北醒（北京）光子科技有限公司

案例分享 | 移动机器人防跌落及碰撞处理办法集合

2023-03-25

移动机器人按照室内外应用场景分类，可以分为室内机器人、室外机器人。室内机器人包括仓储AGV、室内扫地机器人、服务机器人、餐饮机器人等，室外机器人包括物流配送机器人、电力巡检机器人、室外安防机器人、室外清扫机器人等。

图1 机器人部分应用场景

当移动机器人在工作过程中，遇到如楼梯、深坑、墙壁等阻碍时，能够及时停止并绕行，防止摔坏造成误工是体现机器人智能化的重要一环。本文从各类机器人防跌落、防碰撞需求出发，介绍一款专为机器人设计的激光雷达距离传感器TFmini-S（产品传送门），并结合实际案例分别详述其安装方法及特点。

图2 台阶和墙壁等阻碍物

01机器人防跌落&避障需求

机器人在选择防跌落&避障传感器的时候，考虑因素众多，可以从周围使用环境，以及障碍物的尺寸、形状、距离位置、姿态、材质等需求出发，选择最佳传感器，使机器人及时做出例如刹车、减速、转弯等反应，避免在台阶或凹陷处跌落。
按避障距离分类:
近距离（1m内）中距离（4m内）远距离（4m外）
按被测物体分类:
体积大or小，移动or静止，颜色明or暗，材质及平整度等等
按使用环境分类:
雨水潮湿，高温强光，漆黑昏暗等等

图3在黑暗环境下不同大小障碍物

02激光雷达防跌落&防撞传感器

涉及机器人防跌落和防撞的传感器众多，普遍被大家所熟知的：红外、超声波、视觉，还有大众认知相对较少的激光雷达。以北醒TF系列单点测距&避障激光雷达来看，其身材娇小，波束角小误报率低，测量精度高，刷新频率高，满足人眼安全，不易受到强光等外在环境干扰。最重要的是，基于北醒不断量产和技术更迭，价格已不再是激光雷达传感器的门槛。

图4 TFmini-S激光雷达实拍图

应用原理
通过对目标物发射一束小角度的激光或近红外光，通过ToF (Time of Flight) 时间飞行原理，根据从物体反射回来的信号时间差来计算这段距离，从而得出物体与激光雷达的相对位置，及时躲避障碍物或深坑。

图5 北醒激光雷达原理示意图

表一、各传感器优劣分析

安装方式
大多数机器人有两个车轮，北醒TF系列激光雷达视场角较小（2°~3.6°），建议使用2个雷达、分别安装在车身的左右两侧，增大探测范围和安全冗余，若机器人本身尺寸较小，也可以机身前方仅安装1个雷达。

雷达的安装高度建议距离地面30~50cm，倾斜角度（如图6所示β：雷达出光方向与水平面的夹角）建议在20-60°中间。注意：安装时不能遮挡雷达的视场范围，否则会造成测距不准确、有效量程衰减，在遇到波动的水面等高反光路况下，雷达数据的可信度会有所降低。多传感器数据综合应用是一个可以提升可靠性的方法。

图6 北醒激光雷达安装示意图

举个例子：如图6所示，当激光雷达安装高度42cm，即图中AB=42cm；∠a=30°，根据三角函数得出BC=42/Sin∠a=84cm。总结：角度∠a参数建议在：20°-60°，安装高度建议在30-50cm，否则会造成精度降低和有效量程缩短。

03案例分享

一、平衡车

机器人机身距离地面42cm高度处，安装2台TFmini-S分别向左下方、右下方探测，机器人直立状态下雷达出光方向与水平地面夹角为15°，机器人在前倾、后仰过程中与地面夹角变化为10~57°，雷达实时探测机器人斜下方的距离并反馈给MCU，MCU结合雷达距离信息和机器人俯仰角度，判断前方是否有台阶、凹陷，进而做出减速、刹车或转向等动作。

二、防疫机器人

机器人机身距离地面30cm高度处，安装1台TFmini-S与地面夹角16°，倾斜探测斜下方1.1m处的障碍物，当有台阶时，雷达距离会变大，机器人根据雷达数据的变化可以做出减速直至停止运动的反应。

三、清扫机器人

机器人机身距离地面50cm高度处，安装1台TFmini-S与地面夹角约30°，倾斜探测斜下方1m处的障碍物，当有台阶时，雷达距离会变大，机器人根据雷达数据的变化可以做出减速直至停止运动的反应。

四、巡检机器人

机器人机身距离地面15cm高度处，安装1台TFmini-S与地面夹角约60°，倾斜探测斜下方的障碍物，当有台阶或凹坑时，雷达距离会变大，机器人根据雷达数据的变化可以做出减速直至停止运动的反应。

五、医院搬运机器人

机器人机身距离地面10cm高度处，安装1台TFmini Plus，倾斜探测前方50cm范围内是否有台阶、凹坑等影响机器人行进的物体，当雷达探测到距离发生较大变化时，机器人会做出减速停止的动作，避免整个机器人发生跌倒、损坏等事故。

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