高精度TOF激光雷达设备及应用

高精度tof激光雷达设备及应用
技术领域
1.本发明涉及体育运动计时设备领域，具体涉及高精度tof激光雷达设备及应用 。


背景技术：

2.目前电子径赛计时是用传统的2d光学计时，即用数码相机拍出二维照片，然后传给裁判员，人工识别图像判断成绩，不能自动计算出成绩；其次所用的摄像机要求拍照频率特别高，所以精密且昂贵，因此不能随便使用。
3.3d深度相机比2d的光学相机多了距离信息，常用作机器的眼睛，有多种原理的3d相机，如飞行时间法、结构光法和双目立体视觉法等。既然能当眼睛，那么它们也可以经过针对性地改进设计，用来监控径赛并计时。
4.以tof三维相机为例，其扫描频率都在20-30hz（rps）之间，而目前摄像计时数码相机频率至少1000hz，可见tof相机不能直接用于计时；其次tof激光雷达相机一般是扫描静态环境的，不能连续快速扫描一个动态物体来捕捉它的动态过程，因此需要设计一种新的技术方案才能使其适用于高频、动态的径赛电子计时。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种高精度tof激光雷达设备及应用，解决需要人工辅助判读以及由此带来的延迟和误差问题，其扫描频率更高，从而拥有更高的精确度，并且设备小巧便捷，可以长期随时随地自助使用，使用场景灵活，使用成本低。
6.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：一种高精度tof激光雷达设备，包括以tof激光雷达模组为核心组件的微型单片机，其特征在于，该设备包括以下模组中的任一种：改进单线机械旋转式激光雷达，在转动扫描轮盘上安装多组收发模组，使其对准某个视场角重复扫描多次；改进多线机械旋转式激光雷达，去掉旋转底座，固定多线收发模组，使其对准跑道终点线固定扫描某个视场角；改进mems混合固态激光雷达，保留振镜只受到一个方向转向电流作用的模组，使其变成线性扫描，以适用于扫描终点线。
7.进一步的，该设备还包括：无线数据传输模块，接收同步命令和发送扫描到的图像数据；角度传感器模块，初始化扫描平面与终点线垂直地面平面之间的角度，使得所有赛道的扫描平面都统一到同一个终点平面；表面灰尘报警模块或自清洁模块，用于提醒或清洁设备表面的灰尘。
8.上述高精度tof激光雷达设备的应用方法，该方法包括：在每条跑道终点线的地面中间处插入所述设备，向上扫描运动员躯干部位；
在每条跑道终点线的分道线处插入所述设备，向上扫描运动员双腿；在龙门架上对应地面位置处安装所述设备，向下扫描运动员头背部和双臂，并且初始化扫描平面到同一平面并垂直于地面。
9.进一步的，所述设备组成的终点扫描平面以空中虚拟终点线为旋转轴旋转倾斜若干角度，把位于龙门架上和地面上的所述设备分别往终点线内、外移动若干距离，并初始化扫描平面与终点线垂直地面平面之间的角度，使得所有赛道的扫描平面都统一到同一个平面。
10.进一步的，所述终点扫描平面倾斜的极限是平行于地面，此时用所述设备在远处正面扫描运动员得到原始3d图像，计算其与终点面的交线，把每次扫描的交线都叠加起来，形成3d打印效果，得到完整的正面冲刺过程的合成3d图像，交线各自的扫描时间构成图像的时间轴坐标。
11.进一步的，所述设备将扫描到运动员越过终点扫描平面的过程生成带时间轴的3d图像，并计算出该图像中躯干部位的最前端点，其在时间轴上的坐标为冲刺时间，将各赛道成绩传到相应的服务器上，计算出名次并关联到数据库中的运动员记录上，用于显示或查询运动员各个属性。
12.本发明的有益效果是:（1）跨过终点线成绩就出来，节省了时间；（2）无需裁判判读，节省了人工；（3）只有系统误差，对每个人都公平；（4）设备长期固定地面，随时自助使用；本发明最大范围地满足了径赛高精度计时的实际使用需求，实现了全自动、全天候。
