掃地機(jī)中采用的線激光避障技術(shù)

隨著科技的發(fā)展，掃地機(jī)逐漸走進(jìn)千家萬戶。過往掃地機(jī)因避障能力差，工作時(shí)處處碰壁，被戲稱為“人工智障”，經(jīng)過近幾年的發(fā)展，掃地機(jī)已能很好地解決避障問題，算是對(duì)得起“人工智能”的稱號(hào)了。其實(shí)這一進(jìn)步，恰恰就是核心避障功能模塊技術(shù)的進(jìn)步。

常見的避障方案有哪些？

①   紅外對(duì)管避障（短距離感應(yīng)且無測(cè)距功能）

②   單雙目避障（高清晰度，但深度信息不能直接獲取）

③   結(jié)構(gòu)光避障（距離遠(yuǎn)，可測(cè)距，一定情況下受環(huán)境光干擾）

④   紅外PSD傳感避障（短距離，可測(cè)距，但精度不高）

⑤   3D TOF（更多用于掃地機(jī)頂部LIDAR偏向于導(dǎo)航和二維平面建模，輔助避障）

除了紅外對(duì)管避障和紅外PSD傳感避障以外，我們來說說目前市面上主流的另外4種避障技術(shù)

基于可見光的單目攝像頭 和 雙目攝像頭

基于不可見光-紅外光的 3D TOF和 3D結(jié)構(gòu)光--雙線激光

單/雙目攝像頭避障技術(shù)——視覺避障

單目避障，障礙物的形狀通過單個(gè)攝像頭來記錄，再由算法來識(shí)別當(dāng)前物體的大小和距離，但是對(duì)于數(shù)據(jù)庫內(nèi)不存在的物體則無法進(jìn)行判斷。而雙目避障則不會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，除了擁有視覺識(shí)別特有的優(yōu)勢(shì)以外，雙目避障系統(tǒng)通過雙攝像頭所記錄的信息，利用平行拍攝的方法，識(shí)別兩個(gè)攝像頭所記錄圖像的差別，可以提供更多的數(shù)據(jù)用于識(shí)別障礙物的種類。綜合來說，從實(shí)用性的角度來考量，使用雙目識(shí)別技術(shù)的掃地機(jī)器人能更好地適應(yīng)工作環(huán)境，同時(shí)就避障性能來說，也能夠識(shí)別出更多種類的障礙物，然后再通過數(shù)據(jù)庫和算法選擇應(yīng)對(duì)方式。

3D TOF避障技術(shù)——更多偏向于LIDAR導(dǎo)航和二維平面建模

TOF技術(shù)從它的名字上就能大概了解其原理——time of flight，飛行時(shí)間，主要是通過發(fā)射光線，光線遇到不可穿透物體會(huì)發(fā)生反射，通過記錄反射光達(dá)到接收器的時(shí)間，由于光速和光波長已知，來計(jì)算光源和物體的距離。此技術(shù)更多使用單點(diǎn)TOF方案，用于掃地機(jī)頂部的LIDAR通過轉(zhuǎn)向掃描獲得環(huán)境深度信息來輔助避障，但更多的是偏向于最終達(dá)到導(dǎo)航和二維平面建模的效果。

3D結(jié)構(gòu)光避障技術(shù)——掃地機(jī)中更多采用線激光

3D結(jié)構(gòu)光方案，其原理是采用紅外光源，發(fā)射出來的光經(jīng)過一定的編碼投影在物體上，這些圖案通過物體表面反射回來時(shí)，隨著物體距離的不同會(huì)發(fā)生不同的形變，圖像傳感器將形變后的圖案拍下來。隨后，通過計(jì)算拍下來的圖案里的每個(gè)像素的變形量，來得到對(duì)應(yīng)的視差，進(jìn)而得到深度值。不過結(jié)構(gòu)光方案測(cè)距范圍受光斑圖案影響，避障范圍較小。另外強(qiáng)光環(huán)境下表現(xiàn)差，容易受光線影響。

