一種三維測(cè)距裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種三維測(cè)距裝置，特別涉及一種用于移動(dòng)機(jī)器人的三維測(cè)距裝置，屬于移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境感知【技術(shù)領(lǐng)域】。包括光源、反光鏡、聚光鏡、幻燈片、投影物鏡、攝像頭和圖像處理器。光源、反光鏡、聚光鏡、幻燈片和投影物鏡組成投影系統(tǒng)，將幻燈片上的等間距圓斑圖形投射到移動(dòng)機(jī)器人前方空間，攝像頭和圖像處理器組成的圖像測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量視場(chǎng)中各個(gè)投影光斑的直徑，就可計(jì)算出該投影光斑處的物體距離。本實(shí)用新型的測(cè)距裝置，無(wú)需使用三維掃描機(jī)構(gòu)，就能進(jìn)行三維測(cè)距，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量速度快，成本低廉，不存在激光測(cè)距裝置的安全性問(wèn)題，可用于環(huán)境感知精度和測(cè)量速度要求較高的場(chǎng)合。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種三維測(cè)距裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及ー種三維測(cè)距裝置，特別涉及一種用于移動(dòng)機(jī)器人的三維測(cè)距裝置，屬于移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境感知【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]距離測(cè)量是移動(dòng)機(jī)器人感知環(huán)境和完成其它高級(jí)任務(wù)(如自主導(dǎo)航、避開(kāi)障礙、地圖生成和環(huán)境建模等)的必要基礎(chǔ)。目前用于移動(dòng)機(jī)器人的測(cè)距技術(shù)有:
[0003]( 1)雙目視覺(jué)測(cè)距。利用兩臺(tái)位置相互固定的攝像機(jī)組成雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)同一景物在兩臺(tái)攝像機(jī)上成像的視差恢復(fù)出景物深度，從而獲得距離信息。雙目視覺(jué)測(cè)量方法在原理上非常簡(jiǎn)單，可用于三維測(cè)距，但由于光照、噪聲和畸變等因素的影響，導(dǎo)致目標(biāo)點(diǎn)投影到兩臺(tái)攝像機(jī)上的像點(diǎn)特性不同，很難從兩臺(tái)攝像機(jī)拍攝的圖像中找到對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)，因此目前雙目視覺(jué)測(cè)距技術(shù)還不成熟，同時(shí)視覺(jué)圖像的處理過(guò)程復(fù)雜，需要較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，無(wú)法適應(yīng)實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合。
[0004](2)超聲波測(cè)距。超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波發(fā)射器發(fā)射高頻超聲波脈沖，超聲波在空氣介質(zhì)中行進(jìn)一段距離，遇到障礙物后反射，由接收器接收返回的超聲波。測(cè)量超聲波從發(fā)射器發(fā)射到碰到障礙物反射回接收器的時(shí)間，根據(jù)超聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度與超聲波頻率，就可計(jì)算出機(jī)器人距障礙物的距離。超聲傳感器體積小、價(jià)格低，目前已在移動(dòng)機(jī)器人獲得廣泛應(yīng)用，但超聲波測(cè)距在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在明顯的不足:超聲波在空氣中傳播有較大的能量衰減，最大測(cè)量距離有限；超聲波的波束角較大，使得反射目標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確方位難以確定，因此超聲波測(cè)距技術(shù)僅能用在對(duì)環(huán)境感知精度要求不高的場(chǎng)合，如只是大致知道一下前方是否有較大的障礙物。
[0005](3)紅外測(cè)距。紅外測(cè)距通過(guò)紅外信號(hào)發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號(hào)，當(dāng)紅外信號(hào)遇到障礙物被反射，由紅外信號(hào)接收管接收返回的紅外信號(hào)。測(cè)量紅外信號(hào)從發(fā)射管發(fā)射到碰到障礙物反射回接收管的時(shí)間，就可獲得障礙物的距離。紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外信號(hào)具有有一定的發(fā)散角度，無(wú)法確定反射目標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確方位。另外，由于自然界的所有物體只要溫度高于OK都會(huì)輻射紅外線，室內(nèi)墻壁也會(huì)將紅外信號(hào)反射到紅外接收管，使得紅外測(cè)距精度受環(huán)境影響很大，紅外測(cè)距技術(shù)也只能用于對(duì)環(huán)境感知精度要求不高的場(chǎng)合。
