專利名稱：一種激光三維景深獲取的主動機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用于激光測距儀的三維景深重構系統，更特別地說，是指一種基于二維激光激光測距儀的三維景深獲取的主動機構。
背景技術：
三維景深信息是移動機器人最重要的信息，人們雖然可以在有限的環境中設計并實現機器人景深傳感系統，但至今人們仍然不知道如何使機器人景深傳感系統在深度和廣度上具有類似于生物視覺系統所特有的那種自適應能力。人類視覺系統具有很強的魯棒性，能在極其豐富的視覺信息中剔除冗余的信息，抽取于當前視覺行為有關的信息。
要實現三維景深重構，通常還需要用激光測距所測的點云數據重構描述表現輪廓連續變化的曲面數學模型，及通常意義的三維建模。目前三維建模大部分都基于視覺，最初采用單目攝像機，但因為沒有準確的深度數據，不能將真實世界和三維場景緊密結合，后用多目攝像機采集自然界物體自然界物體雖然彌補了單目的缺點，但形成的圖像和真實的三維信息之間的關系并不唯一，這個方法只能獲取二維半的景深信息，另外，由攝像機獲取的視覺信息由于計算量大在實時處理上也非常困難。后來又提出由單目攝像機和二維激光測距儀的組合使用，但是激光測距儀是點傳感，要求它也象攝像機那樣含有多像素目前難以實現，因此這種組合使用并不能獲取對自然環境空間的精確認知。
要實現三維景深建模、重構，任何環境下，都離不開距離探測，它提供了環境的三維深度信息，所以最近幾年又提出基于程距數據三維建模的思想。有方案提出通過運動機構給二維激光測距儀增加一個自由度來獲取三維信息，這些方法的主要缺點是驅動電機的頻繁加減速將對跟隨它運動的激光測距儀的光源系統造成影響，減弱了光強穩定性，從而給測距造成誤差。此外，恢復三維景深的時候存在變形、重疊等因素，使得三維景深難以精確恢復。
發明內容
本發明的目的是提供一種激光三維景深獲取的主動機構，該主動機構采用二維激光測距儀不動，第二光源單元、第三光源單元的兩個平面鏡俯仰運動，能夠形成三個出射角相同的光平面，旋轉軸的轉動，可以使三個光平面形成三個光區域；第二光源單元、第三光源單元的平面鏡左右擺動可以使旋轉軸對于第二光平面、第三光平面的旋轉相對速度減慢或加快；二維激光測距儀與第二光源單元、第三光源單元的等邊三角形布局設計，增大了主動機構的可視區域。
本發明是一種激光三維景深獲取的主動機構，包括有第一光源單元、第二光源單元、第三光源單元、鏡面轉動單元以及基座。基座上設有旋轉軸、A支柱、B支柱和C支柱，A支柱、B支柱和C支柱按照等邊三角形分布，旋轉軸位于等邊三角形的重心G；第一光源單元的二維激光測距儀安裝在基座的A支柱上，第二光源單元的第二光源、安裝座固定安裝在B支柱上，第三光源單元的第三光源、安裝座固定安裝在C支柱上。
本發明激光三維景深獲取的主動機構的優點在于(1)采用主動運動機構的模式，改進了現有在二維激光激光測距儀上增加一個自由度來獲取三維景深存在的缺陷；(2)采用自制的兩個光源單元，以及可以轉動的六棱鏡取代LMS291二維激光激光測距儀，大大地節約了制作三維激光激光測距儀成本；(3)通過設計的可轉動六棱鏡有效地增加了可視區域；(4)通過三個光區域的重疊來克服由于外界干擾等原因造成數據重疊時單光源掃描難以識別的缺點；(5)三個激光源的波長采用各不相同的設計，這是為了在信息獲取的時候可以分辨出是由哪個光源發出的信息。
圖1是本發明三維景深獲取主動機構的結構示意圖。
圖2是基座結構圖。
圖3是支架結構圖。
圖4是光在六棱鏡各鏡面上的光走向示意圖。
圖中1.六棱鏡11.A面12.B面13.C面14.D面15.E面16.F面17.光平面18.光出射點2.第一光源21.激光束3.第三光源31.激光束32.反射光4.第二光源41.激光束42.反射光5.第一平面鏡51.連接臂52.搖臂53.安裝座54.第二電機55.第三電機6.第二平面鏡61.連接臂62.搖臂63.安裝座64.第二電機65.第三電機7.旋轉軸8.基座81.A支柱82.B支柱83.C支柱具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
