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雷射測距儀及相關研究

第二章 文獻探討與回顧

2.3 雷射測距儀及相關研究

在本研究中,雷射測距儀需要協助移動機器人進行導航和地圖建構的 任務。因此,在本節中會針對雷射測距儀的原理特性與應用範圍進行探討。

2.3.1 雷射測距儀的原理和特性

雷射測距儀[23] 的量測原理與雷達相同,其原理為利用測距儀中的雷射 二極體發射出雷射脈衝,當雷射光遇到物體反射回到測距儀後,測距儀利用 光電二極體接收雷射光。藉由計算雷射脈衝發射到返回掃描儀之間的時間差,

進而推算出雷射測距儀和物體兩者之間的距離,此方法稱為飛行時間法或是 時間差法(Time-of-fight Method, TOF)。

然而,雷射脈衝為一種經振盪增幅的可見光,因此接觸到黑色物體時,

其能量會被吸收導致能量衰減,所以雷射測距儀無法量測黑色物體。除此之 外,雷射若打在會反光的物體,例如鏡子,或者是發生全反射時,其雷射光 會被該物體的表面反射到其它地方,而導致所量測的距離數值無法量測到正

確的數值。因此,在利用雷射測距儀進行量測時,應該要避免黑色和反光的 物體。本文所使用的雷射測距儀有兩種,一種為 SICK LMS100,另一種為 Hokuyo URG-04LX,分別如圖 2-9 與圖 2-10。

2.3.2 雷射測距儀的應用

在雷射測距儀開發出來之後,由於其量測的準確度比聲納較好[24],因 此許多研究紛紛改為利用雷射測距儀。以下將針對現今利用雷射測距儀完 成任務的領域分別作介紹:

1. 逆向工程(Reverse Engineering)

在建築工程和結構工程領域中,具有高準確度的雷射測距儀對 於 3D 模型建構與分析是非常好的得力幫手。隨著技術的進步,使 得雷射測距儀能夠在短時間內擷取到細微的距離資訊,並且能夠取 得大範圍的資料,使得工程師能夠藉由所得到的資訊加以分析物體 的表面和內部構造[25]。

圖 2-9 SICK 雷射測距儀 圖 2-10 Hokuyo 雷射測距儀

在製造工程中,為了能夠製造出品質優良的產品,許多研究多 使用雷射測距儀進行產品 3D 建模與重建。因此,在汽車工業中也 常見此項技術。利用雷射從車門取得的資訊進行去除雜訊和校正後,

建構出車門的基本模型,接著建構出表面,最後進行 3D 建模[26]。

隨著雷射測距儀掃描技術的發展,在牙醫領域中也逐漸使用類 似的系統進行口腔修復。藉由建構出病人口腔的 3D 模型讓醫生能 夠更加了解病人的情形,並且精準地進行牙齒修復或重建[27]。

2. 物體辨識和追蹤(Object Recognition and Tracking)

在物體辨識方面,研究者利用雷射測距儀取得雷射掃描影像,

並以掃描影像進行物體辨識。雷射掃描影像中包含物體的距離資訊,

並將距離資訊投影到3D空間。首先,將這些距離資訊進行梯度分類 (Gradient-Based Classification) , 接 著 再 利 用 遞 迴 物 件 連 通 標 記 (Recursive Connected Component Labeling, RCCL)標記相連的區域,

進而進行物體辨識[28]。

在[29]中,Ryosuke Murai等人將自主型機器人放在醫院這類的 動態環境中,並且利用雷射測距儀判斷前方是否有輪椅或病人以方 便閃避。在[30]中,洪榮裔將雷射測距儀裝置在一個掃描機構上,藉 由改變雷射測距儀掃描的俯角以截取一個平面的雷射掃描影像。利 用擷取到的雷射掃描影像辨別是否有人跌倒的情形。

在物體追蹤方面,研究者利用雷射測距儀量測環境,藉由取得 的距離資訊,分析其中的變化來辨別環境中人或是物體如何移動。

此研究可以應用在大型購物商場來判斷人潮移動方向[31][32]。

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