[0006](4)激光測(cè)距。激光測(cè)距原理與超聲波和紅外測(cè)距原理類(lèi)似，利用激光脈沖發(fā)射和接收之間的飛行時(shí)間來(lái)計(jì)算測(cè)量距離。激光的準(zhǔn)直性能好，可以對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行精確測(cè)距，為了獲得前方扇形平面區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的距離，必需要増加二維掃描裝置，使激光束進(jìn)行扇形掃描(圖1)。激光測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，適于對(duì)環(huán)境感知精度要求較高的場(chǎng)合，缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高，難以在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域推廣應(yīng)用。若要對(duì)三維空間的物體測(cè)距，還需使用三維掃描裝置，大幅度増加了系統(tǒng)的體積、復(fù)雜性和成本。另外，脈沖激光束是能量非常集中的単色光源，掃描測(cè)距時(shí)若直接照射到人眼，會(huì)對(duì)人眼造成嚴(yán)重?fù)p傷。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型的目的是提出一種三維測(cè)距裝置，利用光學(xué)成像技術(shù)和圖像測(cè)量技術(shù)，直接測(cè)量三維空間的物體距離，無(wú)需三維掃描機(jī)構(gòu)，對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行精確快速定位，并使測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、降低測(cè)距成本。
[0008]本實(shí)用新型提出的三維測(cè)距裝置，包括:
[0009]光源，用于發(fā)出穩(wěn)定的光能量，對(duì)幻燈片進(jìn)行照明，光源置于反光鏡與聚光鏡之間；
[0010]反光鏡，用于將光源向后發(fā)射的光線反射回來(lái)加以利用，提高光源的利用率，反光鏡置于光源的后方；
[0011]聚光鏡，用于將光源發(fā)出的光線會(huì)聚并均勻地照射在幻燈片上，聚光鏡置于光源的前方；
[0012]幻燈片，用于通過(guò)曝光成像形成圓斑圖形，幻燈片置于聚光鏡與投影物鏡之間；
[0013]投影物鏡，用于將幻燈片上的圓斑圖形投影到測(cè)距裝置前方物體表面上，投影物鏡置于幻燈片與前方物體之間；
[0014]攝像頭，用于拍攝前方視場(chǎng)內(nèi)物體表面上的圓斑圖像，得到數(shù)字圖像，并將數(shù)字圖像輸出給圖像處理器；
[0015]圖像處理器，接收攝像頭輸出的數(shù)字圖像，測(cè)量數(shù)字圖像中每個(gè)圓斑的直徑，根據(jù)每個(gè)圓斑的直徑，計(jì)算出該圓斑物體表面距攝像頭的距離。
[0016]本實(shí)用新型提出的三維測(cè)距裝置，利用投影光斑直徑與被測(cè)物體表面到投影物鏡焦點(diǎn)距離成正比的特性，通過(guò)測(cè)量光斑直徑的大小來(lái)獲得該圓斑物體表面的距離，可對(duì)攝像頭視場(chǎng)內(nèi)所有面積大于投影光斑面積的目標(biāo)物體進(jìn)行快速測(cè)距，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)距深度快，成本低廉，無(wú)需三維掃描機(jī)構(gòu)，不存在激光測(cè)距裝置的安全性問(wèn)題，使用普通光源照明，不會(huì)對(duì)人眼造成傷害，可用于環(huán)境感知精度和測(cè)量速度要求較高的場(chǎng)合。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本實(shí)用新型提出的三維測(cè)距裝置的測(cè)距示意圖。
[0018]圖2是本實(shí)用新型裝置中測(cè)得的前方景物的數(shù)字圖像。
[0019]圖3是本實(shí)用新型提出的三維測(cè)距裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4是本實(shí)用新型提出的三維測(cè)距裝置的工作原理圖。
[0021]圖1一圖4中，I是測(cè)距裝置、2是遠(yuǎn)距離物體、3是三維測(cè)距裝置中投影到遠(yuǎn)距離物體2上的測(cè)量圓斑圖形，4是中距離物體，5是三維測(cè)距裝置投影到中距離物體上的測(cè)量圓斑圖形，6是近距離物體，7是三維測(cè)距裝置投影到近距離物體6上的測(cè)量圓斑圖形，8是圖像處理器，9是攝像頭，10是投影物鏡，11是幻燈片，12是聚光鏡，13是光源，14是反光鏡，f是投影物鏡的焦點(diǎn)，D是投影光斑的直徑，L是投影光斑處物體表面到投影物鏡焦點(diǎn)f的距離。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本實(shí)用新型提出的三維測(cè)距裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，該裝置包括:
