李容宇 付鏡頤 董少鵬 田婕 黃秋瑩 楊宇

摘要：步入科技高新化的21世紀(jì)以來(lái)，人工智能技術(shù)不斷突破發(fā)展，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的應(yīng)用在潛移默化之中改變了人們的生活。近年來(lái)，智能機(jī)器人技術(shù)日新月異，本項(xiàng)目智能教學(xué)服務(wù)機(jī)器人是一款室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人，引用激光三角測(cè)距法作為其導(dǎo)航的首選方案。本文主要淺析智能教學(xué)服務(wù)機(jī)器人的激光雷達(dá)基于激光三角斜入射測(cè)距的原理，并和正入射進(jìn)行比較。

關(guān)鍵詞：激光三角測(cè)距;激光雷達(dá);正入射與斜入射

引言

近年來(lái)，在人工智能技術(shù)的飛躍發(fā)展下，諸多領(lǐng)域不斷走向自動(dòng)化、智能化，智能化的教學(xué)服務(wù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。檢測(cè)技術(shù)對(duì)于檢測(cè)行業(yè)來(lái)說(shuō)尤為重要，要求不斷嚴(yán)格，尤其是對(duì)測(cè)量精確度和測(cè)量速度要求的不斷提高，接觸式作為傳統(tǒng)的測(cè)量方法早已無(wú)法滿足此行業(yè)的需求，所以智能教學(xué)服務(wù)機(jī)器人引用激光三角測(cè)距法進(jìn)行導(dǎo)航設(shè)計(jì)。

具有良好的精確性和實(shí)時(shí)性的非接觸式測(cè)量成為當(dāng)下測(cè)量領(lǐng)域的熱點(diǎn)。激光三角測(cè)距法是非接觸式下光電檢測(cè)技術(shù)中激光雷達(dá)設(shè)計(jì)方案，具有實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)，在一定程度上對(duì)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展具有一定的啟示作用。

1發(fā)展背景

一九六零年，美國(guó)物理學(xué)家希爾多·梅曼發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，激光測(cè)距術(shù)也隨之誕生，它的主要功能是用來(lái)解決精密測(cè)距這一重大困難。

過(guò)去，各大工廠都由于成本和體積等問(wèn)題而遭到了制約，這項(xiàng)應(yīng)用未能遍及。近些年，隨著電子科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是在圖像檢測(cè)用電子芯片領(lǐng)域的迅速發(fā)展像半導(dǎo)體激光器和CCD等，激光三角測(cè)距應(yīng)用到的儀器設(shè)備在性能在提高的同時(shí)，體積也在不斷的減小，生產(chǎn)成本也在不斷的下降，而此項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)工作也逐漸進(jìn)入了現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，由實(shí)驗(yàn)室逐步進(jìn)入了實(shí)際生活的方方面面。

目前，激光測(cè)距傳感器朝著小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高精度以及高適用范圍的方向來(lái)發(fā)展，特別是數(shù)字處理技術(shù)的飛速發(fā)展，激光測(cè)距技術(shù)將會(huì)變的更完善。

2設(shè)計(jì)方案

單向性好、亮度高、能量集中以及穩(wěn)定是激光所具有的特有標(biāo)簽，精密檢測(cè)領(lǐng)域會(huì)廣泛應(yīng)用激光測(cè)距來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，故大體方向上采用激光測(cè)距。

2.1激光測(cè)距的粗分

（1）第一類測(cè)距

我們可以假設(shè)光的速度為V，在空中傳播時(shí)在M、N兩點(diǎn)之間來(lái)回一次后所需要的時(shí)間為T，那么在M、N兩點(diǎn)間相距的D便可以用下列表示：

D=VT/2（2.1）

其式中：

D——測(cè)站點(diǎn)M、N兩點(diǎn)間距離;

V——光在大氣中的傳播速度;

T——光往返M、N一次所需的時(shí)間;

故從上式中可知，要測(cè)定M、N距離其實(shí)也就是要測(cè)定光傳遞的時(shí)間T，而激光測(cè)距通常按照測(cè)定時(shí)間方式的不同，分成了脈沖式和相位式。

（2）第二類測(cè)距

激光位移傳感器，能夠運(yùn)用激光技術(shù)的高方位性、高單色性和高光度等特性，可進(jìn)行無(wú)接觸式的遠(yuǎn)距離檢測(cè)。激光位移傳感器（磁致伸縮移動(dòng)感應(yīng)器）正是運(yùn)用了激光技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn)生產(chǎn)的新型檢測(cè)儀器，它的問(wèn)世，使移動(dòng)檢測(cè)的準(zhǔn)確度、安全性都得以了很大的改善，也為非接觸位移檢測(cè)提出了更有效的測(cè)量方法。

