一种三维测距方法及其装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种三维测距方法及其装置，特别涉及一种用于移动机器人的三维测距方法及其装置，属于移动机器人环境感知【技术领域】。包括光源、反光镜、聚光镜、幻灯片、投影物镜、摄像头和图像处理器。光源、反光镜、聚光镜、幻灯片和投影物镜组成投影系统，将幻灯片上的等间距圆斑图形投射到移动机器人前方空间，摄像头和图像处理器组成的图像测量系统测量视场中各个投影光斑的直径，就可计算出该投影光斑处的物体距离。本发明技术方案无需使用三维扫描机构，就能进行三维测距，系统结构简单，测量速度快，成本低廉，不存在激光测距装置的安全性问题，可用于环境感知精度和测量速度要求较高的场合。
【专利说明】一种三维测距方法及其装置【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三维测距方法及其装置，特别涉及一种用于移动机器人的三维测距方法及其装置，属于移动机器人环境感知【技术领域】。
【背景技术】
[0002]距离测量是移动机器人感知环境和完成其它高级任务(如自主导航、避开障碍、地图生成和环境建模等)的必要基础。目前用于移动机器人的测距技术有:
[0003]( I)双目视觉测距。利用两台位置相互固定的摄像机组成双目视觉测量系统，根据同一景物在两台摄像机上成像的视差恢复出景物深度，从而获得距离信息。双目视觉测量方法在原理上非常简单，可用于三维测距，但由于光照、噪声和畸变等因素的影响，导致目标点投影到两台摄像机上的像点特性不同，很难从两台摄像机拍摄的图像中找到对应的像点，因此目前双目视觉测距技术还不成熟，同时视觉图像的处理过程复杂，需要较长的计算时间，无法适应实时性要求较高的场合。
[0004](2)超声波测距。超声波测距的原理是利用超声波发射器发射高频超声波脉冲，超声波在空气介质中行进一段距离，遇到障碍物后反射，由接收器接收返回的超声波。测量超声波从发射器发射到碰到障碍物反射回接收器的时间，根据超声波在空气介质中的传播速度与超声波频率，就可计算出机器人距障碍物的距离。超声传感器体积小、价格低，目前已在移动机器人获得广泛应用，但超声波测距在实际应用中仍然存在明显的不足:超声波在空气中传播有较大的能量衰减，最大测量距离有限；超声波的波束角较大，使得反射目标点的准确方位难以确定，因此超声波测距技术仅能用在对环境感知精度要求不高的场合，如只是大致知道一下前方是否有较大的障碍物。
[0005](3)红外测距`。红外测距通过红外信号发射管发射特定频率的红外信号，当红外信号遇到障碍物被反射，由红外信号接收管接收返回的红外信号。测量红外信号从发射管发射到碰到障碍物反射回接收管的时间，就可获得障碍物的距离。红外发射管发射的红外信号具有有一定的发散角度，无法确定反射目标点的准确方位。另外，由于自然界的所有物体只要温度高于OK都会辐射红外线，室内墙壁也会将红外信号反射到红外接收管，使得红外测距精度受环境影响很大，红外测距技术也只能用于对环境感知精度要求不高的场合。
[0006](4)激光测距。激光测距原理与超声波和红外测距原理类似，利用激光脉冲发射和接收之间的飞行时间来计算测量距离。激光的准直性能好，可以对目标点进行精确测距，为了获得前方扇形平面区域内任意一点的距离，必需要增加二维扫描装置，使激光束进行扇形扫描(图1)。激光测距的优点是准确度高，适于对环境感知精度要求较高的场合，缺点是系统复杂、成本较高，难以在移动机器人领域推广应用。若要对三维空间的物体测距，还需使用三维扫描装置，大幅度增加了系统的体积、复杂性和成本。另外，脉冲激光束是能量非常集中的单色光源，扫描测距时若直接照射到人眼，会对人眼造成严重损伤。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提出一种三维测距方法及其装置，利用光学成像技术和图像测量技术，直接测量三维空间的物体距离，无需三维扫描机构，对目标点进行精确快速定位，并使测距系统结构简单、降低测距成本。
[0008]本发明提出的三维测距方法，包括以下步骤:
[0009](I)将幻灯片上的圆斑图形投影到测距装置的前方，在前方多个物体的表面分别形成圆斑图像，该圆斑图像的直径与物体表面和测距装置之间的距离成正比；
[0010](2)拍摄前方景物，得到前方景物的数字图像，该数字图像中包含有前方多个物体的圆斑图像；
[0011](3)测量数字图像中每个圆斑图像的直径，根据每个圆斑图像的直径D，计算出该圆斑物体表面距测距装置投影物镜焦点f的距离L:
[0012]L=D/a
[0013]其中距离系数a由光学投影系统中投影物镜的孔径与焦距之比决定:
[0014]a =d/F
[0015]其中d为投影物镜的孔径，F为投影物镜的焦距。
[0016]本发明提出的三维测距装置，包括:
[0017]光源，用于发出稳定的光能量，对幻灯片进行照明，光源置于反光镜与聚光镜之间；
[0018]反光镜，用于将光源向后发射的光线反射回来加以利用，提高光源的利用率，反光镜置于光源的后方；
[0019]聚光镜，用于将光源发出的光线会聚并均匀地照射在幻灯片上，聚光镜置于光源的前方；
[0020]幻灯片，用于通过曝光成像形成圆斑图形，幻灯片置于聚光镜与投影物镜之间；
[0021]投影物镜，用于将幻灯片上的圆斑图形投影到测距装置前方物体表面上，投影物镜置于幻灯片与前方物体之间；
[0022]摄像头，用于拍摄前方视场内物体表面上的圆斑图像，得到数字图像，并将数字图像输出给图像处理器；
[0023]图像处理器，接收摄像头输出的数字图像，测量数字图像中每个圆斑的直径，根据每个圆斑的直径，计算出该圆斑物体表面距摄像头的距离。
[0024]本发明提供的三维测距方法及其装置，利用投影光斑直径与被测物体表面到投影物镜焦点距离成正比的特性，通过测量光斑直径的大小来获得该圆斑物体表面的距离，可对摄像头视场内所有面积大于投影光斑面积的目标物体进行快速测距，系统结构简单，测距深度快，成本低廉，无需三维扫描机构，不存在激光测距装置的安全性问题，使用普通光源照明，不会对人眼造成伤害，可用于环境感知精度和测量速度要求较高的场合。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明提出的三维测距装置的测距示意图。
[0026]图2是本发明方法中测得的前方景物的数字图像。
[0027]图3是本发明提出的三维测距装置的结构示意图。
[0028]图4是本发明提出的三维测距方法的原理图。[0029]图1一图4中，I是测距装置、2是远距离物体、3是三维测距装置中投影到远距离物体2上的测量圆斑图形，4是中距离物体，5是三维测距装置投影到中距离物体上的测量圆斑图形，6是近距离物体，7是三维测距装置投影到近距离物体6上的测量圆斑图形，8是图像处理器，9是摄像头，10是投影物镜，11是幻灯片，12是聚光镜，13是光源，14是反光镜，f是投影物镜的焦点，D是投影光斑的直径，L是投影光斑处物体表面到投影物镜焦点f的距离。
【具体实施方式】
[0030]本发明提出的三维测距方法，包括以下步骤:
[0031](I)将幻灯片上的圆斑图形投影到测距装置的前方，在前方多个物体的表面分别形成圆斑图像，该圆斑图像的直径与物体表面和测距装置之间的距离成正比；如图1中所示，图1中，I是测距装置、2是远距离物体、3是三维测距装置中投影到远距离物体2上的测量圆斑图形，4是中距离物体，5是三维测距装置投影到中距离物体上的测量圆斑图形，6是近距离物体，7是三维测距装置投影到近距离物体6上的测量圆斑图形，8是图像处理器。
[0032](2)拍摄前方景物，得到前方景物的数字图像，该数字图像中包含有前方多个物体的圆斑图像，如图2所示，图2中，3是三维测距装置中投影到远距离物体2上的测量圆斑图形，5是三维测距装置投影到中距离物体上的测量圆斑图形，7是三维测距装置投影到近距离物体。
[0033](3)测量数字图像中每个圆斑图像的直径，根据每个圆斑图像的直径D，计算出该圆斑物体表面距测距装置投影物镜焦点f的距离L，其原理如图4所示:
[0034]L=D/ a
[0035]其中距离系数a由光学投影系统中投影物镜的孔径与焦距之比决定:
[0036]a =d/F