[0023]光源13，用于發(fā)出穩(wěn)定的光能量，對(duì)幻燈片進(jìn)行照明，光源置于反光鏡與聚光鏡之間；[0024]反光鏡，用于將光源向后發(fā)射的光線反射回來(lái)加以利用，提高光源的利用率，反光鏡置于光源的后方；
[0025]聚光鏡12，用于將光源發(fā)出的光線會(huì)聚并均勻地照射在幻燈片上，聚光鏡置于光源的前方；
[0026]幻燈片11，用于通過(guò)曝光成像形成圓斑圖形，幻燈片置于聚光鏡與投影物鏡之間；
[0027]投影物鏡10，用于將幻燈片上的圓斑圖形投影到測(cè)距裝置前方物體表面上，投影物鏡置于幻燈片與前方物體之間；
[0028]攝像頭9，用于拍攝前方視場(chǎng)內(nèi)物體表面上的圓斑圖像，得到數(shù)字圖像，并將數(shù)字圖像輸出給圖像處理器；
[0029]圖像處理器8，接收攝像頭輸出的數(shù)字圖像，測(cè)量數(shù)字圖像中每個(gè)圓斑的直徑，根據(jù)每個(gè)圓斑的直徑，計(jì)算出該圓斑物體表面距攝像頭的距離。
[0030]本實(shí)用新型的三維測(cè)距裝置的一個(gè)實(shí)施例中，圖像處理器8采用TI公司的TMS320C64x?數(shù)字信號(hào)處理器，攝像頭9采用OmniVision公司像素為4224X3000的0V12830圖像傳感器模組，圖像輸出格式為IObit RAW RGB，投影物鏡10采用焦距為IOOmm的雙凸透鏡，幻燈片11采用黑白正片膠片，聚光鏡12采用焦距為IOmm的雙凸透鏡，光源13采用200W金屬鹵素?zé)襞?，反光鏡14采用金屬拋光凹面鏡。本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，距離系數(shù)a的取值為1/1000。
[0031]本實(shí)用新型三維測(cè)距裝置的工作原理是:
[0032](I)將幻燈片上的圓斑圖形投影到測(cè)距裝置的前方，在前方多個(gè)物體的表面分別形成圓斑圖像，該圓斑圖像的直徑與物體表面和測(cè)距裝置之間的距離成正比；如圖1中所示，圖1中，I是測(cè)距裝置、2是遠(yuǎn)距離物體、3是三維測(cè)距裝置中投影到遠(yuǎn)距離物體2上的測(cè)量圓斑圖形，4是中距離物體，5是三維測(cè)距裝置投影到中距離物體上的測(cè)量圓斑圖形，6是近距離物體，7是三維測(cè)距裝置投影到近距離物體6上的測(cè)量圓斑圖形，8是圖像處理器。
[0033](2)拍攝前方景物，得到前方景物的數(shù)字圖像，該數(shù)字圖像中包含有前方多個(gè)物體的圓斑圖像，如圖2所示，圖2中，3是三維測(cè)距裝置中投影到遠(yuǎn)距離物體2上的測(cè)量圓斑圖形，5是三維測(cè)距裝置投影到中距離物體上的測(cè)量圓斑圖形，7是三維測(cè)距裝置投影到近距離物體。
[0034](3)測(cè)量數(shù)字圖像中每個(gè)圓斑圖像的直徑，根據(jù)每個(gè)圓斑圖像的直徑D，計(jì)算出該圓斑物體表面距測(cè)距裝置投影物鏡焦點(diǎn)f的距離L，其原理如圖4所示:
[0035]L=D/ a
[0036]其中距離系數(shù)a由光學(xué)投影系統(tǒng)中投影物鏡的孔徑與焦距之比決定:
[0037]a =d/F
[0038]其中d為投影物鏡的孔徑，F(xiàn)為投影物鏡的焦距。
[0039]本實(shí)用新型提供的三維測(cè)距裝置，利用投影光斑直徑與被測(cè)物體表面到投影物鏡焦點(diǎn)距離成正比的特性，通過(guò)測(cè)量光斑直徑的大小來(lái)獲得該圓斑處物體表面的距離，可對(duì)攝像頭視場(chǎng)內(nèi)所有投影光斑處的物體進(jìn)行快速測(cè)距，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，無(wú)需三維掃描機(jī)構(gòu)，不存在激光測(cè)距裝置的安全性問(wèn)題，可用于環(huán)境感知精度和測(cè)量速度要求較高的場(chǎng)合。
【權(quán)利要求】
1.一種三維測(cè)距裝置，其特征在于該裝置包括: 光源，用于發(fā)出穩(wěn)定的光能量，對(duì)幻燈片進(jìn)行照明，光源置于反光鏡與聚光鏡之間；反光鏡，用于將光源向后發(fā)射的光線反射回來(lái)加以利用，提高光源的利用率，反光鏡置于光源的后方； 聚光鏡，用于將光源發(fā)出的光線會(huì)聚并均勻地照射在幻燈片上，聚光鏡置于光源的前方； 幻燈片，用于通過(guò)曝光成像形成圓斑圖形，幻燈片置于聚光鏡與投影物鏡之間； 投影物鏡，用于將幻燈片上的圓斑圖形投影到測(cè)距裝置前方物體表面上，投影物鏡置于幻燈片與前方物體之間； 攝像頭，用于拍攝前方視場(chǎng)內(nèi)物體表面上的圓斑圖像，得到數(shù)字圖像，并將數(shù)字圖像輸出給圖像處理器； 圖像處理器，接收攝像頭輸出的數(shù)字圖像，測(cè)量數(shù)字圖像中每個(gè)圓斑的直徑，根據(jù)每個(gè)圓斑的直徑，計(jì)算出該圓斑物體表面距攝像頭的距離。
【文檔編號(hào)】G01C3/00GK203454994SQ201320561480
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月10日
【發(fā)明者】高宏, 王慶 申請(qǐng)人:紫光股份有限公司