Машинное зрениеБеспилотники и автономные полёты

Датчики для робота: лидар, сонар, инфракрасный дальномер и камера

Выбор датчика определяет архитектуру всего робота. Сравниваем сонар, инфракрасный дальномер, лидар, активную глубинную камеру и обычную камеру — по принципу работы, дальности и типичным проблемам.

В 2013 году, когда команда Robodem готовилась к конкурсу «Летающие роботы», она выбрала для квадрокоптера только камеру и объяснила выбор тем, что остальные датчики ограничены. С тех пор технологии изменились, но сама логика выбора осталась. Ниже — сравнение, где отмечено, что из тогдашних оценок устарело.

Сводная таблица

ДатчикЧто измеряетСильные стороныСлабые стороны
Ультразвуковой (сонар)расстояние по времени эхадёшев, прост, не зависит от освещенияширокий луч, помехи между датчиками, ложные отражения от гладких поверхностей, малая дальность
ИК-дальномеррасстояние по углу или интенсивности отражениямалые размер и цена, быстрый откликмалая дальность, зависимость от цвета и яркого света
Лидаррасстояние лазерным лучом, сканирование в плоскости или объёметочный, хорошая дальностьцена, масса и энергопотребление (особенно для 3D); чувствителен к стеклу, дождю и пыли
Активная глубинная камера (вроде Kinect)облако точек на коротких расстоянияхбыстро даёт «карту глубины» в помещениималая дальность, помехи от солнца
Камера (в том числе стерео)изображение; глубина — по стереопарепассивная, лёгкая, огромная дальность и разрешениенужны алгоритмы и вычисления; зависит от освещения

Сонар

Сонар посылает ультразвуковой импульс и измеряет время возвращения эха. Хорош для обхода близких препятствий на колёсных роботах. Проблемы: несколько датчиков могут «слышать» друг друга, а гладкая наклонная поверхность отражает звук мимо приёмника.

Инфракрасный дальномер

Простой и компактный датчик для коротких дистанций. Показания зависят от цвета, фактуры поверхности и посторонней подсветки, поэтому его удобно использовать как датчик «край стола» или «близко стена», а не для измерения точных расстояний.

Лидар

Лидар измеряет расстояние лазерным лучом. В отчёте 2013 года он назван дорогим, «не видящим объёма» и «слепнущим в ясную погоду». Сегодня эту оценку надо пересматривать: появились компактные недорогие модели, твердотельные сканеры и трёхмерные лидары, однако стекло, зеркала, сильный дождь и пыль по-прежнему создают трудности, а энергопотребление и масса для малых дронов остаются существенными.

Активные глубинные камеры

Камеры вроде Kinect проецируют структурированный инфракрасный рисунок и по его искажениям считают глубину. Отлично работают в помещении на коротких дистанциях, но на улице солнечный свет «забивает» проекцию.

Камера

Камера пассивна: она ничего не излучает и поэтому не создаёт помех другим устройствам. Масса и энергопотребление сравнимы с сонаром, скорость — с лидаром, а по дальности и разрешению у обычной оптики конкурентов мало. Цена — алгоритмы. Одна камера не даёт масштаба; для расстояний применяют стереопару, известные размеры маркера или объединение с инерциальными датчиками.

Практический пример — автономный квадрокоптер, определявший положение по крестовым маркерам на полу и точке схода коридора: полный разбор.

Как выбирать

  1. Определите среду: помещение, улица, смешанная.
  2. Оцените бюджет по массе, энергии и деньгам. Для дронов решающим бывает именно вес.
  3. Заложите резерв: два датчика разных физических принципов повышают надёжность.
  4. Сначала проверьте датчик в реальных условиях — на ветру, при бликах, в тени.