機器人及無人機測距中紅外線和雷射誰更靠譜

2020-11-23 OFweek維科網

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，並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）以及雷射／雷射（Laser）等。這些技術各有其優缺點，且成本也有差異性。

其中，紅外線與雷射屬光電半導體技術，分別運用紅外線二極體（Infrared Light－Emitting Diode；IR LED）及雷射二極體（Laser Diode；LD）的發波，而後接收回波來辨識物體的距離，紅外線技術適合短距離運用，雷射技術則適合長距離範疇。另外，常見的避障技術還有無線射頻、超音波技術等，它們則常見於汽車領域應用。

紅外線角度測距原理

一般的紅外測距都是採用三角測距的原理。紅外發射器按照一定角度發射紅外光束，遇到物體之後，光會反向回來，檢測到反射光之後，通過結構上的幾何三角關係，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的探測範圍，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，對於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。

雷射相位差測距原理示意圖

常見的雷射雷達則是基於飛行時間的（ToF，time of flight），通過測量雷射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。雷射雷達包括發射器和接收器 ，發射器用雷射照射目標，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，比如使用脈衝雷射；另一種發射調頻後的連續雷射波，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製光，並測量發射和反向信號之間的相移，如下圖三。調製信號的波長為lamda＝c／f，其中c是光速，f是調製頻率，測量到發射和反射光束之間的相移差theta之後，距離可由lamda＊theta／4pi計算得到，如下圖四。

雷射雷達的測量距離可以達到幾十米甚至上百米，角度解析度高，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於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、近距離的物體那麼好的估計。並且，對於透明材料，比如玻璃，雷射雷達就無能為力了。此外，由於結構的複雜、器件成本高，雷射雷達的成本也很高。

調研機構認為，雷射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，但雷射的精確度高、可偵測的距離遠等特性，則適用於戶外高速移動系統，如高速行車、無人機飛行等。

短期內業者偏向採取折衷方式，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，並維持偵測系統價格不致於過高，以提升市場普及度。

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