基于近距离的测距感知传感器调研以及扩展介绍
首先想實(shí)現(xiàn)的目的是：（有兩個(gè)，第一個(gè)是距離檢測(cè)；第二個(gè)是已完成的碼垛箱體邊緣位置檢測(cè)。）
1、在碼垛機(jī)器人的三面裝上傳感器，實(shí)現(xiàn)前、左、右的距離感知。（環(huán)境是：機(jī)器人需要進(jìn)入碼頭的大集裝箱里邊，實(shí)現(xiàn)在集裝箱內(nèi)部的碼垛，該集裝箱內(nèi)部是類(lèi)似于鋸齒狀的結(jié)構(gòu)，所以左右不能用點(diǎn)激光來(lái)進(jìn)行距離的檢測(cè)，至少應(yīng)該是線激光。前邊要檢測(cè)的是距離已完成的碼垛箱體的距離位置。）
2、找到已完成的部分碼垛的箱體的邊緣位置，從而引導(dǎo)下一步碼垛時(shí)的位置矯正。
---------------------1針對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題的調(diào)研：
首先與偉景公司進(jìn)行溝通，他們推薦使用基于tof原理來(lái)實(shí)現(xiàn)左右距離的感知：
(1)TOF：OF是3D深度攝像頭的其中一種方案，是結(jié)構(gòu)光的同門(mén)師弟。TOF是“time-of-flight”的簡(jiǎn)稱(chēng)，也叫“飛行時(shí)間測(cè)距法“。
原理是通過(guò)向目標(biāo)物體打光，測(cè)量光在鏡頭和物體之間傳輸時(shí)間來(lái)測(cè)距，通過(guò)這些數(shù)據(jù)來(lái)判斷這個(gè)物體距離我們有多遠(yuǎn)，進(jìn)而知道畫(huà)面里每一個(gè)物體的距離，從而實(shí)現(xiàn)深度圖，最后就可以直接繪制出立體圖像達(dá)成3D立體深度感應(yīng)。
(2)基于TOF的光源分類(lèi)：
不同類(lèi)型TOF相機(jī)會(huì)使用不同的光源，有LED的，也有激光的。
(3)介紹：
TOF這個(gè)3D模塊中最核心的器件在于TOF芯片，它集眾多功能于一身，包括驅(qū)動(dòng)投射器，接收反射光線，進(jìn)而生成raw圖，再送給軟件處理成深度信息。
(4)TOF與結(jié)構(gòu)光比較
- TOF的工作距離比結(jié)構(gòu)光要遠(yuǎn)很多，所以比較適合用在手機(jī)的后置攝像頭中，用于體感游戲。
? ? ?? 結(jié)構(gòu)光的工作距離非常近，所以一般都用在手機(jī)的前攝像頭用來(lái)進(jìn)行人臉識(shí)別，如：iPhone X 的新款手機(jī)。
- TOF技術(shù)發(fā)射的不是散斑或編碼圖案，而是面光源，在一定距離內(nèi)光信息不會(huì)出現(xiàn)大量的衰減，配合TOF芯片背照式的、大pixel size的設(shè)計(jì)，大幅提升了光線收集率和測(cè)距速度，使遠(yuǎn)距離應(yīng)用成為可能。這也是TOF可以被用作手機(jī)后攝，而結(jié)構(gòu)光無(wú)法用作后攝的原因之一。
? ? ? ? 3D結(jié)構(gòu)光投射的是散斑或編碼圖案，接收模組需要拍攝到清晰的圖案才能計(jì)算出深度。而隨著距離的增加，投出的圖案或出 ? ? ?? 現(xiàn)模糊，或出現(xiàn)亮度能量上的衰減，導(dǎo)致深度圖不完整，出現(xiàn)破洞，甚至于失效，所以3D結(jié)構(gòu)光并不適用于遠(yuǎn)距離深度信息 ? ? ?? 采集。
以下表中的?是表示不是很理解原因？
| ? | TOF | 結(jié)構(gòu)光 |
| 基礎(chǔ)原理 | 紅外光反射時(shí)間差 | 單相機(jī)和投影條紋斑點(diǎn)編碼 |
| 響應(yīng)時(shí)間 | 快 | 慢 |
| 低光環(huán)境表現(xiàn) | 良好（紅外激光） | 良好，取決于光源 |
| 強(qiáng)光環(huán)境表現(xiàn) | 中等 | 弱 |
| 深度精確度 | 低 | 中等 |
| 分辨率 | 低 | 中等 |
| 識(shí)別距離 | 中等（1-10m），受光源強(qiáng)度限制 | 短，受光斑圖案影響 |