雙線激光

兩根交叉的線激光共同工作，再通過掃地機(jī)的移動(dòng)來建立立體地圖。雙線激光避障的優(yōu)勢(shì)是對(duì)抗環(huán)境光干擾能力相對(duì)比較強(qiáng)；面對(duì)暗光環(huán)境，當(dāng)光線變暗時(shí)，相機(jī)里的物體就基本看不清了，而在紅外光的補(bǔ)光作用下，掃地機(jī)依然能夠清晰看到前方的路，其實(shí)可以理解成掃地機(jī)器人一直拿著手電筒照射前方，而這個(gè)手電筒出來的光，我們?nèi)说娜庋劭床坏?。而?duì)于強(qiáng)光環(huán)境，環(huán)境光中的紅外光比較強(qiáng)烈，這個(gè)時(shí)候就需要機(jī)器里的紅外光足夠的強(qiáng)來削弱環(huán)境光中的干擾。

掃地機(jī)里采用的線激光，并不是一直持續(xù)輸出的，而是按照一定的頻率來工作的。在相同的單位時(shí)間里，只要線激光模組更頻繁地工作，掃地機(jī)就能獲得更多的信息，從而幫助掃地機(jī)更快地判斷出障礙物，所以不管是面對(duì)突然出現(xiàn)的人，寵物或者是其他雜物，掃地機(jī)都能判斷障礙并躲開。

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采用線激光模組是掃地機(jī)避障功能未來的一個(gè)大趨勢(shì)

基于線激光技術(shù)和SLAM（即時(shí)定位和地圖構(gòu)建）智能算法的結(jié)合，掃地機(jī)可實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境障礙物精細(xì)識(shí)別，和實(shí)現(xiàn)更高的清掃效率和自動(dòng)化程度。

線激光模組實(shí)時(shí)掃描周圍環(huán)境

不僅如此，掃地機(jī)采用的雙線激光避障方案配合激光雷達(dá)技術(shù)，在掃描過程中，還可以建立環(huán)境3D模型、優(yōu)化清掃路徑、精準(zhǔn)躲避障礙物等。由于采用的是紅外光，人體用肉眼是無法看到的，只能通過紅外攝像頭觀察到這種線激光，對(duì)于人眼來說也是安全的。

紅外攝像頭下采用線激光模組的掃地機(jī)工作情況

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配合SLAM智能算法和線激光模組的掃地機(jī)工作路線情況

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檸檬光子—性能突出的點(diǎn)/線激光模組供應(yīng)商

隨著激光類器件在機(jī)器人產(chǎn)品上的應(yīng)用越來越廣泛，從商用的掃地機(jī)、AGV、送餐機(jī)等，到民用的掃地機(jī)、電動(dòng)工具等終端應(yīng)用紛紛出現(xiàn)了點(diǎn)/線激光模組的身影。

檸檬光子作為國內(nèi)Vcsel芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)企業(yè)，不但可以提供行業(yè)通用型的點(diǎn)/線激光模組，還可根據(jù)終端客戶的應(yīng)用場景，提供個(gè)性化定制的產(chǎn)品解決方案。

產(chǎn)品解決方案一覽

為了解決不同方案的相關(guān)問題，檸檬光子分別針對(duì)性地提出了多種解決方案。

分別是：

?面向三角法測(cè)量立體視覺的VCSEL點(diǎn)激光模組方案

?面向dToF的多結(jié)VCSEL點(diǎn)激光模組方案

?面向ToF的大角度平頂光場VCSEL線激光模組方案

?面向ToF的大角度平頂光場HCSEL線激光模組方案

以下是詳細(xì)介紹。

1.面向三角法測(cè)量立體視覺的VCSEL點(diǎn)激光模組方案

在應(yīng)用相對(duì)廣泛的立體視覺和ToF方案中，傳統(tǒng)的激光雷達(dá)光源一般采用邊發(fā)射激光器 （EEL）。針對(duì)于此，檸檬光子基于自主研發(fā)的高性能垂直腔面發(fā)射激光芯片（VCSEL）和水平腔面發(fā)射激光芯片（HCSEL），為主流的LDS SLAM系統(tǒng)提供性能更優(yōu)異的激光光源方案。

檸檬光子的VCSEL系列點(diǎn)激光模組（如圖一）采用定制的VCSEL單點(diǎn)芯片，相比于傳統(tǒng)EEL準(zhǔn)直模組，具有溫漂系數(shù)小，光斑圓度和均勻度高，抗靜電能力強(qiáng)，可靠性高，易于封裝和性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)。該產(chǎn)品已通過多家激光雷達(dá)方案商和智能機(jī)器人終端客戶性能及可靠性驗(yàn)證，并進(jìn)入批量生產(chǎn)。