[0037]其中d为投影物镜的孔径，F为投影物镜的焦距。
[0038]本发明提出的三维测距装置，其结构如图3所示，该装置包括:
[0039]光源13，用于发出稳定的光能量，对幻灯片进行照明，光源置于反光镜与聚光镜之间；
[0040]反光镜，用于将光源向后发射的光线反射回来加以利用，提高光源的利用率，反光镜置于光源的后方；
[0041]聚光镜12，用于将光源发出的光线会聚并均匀地照射在幻灯片上，聚光镜置于光源的前方；
[0042]幻灯片11，用于通过曝光成像形成圆斑图形，幻灯片置于聚光镜与投影物镜之间；
[0043]投影物镜10，用于将幻灯片上的圆斑图形投影到测距装置前方物体表面上，投影物镜置于幻灯片与前方物体之间；
[0044]摄像头9，用于拍摄前方视场内物体表面上的圆斑图像，得到数字图像，并将数字图像输出给图像处理器；
[0045]图像处理器8，接收摄像头输出的数字图像，测量数字图像中每个圆斑的直径，根据每个圆斑的直径，计算出该圆斑物体表面距摄像头的距离。[0046]本发明的三维测距装置的一个实施例中，图像处理器8采用TI公司的TMS320C64x?数字信号处理器，摄像头9采用OmniVision公司像素为4224X3000的0V12830图像传感器模组，图像输出格式为IObit RAW RGB，投影物镜10采用焦距为IOOmm的双凸透镜，幻灯片11采用黑白正片胶片，聚光镜12采用焦距为IOmm的双凸透镜，光源13米用200W金属齒素灯泡,反光镜14米用金属抛光凹面镜。本发明的一个实施例中，距离系数a的取值为1/1000。
[0047]本发明三维测距装置的工作原理是:
[0048]由光源13、反光镜14、聚光镜12、幻灯片11和投影物镜10组成的投影系统，将幻灯片11上的圆斑图形投射到移动机器人前方空间(如图1所示)，投影光斑的直径D与被测物体表面到投影物镜焦点的距离L成正比(如图4所示)，通过图像处理器8和摄像头9组成的图像测量系统测量视场中各个投影光斑的直径D，就可计算出该投影光斑处的物体距离L。
[0049]本发明提供的三维测距装置，利用投影光斑直径与被测物体表面到投影物镜焦点距离成正比的特性，通过测量光斑直径的大小来获得该圆斑处物体表面的距离，可对摄像头视场内所有投影光斑处的物体进行快速测距，系统结构简单，成本低廉，无需三维扫描机构，不存在激光测距装置的安全性问题，可用于环境感知精度和测量速度要求较高的场合。
【权利要求】
1.一种三维测距方法，其特征在于该方法包括以下步骤: (1)将幻灯片上的圆斑图形投影到测距装置的前方，在前方多个物体的表面分别形成圆斑图像，该圆斑图像的直径与物体表面和测距装置之间的距离成正比； (2)拍摄前方景物，得到前方景物的数字图像，该数字图像中包含有前方多个物体的圆斑图像； (3)测量数字图像中每个圆斑图像的直径，根据每个圆斑图像的直径D，计算出该圆斑物体表面距测距装置投影物镜焦点f的距离L: L=D/a 其中距离系数a由光学投影系统中投影物镜的孔径与焦距之比决定: a =d/F 其中d为投影物镜的孔径，F为投影物镜的焦距。
2.—种三维测距装置，其特征在于该装置包括: 光源，用于发出稳定的光能量，对幻灯片进行照明，光源置于反光镜与聚光镜之间；反光镜，用于将光源向后发射的光线反射回来加以利用，提高光源的利用率，反光镜置于光源的后方； 聚光镜，用于将光源发出的光线会聚并均匀地照射在幻灯片上，聚光镜置于光源的前方； 幻灯片，用于通过曝光成像形成圆斑图形，幻灯片置于聚光镜与投影物镜之间； 投影物镜，用于将幻灯片上的圆斑图形投影到测距装置前方物体表面上，投影物镜置于幻灯片与前方物体之间； 摄像头，用于拍摄前方视场内物体表面上的圆斑图像，得到数字图像，并将数字图像输出给图像处理器； 图像处理器，接收摄像头输出的数字图像，测量数字图像中每个圆斑的直径，根据每个圆斑的直径，计算出该圆斑物体表面距摄像头的距离。
【文档编号】G01C3/00GK103499335SQ201310410512
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】高宏, 王庆 申请人:紫光股份有限公司