附图说明
13.图1为本发明将单线机械旋转式激光雷达单个收发模组改成多个收发模组结构的示意图；图2为本发明将多线机械旋转式激光雷达改成固定式集中扫描视场角方向结构的示意图；图3为本发明将mems混合固态激光雷达改造设计转向电流装置结构的示意图；图4为本发明激光雷达设备安装扫描位置示意图；图5为本发明三种扫描平面倾斜角度示意图；图6为本发明面阵激光雷达正面扫描过程示意图。
14.图中标号说明：11、发射器，12、接收器，21、收发模组阵列，22、接收光学组件，23、发射光学组件，24、旋转底座，31、旋转振镜，32、水平方向转向装置，33、垂直方向转向装置，41、核心的躯干扫描设备，42、右腿扫描设备，43、左腿扫描设备，44、右臂扫描设备，45、头颈和后背扫描设备，46、左臂扫描设备，51、垂直地面的扫描平面，52、倾斜若干角度的扫描平面，53、平行地面的扫描平面，54、倾斜旋转的中心轴，61-63、扫描到的身体逐渐增加图像，64、完整的正面冲刺过程的合成3d图像。
具体实施方式
15.下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
16.高精度tof激光雷达设备，包括以tof激光雷达模组为核心组件的微型单片机，其特征在于，该设备包括以下模组中的任一种：改进单线机械旋转式激光雷达，如图1所示，在转动扫描轮盘上安装多组收发模组，使其对准某个视场角重复扫描多次，在本实施例中，在转动扫描轮盘上环向均布有十组收发模组，使其本来单组转一圈扫描360
°
，变为多组对准某个36
°
的视场角重复扫描十次，这样扫描频率就增大了十倍，每个收发模组由一个发射器11和一个接收器12组成，并且每个收发模组上的发射器11与接收器12在转动扫描轮盘上竖向上下布设；改进多线机械旋转式激光雷达，如图2所示，去掉旋转底座，固定多线收发模组，使其对准跑道终点线固定扫描某个视场角，在本实施例中，多线收发模组由收发模组阵列21、接收光学组件22和发射光学组件23组成，收发模组阵列21设置在接收光学组件22与发射光学组件23之间；改进mems混合固态激光雷达，如图3所示，其旋转振镜31本来是在两个互相垂直的水平方向转向装置32与垂直方向转向装置33的作用下全平面扫描，只保留旋转振镜31受到一个方向转向电流作用的模组，使其变成线性扫描，以适用于扫描终点线，在本实施例中，保留水平方向转向装置32。
17.该设备还包括：无线数据传输模块，接收同步命令和发送扫描到的图像数据；角度传感器模块，初始化扫描平面与终点线垂直地面平面之间的角度，使得所有赛道的扫描平面都统一到同一个平面，这样相当于统一了终点线；表面灰尘报警模块或自清洁模块，用于提醒或清洁设备表面的灰尘，该模块也采用激光测距方案，如果测得距离很短说明就有灰尘，需要发出报警信号或者自动清洁。
18.一种用于径赛高精度计时的tof激光雷达设备的应用方法，如图4所示，该方法包括：在每条跑道终点线的地面中间处插入所述设备，作为核心的躯干扫描设备41，向上扫描运动员躯干部位；在每条跑道终点线的分道线处插入所述设备，分道线分为第一分道线和第二分道线，在第一分道线和第二分道线处分别插入右腿扫描设备42和左腿扫描设备43，向上扫描运动员双腿；在龙门架上对应地面位置处安装所述设备，其一字排开分别为右臂扫描设备44、头颈和后背扫描设备45和左臂扫描设备46，向下扫描运动员头背部和双臂，并且初始化扫描平面到同一平面并垂直于地面。
19.如图5所示，多个设备组成的终点扫描平面在垂直地面的情况下，如果运动员挺胸冲刺（身体没前倾），此时地面中间的核心设备的扫描光束与躯干平行，反射的效果不好，测量结果可能有误，为此，将设备组成的垂直地面的扫描平面51以空中虚拟终点线54为旋转轴旋转倾斜若干角度的扫描平面52，把位于龙门架上和地面上的所述设备分别往终点线内、外移动若干距离，也可把龙门架整体向起跑侧移动若干厘米，地面设备向终点线外移若干厘米，并初始化扫描平面与终点线垂直地面平面之间的角度，使得所有赛道的扫描平面
