一種折反射式激光測距三維全景成像一體化裝置的制作方法

本發明涉及光學成像技術領域，尤其涉及一種折反射式激光測距三維全景成像一體化裝置。

背景技術：

目前，全景成像裝置主要分為多相機拼接、單相機旋轉拼接、魚眼相機、折反射全景相機等，主要應用于汽車無人駕駛視覺導航、安防視頻監控、虛擬現實技術、數字城市測繪等典型的機器視覺環境感知應用領域。傳統全景成像裝置僅通過采集四周的場景圖像獲取環境信息，但圖像中不包含場景的距離信息，因此環境信息不夠豐富，制約了其在該領域的廣泛應用。

目前，可三維測距的全景成像裝置的技術方案大多采用多相機拼接方式實現全景圖像采集，加裝上三維激光測距裝置實現三維測距，最后通過信息融合實現全面的環境信息感知。該方案全景成像裝置與三維激光測距裝置獨立布置，不利于確保兩類測量裝置的光軸統一，會造成系統體積大、結構復雜、成本高昂。

技術實現要素：

鑒于上述的分析，本發明旨在提供一種折反射式激光測距三維全景成像一體化裝置，用以解決現有的全景成像裝置不具備三維測距的能力，或者三維測距信息較難與全景圖像信息融合等的問題。

本發明的目的主要是通過以下技術方案實現的：

一種折反射式激光測距三維全景成像一體化裝置，其特征在于，包括：

工業相機、鏡頭、拋物面反射鏡、激光測距探頭、激光測距探頭支架、環形折射棱鏡、電刷、驅動電機、電機支架、驅動齒輪、軸承、相機上蓋、相機安裝架、上連接管、下連接管、底座、單片機、電源模塊和柱狀玻璃管；其中，

單片機通過電纜與電源模塊連接，從中獲取穩定的供電；單片機通過USB數據線獲取由工業相機采集的實時全景圖片，同時也通過USB數據線控制相機運行并為其供電；單片機通過電纜與電機連接，為其供電并輸出PWM波控制驅動電機的轉速，帶動激光測距探頭旋轉；單片機通過串口線、電刷與激光測距探頭通信，為其供電并輸出控制信息，同時接收激光測距探頭返回的距離測量值。

相機上蓋位于裝置的頂部；上連接管位于相機上蓋下方，其上端與相機上蓋通過螺紋連接；柱狀玻璃管位于上連接管的下方，其上端與上連接管的下端通過固體膠粘接固定；下連接管位于柱狀玻璃管下方，其上端與柱狀玻璃管通過固體膠粘接固定；底座位于裝置底部，其上端與下連接管通過螺紋連接。

相機安裝架位于相機上蓋內部，其一端通過螺釘與相機上蓋頂部中央固定，另一端通過螺釘固定工業相機；鏡頭位于工業相機下方，通過鏡頭卡口固定；環形折射棱鏡位于鏡頭下方；拋物面反射鏡固定于下連接管上方；工業相機、鏡頭、環形折射棱鏡、拋物面反射鏡的光軸與裝置的光軸同軸布置。

單片機位于相機上蓋內部，通過螺釘固定在相機上蓋頂部上；電源模塊位于相機上蓋內部，通過螺釘固定在相機上蓋頂部上；電機支架位于相機上蓋內部，通過螺釘將驅動電機固定在相機上蓋的內側壁上；驅動電機輸出軸安裝了驅動齒輪，通過驅動齒輪與軸承的下環側齒嚙合；軸承的上環通過螺釘與相機上蓋內側壁固定，軸承上下環之間布置了電刷，軸承的下環與激光測距探頭支架固定；多個激光測距探頭由上往下沿直線安裝在激光測距探頭支架上，激光測距探頭光軸水平指向環形折射棱鏡軸線。

所述折反射式激光測距三維全景成像裝置工作時，工業相機垂直向下，鏡頭視場角覆蓋拋物面反射鏡，通過拋物面反射鏡的反射，實時采集全景圖像。

單片機通過控制驅動電機的轉速，帶動激光測距探頭支架及其上固定的激光測距探頭以工業相機的光軸為旋轉軸旋轉，多個激光測距探頭連續發射激光束，先經過環形折射棱鏡折射，再通過拋物面反射鏡向所述折反射式激光測距三維全景成像裝置四周反射激光束；激光束遇見物體則沿同樣光路反射回激光測距探頭，單片機通過計算激光束發射和接收的時間差可計算出物體的距離。