| 軟件復(fù)雜度 | 中等 | 中等 |
| 材料成本 | 中等 | 高 |
| 功耗 | 低 | 中等 |
| 缺點(diǎn) | 總體性能好，平面分辨率低？ | 容易受光照影響？ |
以下是3D視覺(jué)方案對(duì)比：
| 3D視覺(jué)方案對(duì)比 | |||
| 方案 | 3D結(jié)構(gòu)光方案 | TOF方案 | 雙目視覺(jué)方案 |
| 基礎(chǔ)原理 | 散斑結(jié)構(gòu)光 | 飛行時(shí)間 | 視差算法 |
| 光源 | 15000個(gè)散斑 | 均勻面光源 | 無(wú)（被動(dòng)式） |
| 工作距離 | 0.2m到1.2m | 0.4m到5m | |
| 深度精度？ | 高 誤差0.5%-0.1% | 中 誤差0.5%-1% | 差 誤差5%-10% |
| XY發(fā)分辨率？ | 高 | 低 | 中 |
| 低光表現(xiàn) | 高 | 高 | 低 |
| 室外表現(xiàn)（日光） | 低 | 中 | 高 |
| 功耗 | 中 | 中 | 高 |
| 應(yīng)用范圍 | 人臉識(shí)別、人臉支付 | 3D建模、AR應(yīng)用、體感游戲 | 背景虛化 |
什么是主動(dòng)式什么是被動(dòng)式：
首先，不加驗(yàn)證的給出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)結(jié)論（不保證全場(chǎng)景正確），目前我們使用的任何與定位或者避障方案都無(wú)可避免的使用了波。擴(kuò)展一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，我們想觀察一個(gè)實(shí)體實(shí)物，如果不準(zhǔn)接觸（甚至接觸的也得用，腦電，心電），那似乎也只有波能滿足我們的需求了主動(dòng)的或者被動(dòng)的，主動(dòng)的就是設(shè)備主動(dòng)發(fā)出波，并接受反饋回來(lái)的波，進(jìn)行分析（時(shí)間，圖案，相位，攜帶信息…）從而得出探測(cè)信息或者相對(duì)位置信息。被動(dòng)的就是自己不發(fā)射波，但接受自然界本來(lái)有的波（相機(jī)），來(lái)獲取相關(guān)信息。
-------擴(kuò)展-----
我們平時(shí)會(huì)使用到的應(yīng)該是有：
- 超聲波測(cè)距
- 毫米波雷達(dá)
- 激光雷達(dá)
- 固態(tài)雷達(dá)
- RGBD攝像頭
- 雙目攝像頭（上邊已涉及）
- 單目攝像頭
- TOF 飛行時(shí)間（上邊已涉及）
- 三角測(cè)距
- 結(jié)構(gòu)光（上邊已涉及）
雖然這些詞匯一起出現(xiàn)的頻率很高，但事實(shí)上之前在用的時(shí)候經(jīng)常并不能確定某個(gè)方案所使用的技術(shù)細(xì)節(jié)究竟是什么樣的，例如，掃地機(jī)器人究竟用了哪個(gè)雷達(dá)，而這個(gè)雷達(dá)又用了什么技術(shù)呢？
我們無(wú)論是要避障，還是定位，都離不開(kāi)獲取測(cè)量被測(cè)物體與測(cè)量裝置之間的相對(duì)位置關(guān)系，而根據(jù)被測(cè)物體的任意點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系，我們可以獲得被測(cè)物體的整體位置信息甚至組成三維結(jié)構(gòu)。
（1）TOF 飛行時(shí)間測(cè)距法
根據(jù)初中物理知識(shí)，由于能檢測(cè)波的速度是確定的，所以我們可以很容易的根據(jù)這個(gè)時(shí)間確定物體距離。目前使用這種方案測(cè)量的設(shè)備不在少數(shù)，而根據(jù)所使用的的波不同（種類(lèi)不同或者波長(zhǎng)不同），即可有超聲波，毫米波雷達(dá)，激光雷達(dá)等等不同的實(shí)現(xiàn)手段。
- 超聲波
超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。
