移動機器人按照室內(nèi)外應用場景分類，可以分為室內(nèi)機器人、室外機器人。室內(nèi)機器人包括倉儲AGV、室內(nèi)掃地機器人、服務機器人、餐飲機器人等，室外機器人包括物流配送機器人、電力巡檢機器人、室外安防機器人、室外清掃機器人等。

圖1 機器人部分應用場景

當移動機器人在工作過程中，遇到如樓梯、深坑、墻壁等阻礙時，能夠及時停止并繞行，防止摔壞造成誤工是體現(xiàn)機器人智能化的重要一環(huán)。本文從各類機器人防跌落、防碰撞需求出發(fā)，介紹一款專為機器人設計的激光雷達距離傳感器TFmini-S（產(chǎn)品傳送門），并結(jié)合實際案例分別詳述其安裝方法及特點。

圖2 臺階和墻壁等阻礙物

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機器人防跌落&避障需求

機器人在選擇防跌落&避障傳感器的時候，考慮因素眾多，可以從周圍使用環(huán)境，以及障礙物的尺寸、形狀、距離位置、姿態(tài)、材質(zhì)等需求出發(fā)，選擇最佳傳感器，使機器人及時做出例如剎車、減速、轉(zhuǎn)彎等反應，避免在臺階或凹陷處跌落。

按避障距離分類:

近距離（1m內(nèi)）中距離（4m內(nèi)）遠距離（4m外）

按被測物體分類:

體積大or小，移動or靜止，顏色明or暗，材質(zhì)及平整度等等

按使用環(huán)境分類:

雨水潮濕，高溫強光，漆黑昏暗等等

圖3在黑暗環(huán)境下不同大小障礙物

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激光雷達防跌落&防撞傳感器

涉及機器人防跌落和防撞的傳感器眾多，普遍被大家所熟知的：紅外、超聲波、視覺，還有大眾認知相對較少的激光雷達。以北醒TF系列單點測距&避障激光雷達來看，其身材嬌小，波束角小誤報率低，測量精度高，刷新頻率高，滿足人眼安全，不易受到強光等外在環(huán)境干擾。最重要的是，基于北醒不斷量產(chǎn)和技術更迭，價格已不再是激光雷達傳感器的門檻。

圖4 TFmini-S激光雷達實拍圖

應用原理

通過對目標物發(fā)射一束小角度的激光或近紅外光，通過ToF (Time of Flight) 時間飛行原理，根據(jù)從物體反射回來的信號時間差來計算這段距離，從而得出物體與激光雷達的相對位置，及時躲避障礙物或深坑。

圖5 北醒激光雷達原理示意圖

表一、各傳感器優(yōu)劣分析

安裝方式

大多數(shù)機器人有兩個車輪，北醒TF系列激光雷達視場角較小（2°~3.6°），建議使用2個雷達、分別安裝在車身的左右兩側(cè)，增大探測范圍和安全冗余，若機器人本身尺寸較小，也可以機身前方僅安裝1個雷達。

雷達的安裝高度建議距離地面30~50cm，傾斜角度（如圖6所示β：雷達出光方向與水平面的夾角）建議在20-60°中間。注意：安裝時不能遮擋雷達的視場范圍，否則會造成測距不準確、有效量程衰減，在遇到波動的水面等高反光路況下，雷達數(shù)據(jù)的可信度會有所降低。多傳感器數(shù)據(jù)綜合應用是一個可以提升可靠性的方法。

圖6 北醒激光雷達安裝示意圖

舉個例子：如圖6所示，當激光雷達安裝高度42cm，即圖中AB=42cm；∠a=30°，根據(jù)三角函數(shù)得出BC=42/Sin∠a=84cm。總結(jié)：角度∠a參數(shù)建議在：20°-60°，安裝高度建議在30-50cm，否則會造成精度降低和有效量程縮短。

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案例分享

一、平衡車

機器人機身距離地面42cm高度處，安裝2臺TFmini-S分別向左下方、右下方探測，機器人直立狀態(tài)下雷達出光方向與水平地面夾角為15°，機器人在前傾、后仰過程中與地面夾角變化為10~57°，雷達實時探測機器人斜下方的距離并反饋給MCU，MCU結(jié)合雷達距離信息和機器人俯仰角度，判斷前方是否有臺階、凹陷，進而做出減速、剎車或轉(zhuǎn)向等動作。

二、防疫機器人

機器人機身距離地面30cm高度處，安裝1臺TFmini-S與地面夾角16°，傾斜探測斜下方1.1m處的障礙物，當有臺階時，雷達距離會變大，機器人根據(jù)雷達數(shù)據(jù)的變化可以做出減速直至停止運動的反應。

三、清掃機器人

機器人機身距離地面50cm高度處，安裝1臺TFmini-S與地面夾角約30°，傾斜探測斜下方1m處的障礙物，當有臺階時，雷達距離會變大，機器人根據(jù)雷達數(shù)據(jù)的變化可以做出減速直至停止運動的反應。

四、巡檢機器人

機器人機身距離地面15cm高度處，安裝1臺TFmini-S與地面夾角約60°，傾斜探測斜下方的障礙物，當有臺階或凹坑時，雷達距離會變大，機器人根據(jù)雷達數(shù)據(jù)的變化可以做出減速直至停止運動的反應。

五、醫(yī)院搬運機器人

機器人機身距離地面10cm高度處，安裝1臺TFmini Plus，傾斜探測前方50cm范圍內(nèi)是否有臺階、凹坑等影響機器人行進的物體，當雷達探測到距離發(fā)生較大變化時，機器人會做出減速停止的動作，避免整個機器人發(fā)生跌倒、損壞等事故。