一種三維測距方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種三維測距方法及其裝置，特別涉及一種用于移動機器人的三維測距方法及其裝置，屬于移動機器人環境感知【技術領域】。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，將幻燈片上的等間距圓斑圖形投射到移動機器人前方空間，攝像頭和圖像處理器組成的圖像測量系統測量視場中各個投影光斑的直徑，就可計算出該投影光斑處的物體距離。本發明技術方案無需使用三維掃描機構，就能進行三維測距，系統結構簡單，測量速度快，成本低廉，不存在激光測距裝置的安全性問題，可用于環境感知精度和測量速度要求較高的場合。
【專利說明】一種三維測距方法及其裝置【技術領域】
[0001]本發明涉及一種三維測距方法及其裝置，特別涉及一種用于移動機器人的三維測距方法及其裝置，屬于移動機器人環境感知【技術領域】。
【背景技術】
[0002]距離測量是移動機器人感知環境和完成其它高級任務(如自主導航、避開障礙、地圖生成和環境建模等)的必要基礎。目前用于移動機器人的測距技術有:
[0003]( I)雙目視覺測距。利用兩臺位置相互固定的攝像機組成雙目視覺測量系統，根據同一景物在兩臺攝像機上成像的視差恢復出景物深度，從而獲得距離信息。雙目視覺測量方法在原理上非常簡單，可用于三維測距，但由于光照、噪聲和畸變等因素的影響，導致目標點投影到兩臺攝像機上的像點特性不同，很難從兩臺攝像機拍攝的圖像中找到對應的像點，因此目前雙目視覺測距技術還不成熟，同時視覺圖像的處理過程復雜，需要較長的計算時間，無法適應實時性要求較高的場合。
[0004](2)超聲波測距。超聲波測距的原理是利用超聲波發射器發射高頻超聲波脈沖，超聲波在空氣介質中行進一段距離，遇到障礙物后反射，由接收器接收返回的超聲波。測量超聲波從發射器發射到碰到障礙物反射回接收器的時間，根據超聲波在空氣介質中的傳播速度與超聲波頻率，就可計算出機器人距障礙物的距離。超聲傳感器體積小、價格低，目前已在移動機器人獲得廣泛應用，但超聲波測距在實際應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，最大測量距離有限；超聲波的波束角較大，使得反射目標點的準確方位難以確定，因此超聲波測距技術僅能用在對環境感知精度要求不高的場合，如只是大致知道一下前方是否有較大的障礙物。
[0005](3)紅外測距`。紅外測距通過紅外信號發射管發射特定頻率的紅外信號，當紅外信號遇到障礙物被反射，由紅外信號接收管接收返回的紅外信號。測量紅外信號從發射管發射到碰到障礙物反射回接收管的時間，就可獲得障礙物的距離。紅外發射管發射的紅外信號具有有一定的發散角度，無法確定反射目標點的準確方位。另外，由于自然界的所有物體只要溫度高于OK都會輻射紅外線，室內墻壁也會將紅外信號反射到紅外接收管，使得紅外測距精度受環境影響很大，紅外測距技術也只能用于對環境感知精度要求不高的場合。
[0006](4)激光測距。激光測距原理與超聲波和紅外測距原理類似，利用激光脈沖發射和接收之間的飛行時間來計算測量距離。激光的準直性能好，可以對目標點進行精確測距，為了獲得前方扇形平面區域內任意一點的距離，必需要增加二維掃描裝置，使激光束進行扇形掃描(圖1)。激光測距的優點是準確度高，適于對環境感知精度要求較高的場合，缺點是系統復雜、成本較高，難以在移動機器人領域推廣應用。若要對三維空間的物體測距，還需使用三維掃描裝置，大幅度增加了系統的體積、復雜性和成本。另外，脈沖激光束是能量非常集中的單色光源，掃描測距時若直接照射到人眼，會對人眼造成嚴重損傷。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提出一種三維測距方法及其裝置，利用光學成像技術和圖像測量技術，直接測量三維空間的物體距離，無需三維掃描機構，對目標點進行精確快速定位，并使測距系統結構簡單、降低測距成本。
[0008]本發明提出的三維測距方法，包括以下步驟:
[0009](I)將幻燈片上的圓斑圖形投影到測距裝置的前方，在前方多個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距裝置之間的距離成正比；
[0010](2)拍攝前方景物，得到前方景物的數字圖像，該數字圖像中包含有前方多個物體的圓斑圖像；
[0011](3)測量數字圖像中每個圓斑圖像的直徑，根據每個圓斑圖像的直徑D，計算出該圓斑物體表面距測距裝置投影物鏡焦點f的距離L:
[0012]L=D/a
[0013]其中距離系數a由光學投影系統中投影物鏡的孔徑與焦距之比決定:
[0014]a =d/F
[0015]其中d為投影物鏡的孔徑，F為投影物鏡的焦距。
[0016]本發明提出的三維測距裝置，包括:
[0017]光源，用于發出穩定的光能量，對幻燈片進行照明，光源置于反光鏡與聚光鏡之間；
[0018]反光鏡，用于將光源向后發射的光線反射回來加以利用，提高光源的利用率，反光鏡置于光源的后方；
[0019]聚光鏡，用于將光源發出的光線會聚并均勻地照射在幻燈片上，聚光鏡置于光源的前方；
[0020]幻燈片，用于通過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；
[0021]投影物鏡，用于將幻燈片上的圓斑圖形投影到測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；
[0022]攝像頭，用于拍攝前方視場內物體表面上的圓斑圖像，得到數字圖像，并將數字圖像輸出給圖像處理器；
[0023]圖像處理器，接收攝像頭輸出的數字圖像，測量數字圖像中每個圓斑的直徑，根據每個圓斑的直徑，計算出該圓斑物體表面距攝像頭的距離。
[0024]本發明提供的三維測距方法及其裝置，利用投影光斑直徑與被測物體表面到投影物鏡焦點距離成正比的特性，通過測量光斑直徑的大小來獲得該圓斑物體表面的距離，可對攝像頭視場內所有面積大于投影光斑面積的目標物體進行快速測距，系統結構簡單，測距深度快，成本低廉，無需三維掃描機構，不存在激光測距裝置的安全性問題，使用普通光源照明，不會對人眼造成傷害，可用于環境感知精度和測量速度要求較高的場合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明提出的三維測距裝置的測距示意圖。
[0026]圖2是本發明方法中測得的前方景物的數字圖像。
[0027]圖3是本發明提出的三維測距裝置的結構示意圖。
[0028]圖4是本發明提出的三維測距方法的原理圖。[0029]圖1一圖4中，I是測距裝置、2是遠距離物體、3是三維測距裝置中投影到遠距離物體2上的測量圓斑圖形，4是中距離物體，5是三維測距裝置投影到中距離物體上的測量圓斑圖形，6是近距離物體，7是三維測距裝置投影到近距離物體6上的測量圓斑圖形，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，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f的距離。
【具體實施方式】
[0030]本發明提出的三維測距方法，包括以下步驟:
[0031](I)將幻燈片上的圓斑圖形投影到測距裝置的前方，在前方多個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距裝置之間的距離成正比；如圖1中所示，圖1中，I是測距裝置、2是遠距離物體、3是三維測距裝置中投影到遠距離物體2上的測量圓斑圖形，4是中距離物體，5是三維測距裝置投影到中距離物體上的測量圓斑圖形，6是近距離物體，7是三維測距裝置投影到近距離物體6上的測量圓斑圖形，8是圖像處理器。
[0032](2)拍攝前方景物，得到前方景物的數字圖像，該數字圖像中包含有前方多個物體的圓斑圖像，如圖2所示，圖2中，3是三維測距裝置中投影到遠距離物體2上的測量圓斑圖形，5是三維測距裝置投影到中距離物體上的測量圓斑圖形，7是三維測距裝置投影到近距離物體。
[0033](3)測量數字圖像中每個圓斑圖像的直徑，根據每個圓斑圖像的直徑D，計算出該圓斑物體表面距測距裝置投影物鏡焦點f的距離L，其原理如圖4所示:
[0034]L=D/ a