都统一到同一个平面，这个倾斜若干角度的扫描平面52与垂直地面的扫描平面51相交于一条线，这条线即为空中虚拟终点线54，扫描平面就是以这条交线为旋转轴旋转一个角度，设置这条空中虚拟终点线高度在运动员胸部位置，这样计时误差最小，倾斜之后的3d图像冲刺的不是终点平面，而是倾斜的扫描平面（视为终点面），后期可以通过算法纠正这个倾斜视角减小误差，也可以把垂直和倾斜扫描这两种方案同时用，根据运动员姿势自动选择设备以减少误差。
20.所述终点扫描平面倾斜的极限是平行于地面，图5中即为平行地面的扫描平面53，高度在胸部位置，此时如果还用线阵雷达设备，则始终只能扫描到胸部一条线，得不到全身的3d图像，这种情况必需改用面阵激光雷达（如mems型），放置在终点线外侧若干米处，如10米远处，面阵的每次扫描都得到一幅原始3d图像，其与终点面相交的一圈曲线（横切片），是身体各个部位越过终点面过程的相应瞬间，这样计算出的相交曲线，效果跟从四周扫描地时候得到的曲线类似，此时用所述设备在远处正面扫描运动员得到原始3d图像，计算其与终点面的交线，如图6所示，把每次扫描的交线都叠加起来，扫描到的身体逐渐增加图像61-63，形成3d打印效果，得到完整的正面冲刺过程的合成3d图像64，交线各自的扫描时间构成图像的时间轴坐标，为了提高面阵雷达的扫描频率（场频），可以减少雷达内部的扫描线数（行频），然后叠加这样的雷达数量，分工完成扫描区域，提高整体的扫描频率。
21.上述三种可能的应用架构（垂直、倾斜和平行）的任一种或组合（如垂直和倾斜都扫描，根据身体姿势选择图像），都能够扫描出运动员越过终点平面过程的3d图像，图像上躯干部位的最前端点便是冲刺瞬间，计算扫描曲线在时间轴坐标的最值就对应这个端点，最值的坐标数值就是冲刺时间，设备将扫描到运动员越过终点扫描平面的过程生成带时间轴的3d图像，并计算出该图像中躯干部位的最前端点，其在时间轴上的坐标为冲刺时间，将各赛道成绩传到相应的服务器上，计算出名次并关联到数据库中的运动员记录上，用于显示或查询各个属性。
22.本发明使用过程及原理（1）发令前的准备工作：首先设备启动报警测量模块，自查有没有灰尘阻挡地面设备的收发窗口；然后启动角度传感器，测量倾斜角度是否与设置要求一致，否则调节收发模块的初始角度，计时部分准备好后通知发令枪，等待发令信号；（2）接收到发令的无线起跑信号，启动计时器；（3）运动员穿过垂直地面的扫描平面51或者倾斜若干角度的扫描平面52，扫描设备扫描整个冲刺过程；（4）扫描设备计算躯干部位最前端得出冲刺时间，并通过无线信号发射出成绩；（5）外围服务器收到所有道次的成绩后，进行排名并公布成绩，同时存入数据库；（6）所有扫描设备发射出各自的扫描图像给服务器存档，如有必要供事后合成完整的3d图像；（7）对于若干米远处的正面扫描的面阵激光测距雷达来说，扫描到的原始3d图像与终点面必相交，叠加交线得到完整的正面冲刺过程的合成3d图像64，图像上每个点都是身体上对应的部位各自穿越扫描平面的瞬间定格，同样计算图像上的躯干端点，就能计算出成绩，目前这种面阵雷达的缺点是扫描频率较低，测距误差较大，随着雷达技术的发展这些缺点将会很快克服；
综上，终点激光雷达设备收到发令信号，启动测量模组和计时器，测得原始3d图像或者计算出合成3d图像，再根据图像计算出冲刺部位对应的时间轴坐标，就能得到比赛成绩。
23.此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
24.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。