機器人/感測器/測距感測器

使用雷射雷達的機器人玩家模擬

描述

測距感測器包括無需與被檢測物體進行物理接觸的感測器。它們允許機器人看到障礙物，而無需實際接觸它。這可以防止可能的纏結，允許更好的避障（超過觸覺反饋方法），並可能允許軟體區分不同形狀和大小的障礙物。有幾種方法可以使感測器從遠處檢測障礙物。以下是幾種常見的從非常基本到非常複雜的複雜性和能力範圍的方法。以下示例僅旨在對許多常見的測距和接近感測器進行一般性瞭解，因為它們通常適用於機器人技術。每種型別都可以存在多種變化。

聲波感測器

聲波感測器使用聲波（通常是超聲波），透過介質作為其檢測手段。介質通常是大氣或水體。從某個源頭髮出聲音脈衝。然後，一個或多個接收器在聲波從任何障礙物反彈後拾取聲波。然後，以各種方式解釋這種回聲以獲取有關障礙物的資訊。

聲波測距

單一超聲波測距儀
基本聲納操作動畫

聲波測距感測器，有時被稱為聲納，發出聲音脈衝並等待回聲返回。回聲返回所需的時間用於確定到障礙物的距離。由於其簡單性和相對低廉的價格，它們在愛好和研究機器人中很受歡迎。這些感測器通常僅限於大約 6 米的範圍。發散可能是問題，因為聲波在遠離聲源移動時會迅速散開。感測器無法確定在該投影弧線上哪個位置發現了障礙物。當聲波在返回之前從多個障礙物反彈時，'鬼影'回聲也會造成問題。

• 聲波測距
  • 優點
    • 便宜
    • 易於使用
  • 缺點
    • 解析度隨距離快速下降
    • 鬼影回聲會導致錯誤讀數
    • 物體的物理特性會導致截然不同的響應

掃描測距

聲波掃描測距感測器通常被稱為（以下也是如此）聲納或聲納陣列。聲納使用與聲波測距相同的原理，但採用更復雜的檢測硬體。通常，聲納系統會產生多個聲音脈衝並利用多個探測器（稱為陣列）來計算物體的距離和形狀，其精度高於一對固定感測器/發射器可以達到的精度。然而，聲納在類似於其他聲波測距系統的環境中，效能可能很差。密集的障礙物分佈或複雜的表面可能會產生壓倒性的鬼影回聲或糟糕的回聲返回。

• 
  具有兩個發射器的紅外接近感測器
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  夏普 GP2D120 紅外測距感測器
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  雙發射器接近感測器動畫
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  簡單雷射雷達動畫
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  紅外測距感測器動畫

可見光或紅外光基礎

另一種非常流行的方法是使用投影光波（通常是紅外光）來檢測障礙物。該系統投射光脈衝並尋找反射光。分析反射光的特性以確定有關檢測到物體的特徵。光具有傳播速度極快的優勢，從而實現快速的感測器響應時間、高解析度和更少的誤差。這種型別感測器的光通常形成窄光束，或者多次使用雷射。這在遠距離提供了良好的解析度。

基本接近

最簡單的光學障礙物感測器投射光並尋找特定強度的反射光。如果反射光足夠強，則可以推斷出障礙物位於感測器一定範圍內。多個光源可以依次脈衝以在圖中所示的感測器上提供一些解析度。

測距光學感測器

光學測距感測器使用多種方法來檢測障礙物並確定範圍。最簡單的方法是使用來自障礙物的反射光的強度來估計距離。但是，這會受到障礙物顏色/反射率和外部光源的顯著影響。更常見的方法是使用以一定角度投射的光束和一排位於發射器附近的探測器，如右側的動畫所示。圖中所示的夏普感測器使用這種方法。這種方法受物體顏色/反射率和環境光的影響較小。

雷射雷達是一種更先進的測距方法，它使用雷射掃描感測器視野。反射的雷射光通常以兩種方式之一進行分析。具有更長範圍的裝置有時透過測量雷射脈衝返回到感測器的所需時間來實際確定距離。這需要極其快速的計時電路。另一種方法使用相位移檢測透過分析入射光並將入射光與參考訊號進行比較來確定範圍。