?幾年前的我們或許難以想象，如今激光測距技術(shù)已如此深入我們的生活，甚至成為掃地機(jī)器人不可或缺的一部分。為了給掃地機(jī)器人提供前方障礙物的檢測，如狗屎等，激光測距行業(yè)傾注了數(shù)年的心血，將多項(xiàng)尖端技術(shù)集結(jié)于一身。盡管掃地機(jī)器人已采用這些技術(shù)有一段時(shí)間，但網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于其技術(shù)的講解卻往往存在誤導(dǎo)。這些誤解可能源于對技術(shù)的陌生，也可能源于對掃地機(jī)器人的不了解，甚至兩者兼而有之。在這些錯(cuò)誤觀點(diǎn)流傳甚廣的情況下，我們有必要進(jìn)行澄清。因此，本文與其說是科普文章，更像是一篇辟謠文章，旨在糾正那些廣為流傳的錯(cuò)誤觀點(diǎn)。

一、點(diǎn)激光

效果：點(diǎn)激光能夠測量出一定范圍內(nèi)某一點(diǎn)距離激光發(fā)射點(diǎn)的精確距離。通過配備旋轉(zhuǎn)裝置，它可以實(shí)現(xiàn)四周360°的距離信息采集。

優(yōu)勢：點(diǎn)激光的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對簡單，同時(shí)具備較遠(yuǎn)的檢測距離。

缺點(diǎn)：它每次僅能獲取一個(gè)點(diǎn)的距離信息，即便通過快速連續(xù)檢測和旋轉(zhuǎn)裝置的配合，也只能獲取某一高度上四周的障礙物距離。

技術(shù)原理：

在掃地機(jī)器人上，點(diǎn)激光主要用于大范圍地圖的掃描。其技術(shù)原理主要有兩種。

1、三角測距法

三角測距法是點(diǎn)激光中最為常見的技術(shù)原理。它通過設(shè)定激光發(fā)射與接收器之間的固定夾角，利用反射點(diǎn)在接收器上的位置變化來計(jì)算距離。這一原理在掃地機(jī)器人中得到了廣泛應(yīng)用，用于大范圍地圖的掃描。

為了更直觀地解釋三角測距法，我們常常使用示意圖。但請注意，實(shí)際情況中，光線在到達(dá)接收器前會(huì)經(jīng)過鏡片的折射。為了幫助理解，我們可以想象一根長竹竿直立在眼前，從腳前一直延伸到遠(yuǎn)方。當(dāng)我們?yōu)檫@根竹竿拍照時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)離我們越遠(yuǎn)的竹竿節(jié)點(diǎn)，在照片上越靠近頂部。這與三角測距法的原理是相似的，即通過光線在接收器上的位置變化來計(jì)算距離。

那么，現(xiàn)在想象一下，如果這根竹子保持不動(dòng)，但變?yōu)榱送该鳡顟B(tài)，只給出兩個(gè)竹子上的結(jié)點(diǎn)位置，你能否判斷出哪個(gè)節(jié)點(diǎn)更靠近你，哪個(gè)則較遠(yuǎn)呢?這其實(shí)與單點(diǎn)激光三角測距的原理相似。簡單來說，傳感器會(huì)對一段激光進(jìn)行“拍照”，但激光本身是不可見的。當(dāng)這段激光遇到障礙物時(shí)，我們會(huì)看到一個(gè)小紅點(diǎn)，而這個(gè)小紅點(diǎn)的位置將決定障礙物的距離。由于激光的位置和發(fā)射角度都是預(yù)先設(shè)定的，因此可以通過算法輕松計(jì)算出距離。

ToF測距法相對簡單。它通過檢測激光從發(fā)射到返回的時(shí)間差，再結(jié)合光速，即可計(jì)算出距離。不過，在計(jì)算時(shí)需注意，由于激光是來回飛行，所以實(shí)際距離是激光飛行路程的兩倍。因此，在計(jì)算時(shí)，需要將時(shí)間差除以2，再乘以光速，從而得到準(zhǔn)確的距離。

實(shí)際上，由于光速極快，直接檢測光速可能不太現(xiàn)實(shí)。因此，ToF測距法通常采用發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的光線，例如連續(xù)波調(diào)制。通過檢測接收到的光線相移，可以推算出激光的飛行時(shí)間，進(jìn)而得出距離。