圖一：檸檬光子面向三角法測(cè)量激光雷達(dá)的VCSEL點(diǎn)光源模組

2.面向dToF的多結(jié)VCSEL點(diǎn)激光模組方案

 檸檬光子還推出了業(yè)界領(lǐng)先的多結(jié)VCSEL芯片系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品峰值電光轉(zhuǎn)換

效率可達(dá)56%（如圖二）。

圖二：檸檬光子多結(jié)VCSEL芯片實(shí)測(cè)LI和PCE數(shù)據(jù)（測(cè)試條件：200ms脈沖寬度，1%占空比）

可以看出，該系列產(chǎn)品具有高功率密度、高可靠性和優(yōu)異的高溫性能等特點(diǎn)，廣泛適用于短脈沖（ns級(jí)）和高峰值功率應(yīng)用。多結(jié)技術(shù)代表著 VCSEL 行業(yè)的下一個(gè)飛躍，為機(jī)器視覺應(yīng)用領(lǐng)域帶來諸多優(yōu)勢(shì)。 高功率密度可以減小封裝尺寸，優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，而高電光轉(zhuǎn)換效率可以降低整機(jī)熱負(fù)載，高斜率效率則可以降低脈沖電流，進(jìn)而提升驅(qū)動(dòng)芯片的切換速度。

綜上所述，VCSEL技術(shù)相較于EEL的諸多優(yōu)勢(shì)，基于多結(jié)VCSEL的點(diǎn)激光準(zhǔn)直模組可望優(yōu)勢(shì)替代傳統(tǒng)EEL模組，使得dToF激光雷達(dá)方案能夠更廣泛地應(yīng)用于機(jī)器人視覺領(lǐng)域。

3.面向TOF的大角度平頂光場VCSEL線激光模組方案

檸檬光子VCSEL系列線激光模組采用定制的VCSEL陣列芯片和特殊設(shè)計(jì)的大角度線鏡，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量線型光場。其相對(duì)傳統(tǒng)的EEL 線光源的優(yōu)勢(shì)如下：

（1）行業(yè)首創(chuàng)大角度平頂光場：無邊緣斷線的120度大角度平頂光場分布，邊緣能量更強(qiáng)，更利于大角度雷達(dá)彌補(bǔ)邊緣能量（見圖四中與傳統(tǒng)EEL模組的光場分布對(duì)比）；

（2）激光線寬更窄：能量更集中，在空域有效提高信噪比；

（3）溫漂系數(shù)?。菏?span>EEL的1/5，接收端可采用更窄帶濾光片，在頻域有效提高信噪比；

（4）更高可靠性：VCSEL發(fā)光面比EEL均勻，相對(duì)功率密度高，可靠性更好；

（5）性價(jià)比高：VCSEL在芯片、封裝和模組組裝等方面提供更優(yōu)化的成本。

圖三：檸檬光子面向線結(jié)構(gòu)光避障雷達(dá)的VCSEL線激光模組

(a)                                     （b）     

圖四：檸檬光子VCSEL線光源和EEL線光源的光場圖對(duì)比：

（a）檸檬VCSEL線光源實(shí)現(xiàn)120度光場，其中平頂光分布大于90度；

（b）傳統(tǒng)EEL線光源呈近高斯光場分布，邊緣能量不滿足傳感信號(hào)需求，且大角度處出現(xiàn)斷線

檸檬光子--線激光模組呈M型光場分布，邊緣能量強(qiáng)的M型光場分布，更利于大角度雷達(dá)彌補(bǔ)邊緣能量；遠(yuǎn)場窄邊能量更集中。

檸檬光子-線模組實(shí)測(cè)光斑

檸檬光子-線模組大角度方向光場分布              小角度方向光場分布

808nm線激光選型表-節(jié)選

4.面向ToF的大角度平頂光場HCSEL線激光模組方案

檸檬光子的HCSEL激光芯片結(jié)合了EEL高功率輸出和VCSEL更適合大規(guī)模量產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，可同時(shí)滿足激光雷達(dá)普及應(yīng)用對(duì)激光光源的三大需求：更高峰值功率、更小光譜溫度漂移和更長的激光波段，從而實(shí)現(xiàn)更長的3D感測(cè)距離、更高信噪比和人眼安全防護(hù)。

