變差。因此,常見的紅外傳感器測量距離都比較近。另外,對于透明的或者近似黑體的物體,紅外傳感器是無法檢測距離的。
激光相位差測距原理示意圖
常見的激光雷達則是基于飛行時間的(ToF,time of flight),通過測量激光的飛行時間來進行測距d=ct/2,其中d是距離,c是光速,t是從發射到接收的時間間隔。激光雷達包括發射器和接收器 ,發射器用激光照射目標,接收器接收反向回的光波。
對飛行時間的測量也有不同的方法,比如使用脈沖激光;另一種發射調頻后的連續激光波,通過測量接收到的反射波之間的差頻來測量時間。
比較簡單的方案是測量反射光的相移,傳感器以已知的頻率發射一定幅度的調制光,并測量發射和反向信號之間的相移,如下圖三。調制信號的波長為lamda=c/f,其中c是光速,f是調制頻率,測量到發射和反射光束之間的相移差theta之后,距離可由lamda*theta/4pi計算得到,如下圖四。
激光雷達的測量距離可以達到幾十米甚至上百米,角度分辨率高,通常可以達到零點幾度,測距的精度也高。但測量距離的置信度會反比于接收信號幅度的平方,因此,黑體或者遠距離的物體距離測量不會像光亮的、近距離的物體那么好的估計。并且,對于透明材料,比如玻璃,激光雷達就無能為力了。此外,由于結構的復雜、器件成本高,激光雷達的成本也很高。
調研機構認為,激光測距技術因價格較高,在室內慢速移動的系統上,較難取代紅外線或超音波技術,但激光的精確度高、可偵測的距離遠等特性,則適用于戶外高速移動系統,如高速行車、無人機飛行等。
短期內業者偏向采取折衷方式,即各類系統使用多組或混用各種測距技術,確保偵測的可靠度,并維持偵測系統價格不致于過高,以提升市場普及度。