點(diǎn)激光在掃地機(jī)器人領(lǐng)域主要發(fā)揮建圖作用，通常安裝在掃地機(jī)器人的頂部裝置上。

通過點(diǎn)激光技術(shù)，掃地機(jī)器人能夠迅速捕捉其周圍的環(huán)境信息，僅需短暫的一兩秒，即可精準(zhǔn)地掃描到機(jī)器人四周幾米內(nèi)的地形。然而，這項(xiàng)技術(shù)也存在明顯的不足。首先，它僅能檢測到與激光同一平面高度的障礙物，若障礙物低于此高度，則無法掃描到。其次，其精度雖有一定范圍，但誤差仍控制在幾厘米左右(且近距離內(nèi)可能無法檢測)，因此，雖然它可以用于構(gòu)建整體地圖，但在躲避障礙方面則顯得力不從心。

以下是在紅外相機(jī)視角下拍攝的掃地機(jī)器人LDS激光的畫面。紅框內(nèi)所示即為機(jī)器人發(fā)射的激光，清晰可見激光打在墻上形成的紅點(diǎn)。通過這一畫面，我們可以直觀地看到單點(diǎn)激光的檢測范圍局限在單一平面內(nèi)，無法檢測到高于或低于此平面的障礙物。

機(jī)器人測距?是指機(jī)器人通過內(nèi)置的傳感器或設(shè)備來測量其與周圍環(huán)境物體的距離，以便進(jìn)行導(dǎo)航、避障和路徑規(guī)劃等任務(wù)。常見的機(jī)器人測距方法包括超聲波測距、紅外測距、激光雷達(dá)(LiDAR)測距、毫米波雷達(dá)測距和視覺測距(如立體視覺和深度攝像頭)。

不同測距方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)

?超聲波測距?：通過發(fā)送超聲波信號(hào)并測量其反射回來的時(shí)間差來計(jì)算距離。優(yōu)點(diǎn)是成本低、功耗小，適合近距離測距;缺點(diǎn)是受環(huán)境因素影響大，精度不高，且不適合復(fù)雜場景?1。

?紅外測距?：通過發(fā)射紅外光并測量反射光的時(shí)間或強(qiáng)度來計(jì)算距離。優(yōu)點(diǎn)是成本低、反應(yīng)速度快;缺點(diǎn)是受環(huán)境光照影響大，對透明或黑色物體識(shí)別困難，精度較低?1。

?激光雷達(dá)(LiDAR)測距?：通過發(fā)射激光脈沖并測量反射時(shí)間來計(jì)算距離，可以實(shí)現(xiàn)高精度的三維環(huán)境建模。優(yōu)點(diǎn)是精度高、測量范圍遠(yuǎn)，適合復(fù)雜場景;缺點(diǎn)是成本高、對天氣條件敏感?1。

?毫米波雷達(dá)測距?：通過發(fā)射毫米波電磁信號(hào)并測量反射信號(hào)來計(jì)算距離和速度。優(yōu)點(diǎn)是穿透性好、適用惡劣環(huán)境;缺點(diǎn)是分辨率低，對靜止小目標(biāo)探測能力有限?1。

?視覺測距?：包括立體視覺和深度攝像頭，通過計(jì)算圖像的視差來估算距離。優(yōu)點(diǎn)是信息量大、適合復(fù)雜場景的三維建模;缺點(diǎn)是對計(jì)算資源需求高，受光照條件影響大?1。

應(yīng)用場景和具體應(yīng)用實(shí)例

?超聲波測距?常用于掃地機(jī)器人和自動(dòng)導(dǎo)引車(AGV)，用于近距離避障和導(dǎo)航?1。

?紅外測距?多用于安全監(jiān)控和近距離檢測設(shè)備?1。

?激光雷達(dá)(LiDAR)?廣泛應(yīng)用于無人駕駛汽車、無人機(jī)和自動(dòng)化倉庫，用于高精度環(huán)境建模和導(dǎo)航?1。

?毫米波雷達(dá)?多用于車載避障系統(tǒng)，特別是在惡劣天氣條件下?1。

?視覺測距?在機(jī)器人視覺系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，用于三維重建和物體識(shí)別?1。