相比VCSEL及EEL，HCSEL芯片技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：

（1）超高的功率，可實(shí)現(xiàn)單管峰值功率數(shù)百瓦；

（2）大輸出口徑賦予芯片更高的可靠性；

（3）光譜線寬窄，波長穩(wěn)定，便于3D傳感和LiDAR應(yīng)用有效濾除噪聲；

（4）優(yōu)異的光束質(zhì)量降低光學(xué)整形難度和提高光場利用率；

（5）優(yōu)異的偏振度利于傳感探測(cè)和光學(xué)合束；

（6）簡單的芯片制造工藝從理論上保證更可控的成本。

由于線掃描的3D傳感方案具有相對(duì)較高的方案集成度，以及相對(duì)低成本的更成熟的線陣光電接收芯片，使得線掃描方案已經(jīng)越來越多的受到傳感行業(yè)的關(guān)注。

而傳統(tǒng)的EEL和VCSEL激光芯片由于其較大的遠(yuǎn)場發(fā)散角，很難通過diffuser直接形成相對(duì)低成本、小體積的均勻線光斑。

檸檬光子的新型HCSEL激光芯片憑借其一個(gè)方向近乎準(zhǔn)直的出光發(fā)散角，可以大大提高經(jīng)diffuser整形過后的光場銳利度和均勻度，在較小的封裝尺寸內(nèi)，實(shí)現(xiàn)理想的線光斑。這點(diǎn)從2W VCSEL和HCSEL經(jīng)過同一120度 x 1度diffuser之后的光場效果對(duì)比（圖五）可見。

(a)                            （b）

圖五：VCSEL和HCSEL芯片經(jīng)120度 x 1度diffuser的光場對(duì)比：

（a）VCSEL不通過準(zhǔn)直鏡，光場無法被diffuser壓縮，光束發(fā)散，雜散光形成噪聲；

（b）HCSEL直接通過diffuser便形成銳利的線光斑，線寬更窄，均勻度更好。

圖六： 基于4037封裝形式的HCSEL線激光投射模組

檸檬光子的HCSEL新型半導(dǎo)體激光器芯片作為下一代新型ToF光源，將會(huì)以更高性能、更高可靠性和更低成本的特性，將3D傳感應(yīng)用提升到一個(gè)新的高度。

目前檸檬光子可提供2~50W峰值功率的HCSEL線激光投射光源，已有多家國際知名廠商采用HCSEL芯片技術(shù)方案。

檸檬光子致力于開發(fā)高性能激光芯片及光源模組，努力為蓬勃發(fā)展的智能機(jī)器人行業(yè)提供一站式半導(dǎo)體激光光源解決方案。

檸檬光子Hcsel線激光模組在掃地機(jī)中的應(yīng)用

隨著掃地機(jī)市場的發(fā)展，掃地機(jī)無論從外觀還是成本上都會(huì)進(jìn)一步地壓縮，或許未來掃地機(jī)頂部的雷達(dá)會(huì)被取代，取而代之的將會(huì)是更高集成度的激光模塊，而更高集成度的模塊不再位于掃地機(jī)頂部，而是存在于機(jī)身內(nèi)，檸檬光子的大角度平頂光場Hcsel線激光模組恰恰可以契合掃地機(jī)這一未來走勢(shì)，為掃地機(jī)的降本和“瘦身”提供了2個(gè)方案選擇。

1.  掃地機(jī)身2側(cè)配合2組大角度平頂光場Hcsel線激光模組，覆蓋掃地機(jī)前方大角度面積范圍。

2.  掃地機(jī)加裝1組大角度平頂光場Hcsel線激光模組，再配合檸檬光子獨(dú)自開發(fā)的光學(xué)方案，只用1組Hcsel線激光模組就能覆蓋遠(yuǎn)端和近端環(huán)境， 并發(fā)出8條線激光的效果。

關(guān)于檸檬光子

深圳市檸檬光子科技有限公司是一家由半導(dǎo)體激光行業(yè)海歸專業(yè)團(tuán)隊(duì)和風(fēng)險(xiǎn)投資以及產(chǎn)業(yè)投資機(jī)構(gòu)共同創(chuàng)辦的高科技企業(yè)，致力于高端半導(dǎo)體激光芯片以及激光投射光源模組的產(chǎn)業(yè)化。公司擁有國際領(lǐng)先的全方位半導(dǎo)體激光技術(shù)和工藝，包括獨(dú)家擁有的新一代激光芯片技術(shù)。公司以自主的核心技術(shù)為基礎(chǔ)，致力于打造一站式半導(dǎo)體激光芯片及光源解決方案的核心光源元器件供應(yīng)商。