參見圖1、圖2所示，本發明是一種激光三維景深獲取的主動機構，包括有作為第一光源單元的二維激光測距儀、第二光源單元、第三光源單元、鏡面轉動單元以及基座8。在本發明中，設計的與第二光源4配合使用的第二平面鏡6，與第三光源3配合使用的第一平面鏡5均能夠實現左右擺動和俯仰運動，可以使第一平面鏡5、第二平面鏡6與六棱鏡6在旋轉軸7的帶動下旋轉的相對速度減慢或加快，這個使得測距儀可對感興趣的景深仔細的觀察，對不干興趣的景深則快速掃過，可以對感興趣的區域獲取更多的三維信息。其中，第一平面鏡5、第二平面鏡6左右擺動的規律和旋轉軸7的轉動規律都是采用自適應控制率。通過這種方法，使外界抖動造成的誤差被主動機構所彌補，這種主動設計的思想保障了實現三維景深的重構。本發明的激光三維景深獲取的主動機構的工作溫度為-20℃～+50℃，能夠實現的測距距離為1cm～80m。
二維激光測距儀是采用德國SICK AG公司生產的LMS291二維激光測距儀，它的光源可在水平方向繞垂直軸掃描，運動范圍180度，運動速度為13ms完成180度的掃描，該測距儀對30m以內的景深具有較好的測量精度，因此作為二維景深的探測是比較理想的設備。在本發明中，LMS291二維激光測距儀是作為第一光源單元2的，第一光源單元2安裝在A支柱81上，其相對于基座8是不運動的。
在本發明中，第二光源單元與第三光源單元是結構相同的設計。參見圖3所示，在本發明中，所述第二光源單元包括有用于支撐第二平面鏡6的支架，用于出射激光束的第二光源4，用于使第二光源4出射的激光束反射至六棱鏡1上的第二平面鏡6；所述支架由安裝座63、搖臂62、連接臂61和兩個電機(第二電機64、第三電機65)組成；第二光源4、安裝座63固定安裝在B支柱82上(為了使第二光源4出射的激光束能夠照射在第二平面鏡6上，裝配時第二光源4安裝在第二平面鏡6正上方)，第三電機65安裝在安裝座63上，第三電機65的輸出軸與搖臂62的底端連接，搖臂62的頂端安裝有第二電機64，第二電機64的輸出軸與連接臂61一端連接，連接臂61的另一端上安裝有第二平面鏡6；第二電機64用于驅動連接臂61作俯仰運動，由于連接臂61的俯仰運動從而帶動第二平面鏡6實現俯仰運動，并且使照射在第二平面鏡6上的激光束反射成反射光42照射到六棱鏡1上；六棱鏡1上的反射光42在第二平面鏡6的來回俯仰運動下形成了具有60～150度夾角的光平面。第三電機65驅動搖臂62作左右擺動，從而使反射到六棱鏡1上的反射光42與第一光源2出射的激光束21在水平方向上的掃描速度保持不同。參見圖3A所示，所述第三光源單元包括有用于支撐第一平面鏡5的支架，用于出射激光束的第三光源3，用于使第三光源3出射的激光束反射至六棱鏡1上的第一平面鏡5；所述支架由安裝座53、搖臂52、連接臂51和兩個電機(第四電機54、第五電機55)組成；第三光源3、安裝座53固定安裝在C支柱83上(為了使第三光源3出射的激光束能夠照射在第一平面鏡5上，裝配時第三光源3安裝在第一平面鏡5正上方)，第五電機55安裝在安裝座53上，第五電機55的輸出軸與搖臂52的底端連接，搖臂52的頂端安裝有第四電機54，第四電機54的輸出軸與連接臂51一端連接，連接臂51的另一端上安裝有第一平面鏡5；第四電機54用于驅動連接臂51作俯仰運動，由于連接臂51的俯仰運動從而帶動第一平面鏡5實現俯仰運動，并且使照射在第一平面鏡5上的激光束反射成反射光32照射到六棱鏡1上；六棱鏡1上的反射光32在第一平面鏡5的來回俯仰運動下形成了具有60～150度夾角的光平面。第五電機55驅動搖臂52作左右擺動，從而使反射到六棱鏡1上的反射光32與第一光源2出射的激光束21在水平方向上的掃描速度保持不同，反射到六棱鏡1上的第一平面鏡5的反射光32與第二平面鏡6的反射光42在水平方向上的掃描速度可以保持相同，也可以保持不同。五個電機均選取直流電機，輸出功率為30～120W。
在本發明中，旋轉軸7分別與二維激光測距儀的光源出射點、第一平面鏡5和第二平面鏡6的距離相等，且相距30～70cm，較佳為50cm。
在本發明中，六棱鏡1、第一平面鏡5和第二平面鏡6選取玻璃材質制作。
在本發明中，二維激光測距儀2出射的激光束波長為900nm。第二光源4和第三光源3出射的激光束波長為400～900nm。
參見圖4所示，光出射點18出射的光到六棱鏡1各個面上形成的光平面17的出射角α為60～150度。光出射點18是指二維激光測距儀2出射激光束的出射點；或者是指由第二光源4出射的激光束41照射在第二平面鏡6上后又反射到六棱鏡6上形成反射光42的反射光出射點；或者是指由第三光源3出射的激光束31照射在第一平面鏡5上后又反射到六棱鏡6上形成反射光32的反射光出射點。三個光源出射的激光束都會在六棱鏡6的六個面(A面11、B面12、C面13、D面14、E面15、F面16)上形成多個光平面，同時這些光平面會有重疊區域。通過智能控制出射角α的角度使光平面在有效范圍內。