單片機將激光測距探頭三維測距信息與工業相機三維全景圖像信息進行融合。

單片機對全景圖像先進行邊緣檢測，進行區塊分割；然后將落在激光測距探頭探測區域內的區塊，標注距離信息。

本發明有益效果如下：

本發明所述折反射式激光測距三維全景成像一體化裝置解決了現有的全景成像裝置不具備三維測距的能力、三維測距信息較難與全景圖像信息融合等技術問題。實現了兩類測量裝置的光軸嚴格統一，具有體積小、結構精簡、成本低等特點。

本發明的其他特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

附圖說明

附圖僅用于示出具體實施例的目的，而并不認為是對本發明的限制，在整個附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。

圖1為本發明具體實施例的折反射式激光測距三維全景成像一體化裝置的物理結構示意圖；

圖2為本發明具體實施例的折反射式激光測距三維全景成像一體化裝置的電氣連接示意圖；

圖3為本發明具體實施例的折反射式激光測距三維全景成像一體化裝置的光路示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖來具體描述本發明的優選實施例，其中，附圖構成本申請一部分，并與本發明的實施例一起用于闡釋本發明的原理。

根據本發明的一個具體實施例，如附圖圖1所示，公開了一種折反射式激光測距三維全景成像一體化裝置，包括：

工業相機(1)、鏡頭(2)、拋物面反射鏡(3)、激光測距探頭(4)、激光測距探頭支架(5)、環形折射棱鏡(6)、電刷(7)、驅動電機(8)、電機支架(9)、驅動齒輪(10)、軸承(11)、相機上蓋(12)、相機安裝架(13)、上連接管(14)、下連接管(15)、底座(16)、單片機(17)、電源模塊(18)和柱狀玻璃管(19)。

所述工業相機(1)用于實時采集三維全景圖像信息；

所述激光測距探頭(4)用于實時獲取三維測距信息。

其中，物理連接如附圖圖1所示，相機上蓋(12)位于整個裝置的頂部；上連接管(14)位于相機上蓋(12)下方，其上端與相機上蓋(12)通過螺紋連接；柱狀玻璃管(19)位于上連接管(14)的下方，其上端與上連接管(14)的下端通過固體膠粘接固定；下連接管(15)位于柱狀玻璃管(19)下方，其上端與柱狀玻璃管(19)通過固體膠粘接固定；底座(16)位于整個裝置的底部，其上端與下連接管(19)通過螺紋連接；

相機安裝架(13)位于相機上蓋(12)內部，其一端通過螺釘與相機上蓋(12)頂部中央固定，另一端通過螺釘固定工業相機(1)；鏡頭(2)位于工業相機(1)下方，通過鏡頭(2)卡口固定；環形折射棱鏡(6)位于鏡頭(2)下方；拋物面反射鏡固定于下連接管(15)上方；工業相機(1)、鏡頭(2)、環形折射棱鏡(6)、拋物面反射鏡(3)的光軸與裝置的光軸同軸布置。

單片機(17)位于相機上蓋(12)內部，通過螺釘固定在相機上蓋(12)頂部上；電源模塊(18)位于相機上蓋(12)內部，通過螺釘固定在相機上蓋(12)頂部上；電機支架(9)位于相機上蓋(12)內部，通過螺釘將驅動電機(8)固定在相機上蓋(12)的內側壁上；驅動電機(8)輸出軸安裝了驅動齒輪(10)，通過驅動齒輪(10)與軸承(11)的下環側齒嚙合；軸承(11)的上環通過螺釘與相機上蓋(12)內側壁固定，軸承(11)上下環之間布置了電刷(7)，軸承(11)的下環與激光測距探頭支架(5)固定；3個激光測距探頭(4)由上往下沿直線安裝在激光測距探頭支架(5)上，激光測距探頭(4)光軸水平指向環形折射棱鏡(6)軸線。

電氣連接，如附圖圖2所示，單片機(17)是裝置的信號處理與控制中心。

單片機(17)通過電纜與電源模塊(18)連接，從中獲取穩定的供電；單片機(17)通過USB數據線獲取由工業相機采集的實時全景圖片，同時也通過USB數據線控制相機運行并為其供電；單片機(17)通過電纜與電機連接，為其供電并輸出PWM波控制驅動電機(8)的轉速；單片機(17)通過串口線、電刷(7)與激光測距探頭通信，為其供電并輸出控制信息，同時接收激光測距探頭返回的距離測量值。