[0035]其中距離系數a由光學投影系統中投影物鏡的孔徑與焦距之比決定:
[0036]a =d/F
[0037]其中d為投影物鏡的孔徑，F為投影物鏡的焦距。
[0038]本發明提出的三維測距裝置，其結構如圖3所示，該裝置包括:
[0039]光源13，用于發出穩定的光能量，對幻燈片進行照明，光源置于反光鏡與聚光鏡之間；
[0040]反光鏡，用于將光源向后發射的光線反射回來加以利用，提高光源的利用率，反光鏡置于光源的后方；
[0041]聚光鏡12，用于將光源發出的光線會聚并均勻地照射在幻燈片上，聚光鏡置于光源的前方；
[0042]幻燈片11，用于通過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；
[0043]投影物鏡10，用于將幻燈片上的圓斑圖形投影到測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；
[0044]攝像頭9，用于拍攝前方視場內物體表面上的圓斑圖像，得到數字圖像，并將數字圖像輸出給圖像處理器；
[0045]圖像處理器8，接收攝像頭輸出的數字圖像，測量數字圖像中每個圓斑的直徑，根據每個圓斑的直徑，計算出該圓斑物體表面距攝像頭的距離。[0046]本發明的三維測距裝置的一個實施例中，圖像處理器8采用TI公司的TMS320C64x?數字信號處理器，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米用200W金屬齒素燈泡,反光鏡14米用金屬拋光凹面鏡。本發明的一個實施例中，距離系數a的取值為1/1000。
[0047]本發明三維測距裝置的工作原理是:
[0048]由光源13、反光鏡14、聚光鏡12、幻燈片11和投影物鏡10組成的投影系統，將幻燈片11上的圓斑圖形投射到移動機器人前方空間(如圖1所示)，投影光斑的直徑D與被測物體表面到投影物鏡焦點的距離L成正比(如圖4所示)，通過圖像處理器8和攝像頭9組成的圖像測量系統測量視場中各個投影光斑的直徑D，就可計算出該投影光斑處的物體距離L。
[0049]本發明提供的三維測距裝置，利用投影光斑直徑與被測物體表面到投影物鏡焦點距離成正比的特性，通過測量光斑直徑的大小來獲得該圓斑處物體表面的距離，可對攝像頭視場內所有投影光斑處的物體進行快速測距，系統結構簡單，成本低廉，無需三維掃描機構，不存在激光測距裝置的安全性問題，可用于環境感知精度和測量速度要求較高的場合。
【權利要求】
1.一種三維測距方法，其特征在于該方法包括以下步驟: (1)將幻燈片上的圓斑圖形投影到測距裝置的前方，在前方多個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距裝置之間的距離成正比； (2)拍攝前方景物，得到前方景物的數字圖像，該數字圖像中包含有前方多個物體的圓斑圖像； (3)測量數字圖像中每個圓斑圖像的直徑，根據每個圓斑圖像的直徑D，計算出該圓斑物體表面距測距裝置投影物鏡焦點f的距離L: L=D/a 其中距離系數a由光學投影系統中投影物鏡的孔徑與焦距之比決定: a =d/F 其中d為投影物鏡的孔徑，F為投影物鏡的焦距。
2.—種三維測距裝置，其特征在于該裝置包括: 光源，用于發出穩定的光能量，對幻燈片進行照明，光源置于反光鏡與聚光鏡之間；反光鏡，用于將光源向后發射的光線反射回來加以利用，提高光源的利用率，反光鏡置于光源的后方； 聚光鏡，用于將光源發出的光線會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，用于拍攝前方視場內物體表面上的圓斑圖像，得到數字圖像，并將數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字圖像，測量數字圖像中每個圓斑的直徑，根據每個圓斑的直徑，計算出該圓斑物體表面距攝像頭的距離。
【文檔編號】G01C3/00GK103499335SQ201310410512
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2013年9月10日
【發明者】高宏, 王慶 申請人:紫光股份有限公司