| 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn) | 典型值（技術(shù)細(xì)節(jié)不同，值范圍可能會(huì)較大） |
|---|---|
| 探測(cè)距離 | 10米或100米，大部分實(shí)現(xiàn)在10米以內(nèi) |
| 精度 | 厘米級(jí)，分辨力極低，幾十度 |
| 成本 | 極低，百元以內(nèi) |
| 缺陷 | 反射面是平面（適用場(chǎng)景少）？？？ |
| 缺陷 | 速度慢，聲波速度340 m/s |
| 缺陷 | 對(duì)灰塵等環(huán)境適應(yīng)性差 |
- 毫米波雷達(dá)
毫米波雷達(dá)指工作在毫米波波段的雷達(dá)。通常毫米波是指30～300GHz頻域(波長(zhǎng)為1～10mm)的電磁波，毫米波雷達(dá)分為遠(yuǎn)距離雷達(dá)（LRR）和近距離雷達(dá)（SRR），由于毫米波在大氣中衰減弱，所以可以探測(cè)感知到更遠(yuǎn)的距離，其中遠(yuǎn)距離雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)200m的感知與探測(cè)。毫米波雷達(dá)的多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，使其目前在汽車(chē)防撞傳感器中占比較大。目前市場(chǎng)主流使用的車(chē)載毫米波雷達(dá)按照其頻率的不同，主要可分為兩種：24GHz毫米波雷達(dá)和77GHz毫米波雷達(dá)。通常24GHz雷達(dá)檢測(cè)范圍為中短距離，用作實(shí)現(xiàn)BSD（BlindSpotDectection，盲點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng))，而77GHz長(zhǎng)程雷達(dá)用作實(shí)現(xiàn)ACC（AdaptiveCruiseControl，自適應(yīng)巡航系統(tǒng)）。
PS：毫米波在雷達(dá)中應(yīng)用的主要限制有：雨、霧和濕雪等高潮濕環(huán)境的衰減，以及大功率器件和插損的影響降低了毫米波雷達(dá)的探測(cè)距離；樹(shù)叢穿透能力差，相比微波，對(duì)密樹(shù)叢穿透力低；元器件成本高，加工精度相對(duì)要求高。
| 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn) | 典型值（技術(shù)細(xì)節(jié)不同，值范圍可能會(huì)較大） |
|---|---|
| 探測(cè)距離 | 最大200米，典型10米左右 |
| 頻段 | 24GHZ（民用）；60GHZ；77GHZ（車(chē)用） |
| 精度 | 厘米級(jí) |
| 成本 | 低，千元或更低 |
| 優(yōu)勢(shì) | 不受光線塵埃影響 |
| 缺陷 | 傳播耗損較大，易被人體等吸收 |
| 缺陷 | 分辨率不高，3度以上 |
- 激光雷達(dá)（上邊是波，到這里shi）
激光雷達(dá)是目前無(wú)人駕駛中最重要的傳感器，原理是激光器發(fā)射一個(gè)激光脈沖，并由計(jì)時(shí)器記錄下出射的時(shí)間，回返光經(jīng)接收器接收，并由計(jì)時(shí)器記錄下回返的時(shí)間。兩個(gè)時(shí)間相減即得到了光的“飛行時(shí)間”，而光速是一定的，因此在已知速度和時(shí)間后很容易就可以計(jì)算出距離。
PS：在TOF方案中，距離測(cè)量依賴(lài)于時(shí)間的測(cè)量。但是光速太快了，因此要獲得精確的距離，對(duì)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的要求也就變得很高。一個(gè)數(shù)據(jù)是，激光雷達(dá)要測(cè)量1cm的距離，對(duì)應(yīng)的時(shí)間跨度約為65ps，導(dǎo)致激光雷達(dá)的價(jià)格較高。
