本文深入探讨了立体相机将立体深度感知与3D数据结合，如何支持自主移动机器人与取放机器人等应用场景的实现。

立体相机在自主移动机器人中的应用实例。资料来源：OTTO和Gideon Brothers。

3D传感器是实现深度感知的核心技术。这些传感器广泛应用于多种常见的3D视觉技术中，例如立体相机、激光雷达（LiDAR）、飞行时间（ToF）相机和激光三角测量。 

制造商通常会根据应用场景和技术要求选择合适的3D视觉方案，不同技术各有其优势。例如，激光雷达和激光三角测量技术，由于内置诸如旋转镜等运动部件，因此不适合在恶劣环境中使用。

立体相机更适合户外应用场景，原因在于立体相机不易受到阳光直射的干扰。例如，相较于其他3D传感器，立体相机在成本方面更具优势。立体相机在计算图像中的3D数据时，相较于上述其他技术，需要更高的计算能力。同时，部分立体相机具备板载处理能力，可减轻主机的数据处理负担。此外，立体相机还可提供彩色图像和彩色点云，而其他主流3D视觉技术则通常需另配彩色相机。  

不同3D视觉技术在测量范围与精度之间往往需要权衡。

对于任何类型的视觉传感器而言，测量范围与精度之间通常存在权衡关系。例如，远程传感器的精度相对较低，而短距离传感器则具有较高的精度。在测距能力方面，激光雷达具备最远的测距能力，其次是立体相机，最后是渡越时间传感器。激光三角测量的覆盖范围虽然最短，但其精度却更高。 

远距离性能对于实现自主导航与障碍物规避至关重要，而中距离性能则更适用于拾取-放置操作。近距离范围探测主要则用于物体的识别与检查。 

立体相机的工业应用

立体相机因其在测量范围与精度方面的灵活性，广泛适用于大多数仓储机器人应用场景。这类相机具备较高的性价比，结构坚固耐用，同时可输出用于目标识别的彩色图像。  

在工业领域中，立体相机主要应用于两类机器人系统：自主移动机器人（AMR）和取放机器人。

AMR系统通过立体相机执行SLAM（同步定位与建图），一方面构建环境地图，另一方面实现自身在地图中的定位。AMR能够规划前往指定目的地的路线，同时精准检测障碍物（包括物体/行人），并灵活地在这些障碍物周围导航。 

标准立体相机在AMR应用中的特征/要求如下：

• 高帧率
• 低延迟
• 坚固可靠
• 校准保留
• 宽视野
• 远距离工作能力
• 高动态范围，以适应室内外不同光照条件

立体相机在取放机器人中的应用实例。图片来自Taiga Robotics和Kindred/Ocado。

取放机器人系统应用的关键组件包括：感知环境的视觉系统、用于数据处理和决策的控制系统，以及具备抓取或吸附功能的机械臂。此类取放机器人广泛应用于装配、码垛、拆垛及料箱分拣等多种工业任务。 

以料箱分拣为例，其目标是从容器中移除随机放置的物体。在这些应用中，视觉系统用于识别和定位目标物体，随后计算其方位，确保抓手能够精准抓取。然后，控制系统规划出机器人的移动路径，有效避开途中的障碍物。最后，机器人顺利拾起物体，并将其放置于指定位置。

标准立体相机在该类取放机器人应用中的特征/要求如下：

• 高精度
• 低延迟
• 坚固可靠
• 校准保留
• 能够在多尘/高湿度等工业环境中运行
• 针对不同大小的物体，需要在视野和工作距离上具备灵活性。 

应对3D点云、延迟与部署难题 

由于3D点云的质量依赖于图像传感器采集的数据，机器视觉中常见的一个挑战是如何确保充足照明，以避免因长时间曝光而导致的图像模糊。 

机器人的性能表现和决策能力依赖于所获取的3D点云的质量。 

3D点云质量的提升可以通过以下方式实现： 

• 提高传感器和立体分辨率，能够生成更多的3D点。 
• 随着基线增宽、分辨率提高和视野收窄，3D点的准确性得到提高。 
• 采用更先进的立体算法，获得更密集、更清晰的点云，但需注意在质量与处理速度之间找到平衡点。 
• 在低纹理场景中，利用图案投影仪，增加点云的密度。 
• 通过中值滤波、散斑滤波或时间滤波等后处理手段减少点云噪声。

延迟是指从图像被相机传感器捕获到3D数据传输至主机所需的时间。低延迟的优势在于可加快决策速度，并提高对环境变化的响应能力。同时，更快的3D数据接收还能为后续的AI处理预留更多时间。 

有助于降低系统延迟的关键因素包括： 

• 更精简的相机架构能够实现图像流水线中的并行像素处理，无需等待前一级模块完成整帧图像处理，后一级模块便可开始执行任务。 
• 立体处理速度的提升，可加快视差图的生成速度，减少延迟。 
• 增加传输带宽，可缩短从相机到主机传输数据的时间，从而减少延迟。

在系统部署用于生产后，持续监测其性能至关重要。以下是部署后可能遇到的一些实际问题：  

• 相机间歇性工作或频繁掉线，可能是由于接口连接不稳定所致。建议使用更稳定的工业接口，如以太网，替代USB。 
• 若相机因系统冲击和振动而故障，则应选择具有高可靠性、稳健性和适当IP等级的相机。
• 若机器人性能随时间下降，可能需要重新校准立体相机。

此外，校准保留对于立体相机的稳定运行至关重要。未正确校准的立体相机将影响应用的决策能力。 

此外，随着校准误差的增大，立体准确性也会降低。因此，选择能够保持良好校准的立体相机至关重要。否则，在现场部署后，需要频繁对相机进行重新校准，这在实践中也是非常不切实际的。

Bumblebee X立体相机

为满足本文所述的机器人行业专业人士的应用需求， Teledyne FLIR IIS开发了Bumblebee X立体相机，该产品配备工业级（IP67防护等级）、5千兆以太网接口，并集成板载处理能力的立体视觉系统。

Bumblebee X的主要特点包括:

• 高分辨率与高精度。
• 搭载立体图像处理算法，实现板载处理。
• 24 厘米基线的远距离工作
• 灵活的视野选项（60、80 和 105 度）
• 长时间的校准保留。
• 兼容外部图案投影仪
• 支持Robot OS和GenICam接口

*本文最初发表在 Automation World

转自：Teledyne Imaging

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