根據(jù)檢測(cè)原理，激光定位傳感器原理主要包括激光三角測(cè)量法和激光返波解析法，激光三角測(cè)量法通常應(yīng)用于精確、短時(shí)間內(nèi)的檢測(cè)，而激光返波分法則適用于長(zhǎng)距離檢測(cè)。

2.2初步結(jié)論

智能教學(xué)服務(wù)機(jī)器人的工作空間設(shè)定在了教室，所以作為室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人，考慮到成本以及精度因素，首選設(shè)計(jì)方案為基于激光雷達(dá)的激光三角測(cè)量法。

3激光三角測(cè)距

3.1激光雷達(dá)

（1）激光雷達(dá)的選取

選取思嵐RPLIDARA1激光雷達(dá)作為智能教學(xué)服務(wù)機(jī)器人的激光三角測(cè)距測(cè)量方案，它不僅在做工上設(shè)計(jì)很精致漂亮，還能夠進(jìn)行軟件開(kāi)啟與

暫停。RPLIDARA1因?yàn)槭蔷嗪诵倪M(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)測(cè)距，所以能夠進(jìn)行對(duì)周圍環(huán)境的360°全方位激光掃描測(cè)距與檢測(cè)，相比較與差點(diǎn)的激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)噪聲很低，并且反射檢測(cè)靈敏度還很高（可以掃描到毛玻璃）。

（2）激光雷達(dá)的四大核心組件

如下圖：

激光器：是激光雷達(dá)中的激光出射機(jī)構(gòu)。在工作中，它會(huì)以脈沖的方式點(diǎn)亮。RPLIDARA1點(diǎn)亮和熄滅的次數(shù)是16000下每秒。

接收器：當(dāng)激光器所發(fā)出的激光照射到障礙物時(shí)，在障礙物上就會(huì)形成激光的反射現(xiàn)象，而反射的激光就會(huì)被鏡頭組進(jìn)行匯聚，最后才抵達(dá)接收機(jī)上。

信號(hào)處理單元：信號(hào)處理單元主要有二種作用，第一是負(fù)責(zé)遙控激光器的發(fā)射，接著就會(huì)對(duì)接收到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后對(duì)所獲得的信息進(jìn)行估計(jì)與目標(biāo)物體之間的距離值。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：由激光器、接收機(jī)、信號(hào)處理單元三個(gè)組件，形成了激光雷達(dá)測(cè)量的核心部件。而由于這些核心部件都是在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以固定的速度控制下完成了轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可以直接對(duì)所在平面進(jìn)行掃描，從而獲取同步的平面圖信號(hào)。

3.2激光三角法的原理

激光三角測(cè)量法的設(shè)置與雙目立體視覺(jué)很像，只是將其中的一個(gè)LCD換成了laser。

激光三角測(cè)量法運(yùn)用了在光空間傳遞過(guò)程中的光反射規(guī)律及其近似三角的基本原理，在接收透鏡的物空間和像空間之間形成了一個(gè)相似關(guān)系，并且運(yùn)用邊角關(guān)系的計(jì)算就可以出待測(cè)位置。因此，通過(guò)入射激光和待測(cè)

物質(zhì)表面法線之間的角度，即可把激光三角法測(cè)量結(jié)果分成正入射和斜入

射二個(gè)情形：

斜入射：入射光線和待測(cè)物體表面法線夾角為 ?0;

正入射：入射光線和待測(cè)物體表面法線夾角為 ?0。

（1）斜入射激光三角法

如圖3.3所示的光路圖為斜入射式的光路圖。通過(guò)發(fā)送透鏡的激光束與法線方向形成夾角γ，然后由接受透鏡接受入射在被測(cè)物表層激光的散射光，再經(jīng)濾光片，最后由感光單元的CCD采集。

如圖，可知激光束與法線方位相互之間的夾角是，反射激光束AA’與法線方位相互之間的夾角是，在光敏單位與AA’相互之間的角度為，入射光點(diǎn)到接觸透鏡光心中間的相距為AO即物距為，光通過(guò)透鏡后在光敏單位成像間距為OA’，也就是物像距為，光隨參考平面的移動(dòng)位置間距為y，而光斑在光敏單位上的移動(dòng)位置間距為x，因此透鏡焦段為。過(guò)B和B’點(diǎn)后依次為A’A和AA’延長(zhǎng)線的垂線，垂足依次為C和D。由圖可知：

