深度传感器过滤出室外使用的环境红外光

微软Kinect是机器人研究人员的福音。这种廉价的、现成的深度传感器使他们能够快速、经济地制作创新系统的原型，使机器人能够绘制、解释和导航他们的环境。

然而，像Kinect这样使用红外光测量深度的传感器，会被周围的红外光所迷惑。即使在室内，它们也往往需要弱光条件，而在室外，它们就没有希望了。

在5月举行的机器人与自动化国际会议上，麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的研究人员将展示一种新的红外深度传感系统，该系统由智能手机构建，并连接了一个10美元的激光器，该系统在室外和室内都能工作。

研究人员设想，内置廉价红外激光器的手机可以被安装到个人交通工具中，比如高尔夫球车或轮椅，从而帮助它们实现自动驾驶。该系统的一个版本也可以内置到小型自主机器人中，比如亚马逊提出的送货无人机，这种机器人在不可预测的环境中广泛部署，将禁止使用昂贵的激光测距仪。

“我的团队一直在大力推动一种以设备为中心的智慧城市方法，而不是今天主要以车辆或基础设施为中心的方法，”开发该系统的电气工程和计算机科学教授裴立玄(Li-Shiuan Peh)说。“这是因为手机的升级和更换周期比汽车更快。汽车每十年更换一次，而手机每一两年更换一次。这导致今天的司机只使用手机GPS，因为它运行良好，无处不在，并保持最新。我相信设备行业将越来越多地推动未来的交通运输。”

论文的作者Jason Gao是麻省理工学院电子工程和计算机科学博士生，也是Peh小组的成员之一。

背景噪音

红外深度传感器有几种类型，但它们都向环境发射激光并测量反射。来自太阳或人造光源的红外光会淹没反射信号，使测量变得毫无意义。

作为补偿，商用激光测距仪使用更高能量的光爆发。但为了限制眼睛损伤的风险，这些爆发需要非常短。探测这种短暂的反射需要复杂的硬件，这使得设备的成本高达数千美元。

相反，Gao和Peh的系统执行几项测量，将它们定时到低能光爆发的发射。从本质上讲，它可以捕获四帧视频，其中两帧记录激光信号的反射，另外两帧只记录周围的红外光。然后，它简单地从其他测量中减去环境光。

在他们的原型中，研究人员使用了一台带有每秒30帧(fps)相机的手机，因此捕捉四张图像会造成大约八分之一秒的延迟。但是240帧/秒的相机，可以将延迟减少到60秒，已经商业化了。

该系统使用一种称为主动三角测量的技术。该激光器安装在原型机的底部，在一个单一的平面上发光。因此，可以从光线落在相机的2D传感器上的位置测量返回光线的角度。

全球替换

在3到4米的深度范围内，系统测量深度的精度以毫米为单位，而在5米的深度范围内，精度下降到6厘米。研究人员在一辆由新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟开发的无人驾驶高尔夫球车上测试了他们的系统，发现它的深度分辨率应该足以应对时速高达15公里的车辆。

然而，即将到来的摄像技术进步可能会改善这些数字。目前，大多数手机相机都有所谓的滚动快门。这意味着相机在移动到下一排光电探测器之前从一排光电探测器上读取测量值。持续三十分之一秒的曝光实际上可能包含一千个连续的一行测量。

在Gao和Peh的原型中，发出的光脉冲必须持续足够长的时间，以便无论它恰好击中哪一行，它的反射都会被记录下来。然而，未来的智能手机相机将有一个“全局快门”，这意味着它们将同时读取所有光电探测器的测量值。这将使该系统能够发出更短的光爆发，从而具有更高的能量，增加有效范围。

麻省理工学院(MIT)

www.mit.edu

- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程,cvavra@cfemedia.com。查看更多控制工程过程传感器和执行器的故事。

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