實際工作狀態當第一光源2出射的激光束21在六棱鏡1的A面11上時形成了第一光平面，第二光源4出射的激光束41在第二平面鏡6上經反射后形成反射光42照射至六棱鏡1的C面12上形成第二光平面，第三光源3出射的激光束31在第一平面鏡5上經反射后形成反射光32照射至六棱鏡1的E面16上形成第三光平面。六棱鏡1上的各個面分別被激光束、反射光照射，由于六棱鏡1在旋轉軸7上沿一方向轉動，使得由六棱鏡反射出的光平面發生偏轉，形成一個光區域，由于存在漫反射，光區域中物體表面的按原線路返回到安裝在光源中的激光接受器的反射光被接受，從而獲得三維景深數據。
本發明的激光三維景深獲取的主動機構采用二維激光測距儀不動，第二光源單元、第三光源單元的兩個平面鏡俯仰運動，能夠形成三個出射角相同的光平面，增大對三維景深信息的采集。
權利要求
1.一種激光三維景深獲取的主動機構，包括有作為第一光源單元的二維激光測距儀，其特征在于還包括有第二光源單元、第三光源單元、鏡面轉動單元以及基座(8)；所述基座(8)上設有旋轉軸(7)、A支柱(81)、B支柱(82)和C支柱(83)，A支柱(81)、B支柱(82)和C支柱(83)按照等邊三角形分布，旋轉軸(7)位于等邊三角形的重心G；第一電機安裝在基座(8)的重心G處，且第一電機的輸出軸與旋轉軸(7)底端連接；所述鏡面轉動單元，六棱鏡(1)安裝在旋轉軸(7)上；所述第一光源單元的二維激光測距儀(2)安裝在A支柱(81)上；所述第二光源單元，第二光源(4)、安裝座(63)固定安裝在B支柱(82)上，第三電機(65)安裝在安裝座(63)上，第三電機(65)的輸出軸與搖臂(62)的底端連接，搖臂(62)的頂端安裝有第二電機(64)，第二電機(64)的輸出軸與連接臂(61)一端連接，連接臂(61)的另一端上安裝有第二平面鏡(6)；所述第三光源單元，第三光源(3)、安裝座(53)固定安裝在C支柱(83)上，第五電機(55)安裝在安裝座(53)上，第五電機(55)的輸出軸與搖臂(52)的底端連接，搖臂(52)的頂端安裝有第四電機(54)，第四電機(54)的輸出軸與連接臂(51)一端連接，連接臂(51)的另一端上安裝有第一平面鏡(5)。
2.根據權利要求1所述的激光三維景深獲取的主動機構，其特征在于光出射點(18)出射的光到六棱鏡(1)上形成的光平面(17)的出射角α為60～150度。
3.根據權利要求1所述的激光三維景深獲取的主動機構，其特征在于二維激光測距儀是LMS291二維激光測距儀。
4.根據權利要求1所述的激光三維景深獲取的主動機構，其特征在于旋轉軸(7)分別與二維激光測距儀的光源出射點、第一平面鏡(5)和第二平面鏡(6)的距離相等，且相距30～70cm。
5.根據權利要求1所述的激光三維景深獲取的主動機構，其特征在于二維激光測距儀(2)出射的激光束波長為900nm。
6.根據權利要求1所述的激光三維景深獲取的主動機構，其特征在于第二光源(4)和第三光源(3)出射的激光束波長為400～900nm。
7.根據權利要求1所述的激光三維景深獲取的主動機構，其特征在于六棱鏡(1)選取玻璃材質制作，第一平面鏡(5)選取玻璃材質制作，第二平面鏡(6)選取玻璃材質制作。
全文摘要
本發明公開了一種激光三維景深獲取的主動機構，包括有作為第一光源單元的二維激光測距儀、第二光源單元、第三光源單元、鏡面轉動單元以及基座；第一光源單元、第二光源單元和第三光源單元分別安裝在具有等邊三角形布局的三個支柱上，鏡面轉動單元安裝在位于等邊三角形重心G處設置的旋轉軸上。本發明激光三維景深獲取的主動機構采用二維激光測距儀不動，第二光源單元、第三光源單元的兩個平面鏡俯仰運動，能夠形成三個出射角相同的光平面，通過旋轉軸的轉動，可以使三個光平面形成三個光區域，增大對三維景深信息的采集。采用主動運動機構的模式，改進了現有在二維激光激光測距儀上增加一個自由度來獲取三維景深存在的缺陷。
文檔編號G01C11/36GK101050965SQ20071009944
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月21日 優先權日2007年5月21日
發明者陳偉海, 劉敬猛, 于守謙, 宋蔚陽 申請人:北京航空航天大學