所述折反射式激光測距三維全景成像裝置工作時，如附圖圖3所示，工業相機(1)垂直向下，鏡頭(2)視場角覆蓋拋物面反射鏡(3)，通過拋物面反射鏡(3)的反射，工業相機的有限視場角擴展至水平360°，垂直220°(具體角度根據剖物面反射鏡的面型決定)，實時采集全景圖像。具體地，因為拋物面反射鏡為旋轉對稱曲面，因此只需要在二維平面內分析成像路徑即可，建立xoy坐標系，坐標系原點o選取拋物面反射鏡的頂點，水平向右為x軸正方向，垂直向上為y軸正方向。那么，拋物面反射鏡可由y＝-px²表示,其焦點P的坐標為(0,-p)，y軸為其對稱軸。根據拋物線特性，凡是經過拋物線焦點的光線經過拋物面反射后會平行于其對稱軸。采集全景圖像時，假設光線沿DC射向拋物面反射鏡(3)的焦點P,經過反射沿平行于y軸的CH向上傳播，再沿HB經過環形折射棱鏡(6)的透射，最后沿BS、SU、UW經過鏡頭(2)的折射，在工業相機(1)的成像單元CCD上成像。

在此同時，單片機(17)通過控制驅動電機(8)的轉速，帶動激光測距探頭支架(5)及其上固定的激光測距探頭(4)以工業相機(1)地光軸為旋轉軸旋轉，3個激光測距探頭(4)連續發射激光束，先經過環形折射棱鏡(6)折射，再通過拋物面反射鏡(3)向所述折反射式激光測距三維全景成像裝置四周反射激光束。激光束遇見物體則沿同樣光路反射回激光測距探頭(4)，單片機(17)通過計算激光束發射和接收的時間差可計算出物體的距離。

以一個激光測距探頭(4)為例，如附圖圖3所示，激光測距探頭(4)發射激光束沿AB進入環形折射棱鏡(6)，經過環形折射棱鏡(6)棱邊NL折射(其中，棱邊NL與x軸夾角為45°)，折射后激光束沿著BH、HC射向拋物面反射鏡(3)，最后經過拋物面反射鏡(3)反射沿CD射向裝置的四周。當激光束遇到物體后會沿同樣的光路返回至激光測距探頭(4)。

單片機(17)通過計算激光束發射和接收的時間差可計算出物體的距離。假設某一個激光測距探頭光軸到x軸的距離為h,且環形折射棱鏡下部到x軸的距離為l，那么C點坐標為(h-l,-p(h-l)²)，入射光DC可表示為：其與x軸的入射角

由此可知，當已知激光測距探頭(4)到x軸的距離h和環形折射棱鏡(6)下部到x軸的距離l，則可以得到該激光束對應的入射光的入射角α對應關系。

激光束對應的入射光的入射角α對應關系已知，因此也可以容易地將CD換算成沿水平方向(x軸)的距離。

附圖圖3中虛線矩形表示激光測距探頭旋轉180°后產生的對稱光路。當激光測距探頭繞相機光軸旋轉，則可實現三維測距與全景成像的融合，獲得帶有距離信息的三維全景圖像。三個激光測距探頭經旋轉在其對應的圓錐面區域內測距，轉速為10轉/秒，工業相機圖像采集幀率為10幀/秒，即激光測距探頭每完成一圈測距，工業相機采集一幅全景圖像。

單片機(17)將激光測距探頭獲得的三維測距信息與工業相機獲得的三維全景圖像信息進行融合。單片機對全景圖像先進行邊緣檢測，進行區塊分割；然后將落在激光測距探頭圓錐面探測區域內的區塊，標注距離信息。具體展示形式是以偽彩色圖表征，比如距離約近的區塊用越紅的顏色表征，距離越遠的區塊用越綠的顏色表征。

在一個優選實施例中，可通過增加激光測距探頭的數量，實現更多圓錐面探測區域；因為圖像已進行區塊分割，只需要有限的激光測距探頭即可完成區塊的測距。

其中，所述鏡頭也可以是實現上述成像功能的鏡頭組。

在一個優選實施例中，全景成像裝置直徑70mm，高度120mm，為圓柱體構型；底部拋物面反射鏡(3)直徑為50mm,厚度為18mm；環形折射棱鏡直徑為36mm,高度為18mm,在NL面與底部呈45°夾角，并涂覆有鍍膜，使可見光可透射而激光測距探頭發出的激光被折射。

綜上所述，本發明實施例提供了一種折反射式激光測距三維全景成像一體化裝置，擴展了全景成像裝置的三維測距能力，優化設計傳統的折反射式全景成像裝置光路，加裝可旋轉的激光測距探頭，通過環形折射棱鏡折射，圖像采集與激光測距采用同一個反射鏡面。解決了現有的全景成像裝置不具備三維測距的能力、三維測距信息較難與全景圖像信息融合等技術問題。實現了兩類測量裝置的光軸嚴格統一，具有體積小、結構精簡、成本低等特點，能夠更廣泛的應用于汽車無人駕駛視覺導航、安防視頻監控、虛擬現實技術、數字城市測繪等環境感知應用領域。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。