當(dāng)實(shí)際面在參考面下時(shí)取“-”，那么在參考面上時(shí)取“+”。其中l(wèi)1、l2、α、β、γ、f在系統(tǒng)光路確定后，即可作為已知條件，若能求出光敏單元上的位移x，那么物體移動(dòng)的距離y就得以計(jì)算。

（2）正入射激光三角法

如圖3.4所示的光路圖，在此光路系統(tǒng)中，激光光束以90°入射被測(cè)物體表面，即入射角γ=0時(shí)，為激光三角法正入射，其實(shí)也可成為特殊的斜入射。

①能適應(yīng)較為復(fù)雜的環(huán)境;

②斜入射會(huì)導(dǎo)致物體表面光斑面積增大，并且由于能量分配的不平衡，使得在光斑中心測(cè)量難度增加，會(huì)大大地降低其測(cè)量準(zhǔn)確度;

③斜入射的時(shí)候光斑位置也會(huì)隨著位移量所求數(shù)值的變化而發(fā)生變化，難以完成對(duì)某固定點(diǎn)的測(cè)距。 ①因入射角度原因，故是斜入射的一個(gè)特例;

②測(cè)量精度好以及測(cè)量更穩(wěn)定;

③容易出現(xiàn)不適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的情況。

Rplidara1型激光雷達(dá)所使用的是斜入射的激光三角測(cè)距法，其斜入射物理清晰度遠(yuǎn)超過(guò)正常入射光，但因?yàn)樗紞箍萍脊惊?dú)有的RPVision3.0激光檢測(cè)距離引擎，使得其可以實(shí)現(xiàn)每秒最高達(dá)16000次的檢測(cè)距離精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)，25米的檢測(cè)距離精度零點(diǎn)五徑，和高至0.225°的角度分辨率。在一次的實(shí)際測(cè)距流程中，RPLIDAR將發(fā)出通過(guò)調(diào)節(jié)的紅外激光訊號(hào)，該激光訊號(hào)在照射到目標(biāo)物件上后所形成的反光將會(huì)被RPLIDAR的圖像視覺(jué)收集管理系統(tǒng)所接收，而內(nèi)嵌于RPLIDAR內(nèi)的DSP數(shù)據(jù)處理器會(huì)將所接收到的反光加以即時(shí)解算，而最后被照射到的目標(biāo)物件和RPLIDAR間的平均間距值及其與當(dāng)前的夾角訊息都將被通過(guò)通訊接口輸出。

3.4激光三角測(cè)距法測(cè)距的特點(diǎn)

（1）非接觸式測(cè)距，高精度;

（2）大的測(cè)量范圍，對(duì)待測(cè)表面要求較低;

（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比高;

3.5激光三角測(cè)距誤差分析

（1）激光抖動(dòng)

激光器常常會(huì)因?yàn)樽陨砘蛲饨缭蚨秳?dòng)，盡管抖動(dòng)角一般只有±1°，但對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大。

（2）被測(cè)物體表面顏色

不同顏色的被測(cè)物體-->不同的反射和散射特定-->探測(cè)器CCD接收到不同的光強(qiáng)-->影響精度。

（3）激光光斑檢測(cè)精度

激光光斑檢測(cè)精度會(huì)對(duì)角度、l等值都會(huì)產(chǎn)生影響，從而影響測(cè)量精度。

（4）入射光束的景深限制

當(dāng)采用一般的高斯光束聚焦為入射光時(shí)，會(huì)使得光斑尺寸隨測(cè)量范圍的增加而離焦、變大的現(xiàn)象，因此系統(tǒng)很難同時(shí)滿足高分辨率和大測(cè)量范圍的標(biāo)準(zhǔn)。

4總結(jié)

智能教學(xué)服務(wù)機(jī)器人基于RPLIDARA1激光雷達(dá)斜入式激光三角測(cè)距的測(cè)距方法，其中分析了不同的非接觸式測(cè)量方法及激光三角測(cè)距的根據(jù)入射角不同的斜入射和直入射兩種方法原理及比較共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，同時(shí)分析了激光三角測(cè)距的誤差，推薦低成本高性價(jià)比的此方案完成測(cè)距需求，可達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的目的。

天津市高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，《AI護(hù)園-智能教學(xué)服務(wù)機(jī)器人》，項(xiàng)目編號(hào)：202113898026

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