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      智能教學(xué)服務(wù)機器人的激光三角測距的研究分析

      2021-12-22 09:13:27李容宇付鏡頤董少鵬田婕黃秋瑩楊宇
      家園·電力與科技 2021年12期
      關(guān)鍵詞:激光雷達(dá)

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

      關(guān)鍵詞:激光三角測距;激光雷達(dá);正入射與斜入射

      引言

      近年來,在人工智能技術(shù)的飛躍發(fā)展下,諸多領(lǐng)域不斷走向自動化、智能化,智能化的教學(xué)服務(wù)機器人應(yīng)運而生。檢測技術(shù)對于檢測行業(yè)來說尤為重要,要求不斷嚴(yán)格,尤其是對測量精確度和測量速度要求的不斷提高,接觸式作為傳統(tǒng)的測量方法早已無法滿足此行業(yè)的需求,所以智能教學(xué)服務(wù)機器人引用激光三角測距法進(jìn)行導(dǎo)航設(shè)計。

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

      1發(fā)展背景

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

      過去,各大工廠都由于成本和體積等問題而遭到了制約,這項應(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,激光三角測距應(yīng)用到的儀器設(shè)備在性能在提高的同時,體積也在不斷的減小,生產(chǎn)成本也在不斷的下降,而此項技術(shù)的研發(fā)工作也逐漸進(jìn)入了現(xiàn)實應(yīng)用中,由實驗室逐步進(jìn)入了實際生活的方方面面。

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

      2設(shè)計方案

      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,精密檢測領(lǐng)域會廣泛應(yīng)用激光測距來實現(xiàn)高精度測量,故大體方向上采用激光測距。

      2.1激光測距的粗分

      (1)第一類測距

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

      D=VT/2(2.1)

      其式中:

      D——測站點M、N兩點間距離;

      V——光在大氣中的傳播速度;

      T——光往返M、N一次所需的時間;

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

      (2)第二類測距

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

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

      2.2初步結(jié)論

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

      3激光三角測距

      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)機器人的激光三角測距測量方案,它不僅在做工上設(shè)計很精致漂亮,還能夠進(jìn)行軟件開啟與

      暫停。RPLIDARA1因為是距核心進(jìn)行順時針旋轉(zhuǎn)測距,所以能夠進(jìn)行對周圍環(huán)境的360°全方位激光掃描測距與檢測,相比較與差點的激光雷達(dá)來說噪聲很低,并且反射檢測靈敏度還很高(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)中的激光出射機構(gòu)。在工作中,它會以脈沖的方式點亮。RPLIDARA1點亮和熄滅的次數(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,在障礙物上就會形成激光的反射現(xiàn)象,而反射的激光就會被鏡頭組進(jìn)行匯聚,最后才抵達(dá)接收機上。

      信號處理單元:信號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,接著就會對接收到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最后對所獲得的信息進(jìn)行估計與目標(biāo)物體之間的距離值。

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

      3.2激光三角法的原理

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

      激光三角測量法運用了在光空間傳遞過程中的光反射規(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相似關(guān)系,并且運用邊角關(guān)系的計算就可以出待測位置。因此,通過入射激光和待測

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

      射二個情形:

      斜入射:入射光線和待測物體表面法線夾角為 ?0;

      正入射:入射光線和待測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,入射光點到接觸透鏡光心中間的相距為AO即物距為,光通過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位置間距為y,而光斑在光敏單位上的移動位置間距為x,因此透鏡焦段為。過B和B’點后依次為A’A和AA’延長線的垂線,垂足依次為C和D。由圖可知:

      當(dāng)實際面在參考面下時取“-”,那么在參考面上時取“+”。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,那么物體移動的距離y就得以計算。

      (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°入射被測物體表面,即入射角γ=0時,為激光三角法正入射,其實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,使得在光斑中心測量難度增加,會大大地降低其測量準(zhǔn)確度;

      ③斜入射的時候光斑位置也會隨著位移量所求數(shù)值的變化而發(fā)生變化,難以完成對某固定點的測距。 ①因入射角度原因,故是斜入射的一個特例;

      ②測量精度好以及測量更穩(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距法,其斜入射物理清晰度遠(yuǎn)超過正常入射光,但因為思嵐科技公司獨有的RPVision3.0激光檢測距離引擎,使得其可以實現(xiàn)每秒最高達(dá)16000次的檢測距離精準(zhǔn)動態(tài),25米的檢測距離精度零點五徑,和高至0.225°的角度分辨率。在一次的實際測距流程中,RPLIDAR將發(fā)出通過調(diào)節(jié)的紅外激光訊號,該激光訊號在照射到目標(biāo)物件上后所形成的反光將會被RPLIDAR的圖像視覺收集管理系統(tǒng)所接收,而內(nèi)嵌于RPLIDAR內(nèi)的DSP數(shù)據(jù)處理器會將所接收到的反光加以即時解算,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通訊接口輸出。

      3.4激光三角測距法測距的特點

      (1)非接觸式測距,高精度;

      (2)大的測量范圍,對待測表面要求較低;

      (3)結(jié)構(gòu)簡單,性價比高;

      3.5激光三角測距誤差分析

      (1)激光抖動

      激光器常常會因為自身或外界原因抖動,盡管抖動角一般只有±1°,但對測量結(jié)果影響很大。

      (2)被測物體表面顏色

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

      (3)激光光斑檢測精度

      激光光斑檢測精度會對角度、l等值都會產(chǎn)生影響,從而影響測量精度。

      (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,會使得光斑尺寸隨測量范圍的增加而離焦、變大的現(xiàn)象,因此系統(tǒng)很難同時滿足高分辨率和大測量范圍的標(biāo)準(zhǔn)。

      4總結(jié)

      智能教學(xué)服務(wù)機器人基于RPLIDARA1激光雷達(dá)斜入式激光三角測距的測距方法,其中分析了不同的非接觸式測量方法及激光三角測距的根據(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和不同點,同時分析了激光三角測距的誤差,推薦低成本高性價比的此方案完成測距需求,可達(dá)到預(yù)期設(shè)計的目的。

      天津市高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目,《AI護(hù)園-智能教學(xué)服務(wù)機器人》,項目編號:202113898026

      參考文獻(xiàn):

      [1]南卓江,陶衛(wèi),趙輝.激光三角測量技術(shù)的應(yīng)用與前景[J].自動化儀表,2019,40(12):1-5

      [2]COEMA.激光三角測量技術(shù)綜述[M]光電學(xué)堂,2007-09-28

      [3]徐俊峰.激光三角測距系統(tǒng)[D].長春理工大學(xué).長春理工大學(xué).2012

      [4]王曉嘉,高雋,王磊.激光三角發(fā)綜述[N].儀器儀表學(xué)報.2004(4)

      [5]孫有春,龐亞軍,白振旭,王雨雷,呂志偉.激光三角測量法應(yīng)用技術(shù)[J].激光雜志,2021,42(04):1-8.

      [6]劉之舟.AGV激光定位導(dǎo)航算法研究及系統(tǒng)計算[D].機械科學(xué)研究總院,2018.

      [7]李高,何元烈,曾碧.三角測距激光雷達(dá)的光斑定位算法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2016,29(11):1692-1697.

      [8]于培章.激光三角法位移檢測誤差分析及改進(jìn)[D].長春理工大學(xué),

      2013.

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