? ?? 激光雷達(dá)的另一個(gè)重要的指標(biāo)是線數(shù)。按線數(shù)分類(lèi)的話有常見(jiàn)的有單線，4線，16線，32線,64線等
? ?? 單束激光發(fā)射器在激光雷達(dá)內(nèi)部進(jìn)行勻速的旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度即發(fā)射一次激光，輪巡一定的角度后，就生成了一幀完整的數(shù)據(jù)。因此，單線激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)可以看做是同一高度的一排點(diǎn)陣。
? ?? 單線激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)缺少一個(gè)維度，只能描述線狀信息，無(wú)法描述面。也就無(wú)法得到物體垂直于激光雷達(dá)發(fā)射平面的高度信息。
? ?? 多線雷達(dá)是目前自動(dòng)駕駛最主要使用的雷達(dá)，但售價(jià)極高。見(jiàn)介紹鏈接：https://blog.csdn.net/m0_37957160/article/details/108793973
? ? 另外，目前低成本單線激光雷達(dá)（淘寶上幾百塊到幾千塊的）的并不是基于Tof方案，而是采用了三角測(cè)距方案。
| 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn) | 典型值（技術(shù)細(xì)節(jié)不同，值范圍可能會(huì)較大） |
|---|---|
| 探測(cè)距離 | 200米 |
| 頻段 | 3.846×10^14 Hz到7.895×10^14 Hz |
| 精度 | 毫米（近距離）-厘米級(jí) |
| 成本 | 高，價(jià)格根據(jù)線數(shù)不等 16線國(guó)產(chǎn) 2.8萬(wàn) 國(guó)外4.0萬(wàn) |
| 優(yōu)勢(shì) | 精準(zhǔn)，分辨率高，速度快 |
| 缺陷 | 陰雨天，濃霧等天氣無(wú)法工作 |
-------3D成像方法總結(jié)：以下要介紹的是真正的3D成像，得到物體三維的圖形，是立體的圖像。而不是利用人眼視覺(jué)差異的特點(diǎn)，錯(cuò)誤感知到的假三維信息。
在原理上分為以下幾類(lèi)：
- 雙目視覺(jué)（雙目立體視覺(jué)法(Stereo Vision)）
- 激光三角（激光三角法(Laser triangulation)）
- 結(jié)構(gòu)光（結(jié)構(gòu)光3D成像(Structured light 3D imaging)）
- ToF（飛行時(shí)間法ToF（Time of flight））
- 光場(chǎng)（光場(chǎng)成像法（Light field of imaging））
- 全息（全息投影技術(shù)(Front-projected holographic display)）
而激光雷達(dá)不是3D成像原理上的一個(gè)分類(lèi)，而是一種具體方法。
激光雷達(dá)的3D成像原理有：三角測(cè)距法、飛行時(shí)間ToF法等。
激光雷達(dá)按照實(shí)現(xiàn)方式分類(lèi)有：機(jī)械式、混合固態(tài)、基于光學(xué)相控陣固態(tài)?、基于MEMS式混合固態(tài)、基于FLASH式固態(tài)等。
（結(jié)構(gòu)光與激光：激光是光源的一種，是由發(fā)光機(jī)理決定的。 廣義上，可以說(shuō)任意光源，包括激光、LED發(fā)的光、汞燈、熒光甚至太陽(yáng)光等，經(jīng)過(guò)調(diào)制變成具有一定結(jié)構(gòu)的光都可以叫結(jié)構(gòu)光）
?
?
?
?
?
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的基于近距离的测距感知传感器调研以及扩展介绍的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
- 上一篇： C++中的.hpp理解
- 下一篇： 随笔：送给初次使用PCL库的小伙伴