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激光雷达是机器人眼和耳

2016-12-30 11:25
Timeless落尘
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对于车主而言,雷达测距并不陌生。在高速行车时,雷达测距可以让车自动保持车与车的距离,车子会自动向前行驶,车主可以不用踩油门。当然方向还是要车主控制的。而且,使用雷达测距时,行车还能检测到前方车辆,并自己保持车距;当车距过近时,还会自动降低速度。

这么看来,虽然雷达测距并没有解放司机的双手,但是起码解放了一只脚(踩油门的那只脚),也算是无人驾驶的先行者了。

然而,雷达测距不止用在车子上面。

汽车雷达测距

雷达是机器的眼和耳

雷达,是“无线电探测与定位”的英文缩写,用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置、与目标的距离、方问、速度等状态参数主要由天线、发射机、接收机(包括信号处理机)和显示器等部分组成。

如果用通俗一点的话,那么,雷达所起的作用跟眼睛或者耳朵相似,当然,它不再是大自然的杰作。其测量距离的原理如下:测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差,因电磁波以光速传播,据此就能换算成雷达与目标的精确距离。

雷达的种类繁多,分类的方法也非常复杂。一般为军用雷达。通常可以按照雷达的用途分类,如预警雷达、搜索警戒雷达、引导指挥雷达、炮瞄雷达、测高雷达、战场监视雷达、机载雷达、无线电测高雷达、雷达引信、气象雷达、航行管制雷达、导航雷达以及防撞和敌我识别雷达等。

按雷达信号形式分类,有脉冲雷达、连续波雷达、脉部压缩雷达和频率捷变雷达等;按角跟踪方式分类,有单脉冲雷达、圆锥扫描雷达和隐蔽圆锥扫描雷达等;按目标测量的参数分类,有测高雷达、二坐标雷达、三坐标雷达和敌我识对雷达、多站雷达等;按雷达频段分,可分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等。

由于雷达有着白天黑夜均能探测,且不受雾、云和雨的阻挡,具有全天候、全天时的特点,并有一定的穿透能力的优点,所以,不仅成为军事上必不可少的电子装备,而且广泛应用于其他领域,如气象预报、资源探测、环境监测等,甚至涉及到一定的科学研究,如天体研究、大气物理、电离层结构研究等。

现在,雷达测距也被用在最潮流的行业——机器人领域。那么,雷达在机器人领域都发挥着哪些作用?目前应用率如何呢?

机器人的好助手

雷达在移动机器人导航中的应用日益增多,特别是激光雷达。这主要是由于激光雷达距离测量技术具有很多优点,与其它距离传感器相比,能够同时考虑精度要求和速度要求,这一点特别适用于移动机器人领域。

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大狗机器人在用激光雷达测量

工作在红外和可见光波段的,以激光为工作光束的雷达称为激光雷达,是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统,激光雷达为机器人的导航提供了良好的方法。

有些机器人的自由行走其实是具有欺骗性的,它们采用的是遥控或者预先设定程序的方式。机器人的“真正自由行走”应该是能识别障碍物、通过拐弯、停止等实现主动避障、并实现自主规划路线,激光雷达就是解决阻碍机器人普及瓶颈的重要方法。

要想让机器人行走,首先得要让它看见——除了算法,还有重要的硬件设备——激光雷达。激光雷达可以让机器人向目标发射激光探测信号,然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较,作适当处理后,获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。

机器人的“看见”其实是在定位自己、定位目标物,以及进行地图构建。

一位动手能力超强的电子制作达人,花了半年时间制作了一款“全能型雷达攻击机器人”。采用的就是超声波雷达测距,不仅能识别主人的鞋子在哪儿,还能把鞋子拿给主人。

机器人爱好者自制的雷达测距机器人

目前,激光雷达应用较多的领域是扫地机器人,主要实现避障以及自动规划路径的目的。

现在一些入门级的扫地机器人,其实扫地过程比较简单,大多只是具有包括N字形清扫能力,清扫覆盖面积也难以评估保证。据扫地机器人专家表示,其根本原因就是其“看不见”,无法自由行走。这时候,激光雷达就起到了扫地机器人眼睛的作用,让它实现有目的地清扫。

激光雷达应用出现短板

激光雷达这么好,为什么目前市面上很少看见使用激光雷达的机器人?

目前,在全世界范围内,除了部分中国企业外,仅有日本德国等少数几个企业有能力生产激光雷达,但其价格都不低。比如说,谷歌无人车的激光雷达的价格更是在1万美元以上(据称是7万美元)。一般服务机器人完全承受不起这么贵的元器件。

这么贵也是有理由的,一般激光雷达在技术研发上有一定的难度。

技术上,精度越高越好,达到毫米级精度的就更不容易了,想达到这样的精度,工艺上有很大的难题:

精度上,要想达到远距离毫米级精度,对光学及测量工艺其实都有很大的要求。

速度上,其实传统的激光测距仪价格并不贵,淘宝上可能几百块钱就可能买上一个,但其测量速度特别慢,可能需要几秒钟才能完成,而激光雷达,需要在一秒内完成几千上万次的测量。所以传统激光雷达的价格也非常贵。


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