據麥姆斯咨詢報道，近期，盧布爾雅那大學（University of Ljubljana）研究了利用固定反射鏡和棱鏡重定向基于光的飛行時間（time-of-flight，ToF）測距裝置（通常稱為脈沖激光雷達）視場（field of view，FOV）的可行性，以備將來在機器人中使用。這項研究使用定制的基于過閾時間法（time-over-threshold，TOT）行走誤差補償的直接飛行時間（dToF）測距裝置來評估FOV重定向光學元件對測距準確性和精確性的影響。
研究人員使用的測距裝置
近年來，機器人在工業領域的使用方式發生了變化。機器人和人類的工作空間開始重疊，這是通過引入協作機器人實現的，協作機器人的設計使其不會傷害人類。固有安全性主要源于監測作用在機器人上的力，并在測量值超過計算出的預期值時停止運動。除了使用設計成不會傷害人類的機器人外，還可以使用速度和分離監測（speed and separation monitoring，SSM）技術。這種方法正變得越來越普遍。SSM最簡單的形式是使用工業2D激光雷達掃描儀來監測機器人的周圍環境。通過使用深度相機監測機器人的環境，可以實現進一步的改進。這樣，不僅可以確定操作員站在哪里，還可以確定操作員是否朝著機器人的方向移動，從而實現更精細的SSM。從單一視場觀察機器人周圍環境的一個問題是遮擋。為了更好地測繪機器人的周圍環境，可以使用放置在不同位置的多個深度相機。另一種可用于解決遮擋的方法是在機器人上安裝互補深度相機或激光ToF接近傳感器。類似的安全系統可以通過在機器人上分布獨立的接近傳感器來實現，而無需使用外部深度相機。為了充分利用這種配置的優勢，必須考慮傳感器的位置和方向，以實現最大的數據吞吐量，同時最大限度地減少盲點，因為當其視場重疊時，傳感器可能會相互干擾。傳感器的讀出可用于實現連續的SSM響應（在檢測到障礙物時減速或停止），或實現高級防撞算法。
目前使用ToF接近傳感器的相關研究都依賴于將其安裝在機器人上，從而可能在機器人周圍引入了無法檢測到目標的巨大盲區。盧布爾雅那大學的研究人員認為，模擬在機器人上分布多個獨立的ToF傳感器的效果是一種很有前途的方法。這可以通過在機器人的末端安裝一個具有多個視場的集中式測距儀，并通過反射鏡或棱鏡將其視場分布在關節上來實現。使用集中式多視角測距裝置可以實現更好的性能或更低的系統成本，因為一些通用組件可以被所有通道重復使用。
基于光的ToF測距裝置的不同運行區域圖
在現代激光雷達掃描儀中，使用位于盲區內的反射鏡重定向激光雷達的FOV是一種常見做法。但是目前對于重定向元件可能位于測距裝置視場內任何位置的研究要少得多。值得注意的例外是，使用反射鏡擴大掃描激光雷達視場的研究，以及通過反射部分深度相機的FOV來實現三維物體捕捉的模擬多深度相機裝置的研究。這些研究證明，反射鏡可以用于重定向基于光的ToF測距裝置的FOV，但沒有詳細說明反射鏡是如何影響測量特性的。為了探索為機器人配備具有重定向FOV的多視角光ToF測距裝置的方向，盧布爾雅那大學電氣工程學院的研究人員分析了在預期真實條件下的反射鏡和棱鏡在距離測距裝置不同距離處，對其測距性能的影響。研究人員選擇了基于TOT的行走誤差補償的dToF測量方法，因為它不需要很長的積分時間，因此具有更高的測量速率，并且僅引入可忽略的運動模糊。
激光ToF測距裝置框圖
在這項研究中，研究團隊探討了前表面反射鏡（front surface mirror/first surface mirror）、常規反射鏡以及減反射膜棱鏡對具有基于TOT的行走誤差補償的光ToF測距裝置性能的影響。在目標以1厘米的增量移動的情況下，對反射鏡或棱鏡進行了11個距離的測量。結果表明，直接測量與FOV中有干凈反射鏡的測量之間沒有顯著差異。此外，前表面反射鏡和常規反射鏡之間也沒有顯著差異。當對反射鏡進行除塵后，只要反射面在部分盲區內或更近，測量結果基本上與直接測量相同。除此之外，灰塵反射的光會引入負測量誤差，當目標更遠時，這種誤差會更加明顯；當反射鏡更靠近測距裝置時，這種影響也更為明顯。在重定向光學器件和測距裝置之間超過一定距離后，灰塵對測量的影響變得無法檢測。未來可能會探索一種檢測和補償反射鏡上灰塵反射的方法，以確定使用反射鏡重定向FOV是否具有在工業環境中應用的潛力。
在前表面反射鏡和常規反射鏡上測量的測量誤差
這項研究還測驗了棱鏡用于重定向dToF測距裝置的FOV的可用性。只要整個棱鏡在測距裝置的部分盲區內或更近，就可以觀察到設定距離和測量距離之間的強相關性，即使寄生反射對測量有一定影響。在棱鏡放置更遠的情況下，當目標移動時，寄生反射會迅速超過目標反射的強度，此時測量值趨于平穩。這是在棱鏡最佳狀態下觀察到的，即帶有減反射膜的干凈棱鏡。這項研究結果表明，除非發射和接收光路可以完全分離，否則棱鏡通常不是實現既定目標的可行選擇。
減反射膜棱鏡的測量結果
論文信息：https://doi.org/10.3390/app12147121
延伸閱讀：
《汽車激光雷達（LiDAR）專利全景分析-2022版》
《飛行時間（ToF）傳感器技術及應用-2020版》
