一种深度相机及移动机器人的制作方法

1.本技术涉及机器人技术领域，具体涉及一种深度相机及移动机器人。


背景技术：

2.移动机器人是一种由传感器、遥控操作器和自动控制器等机构组成的具有移动功能的机器人系统。移动机器人具有移动功能，在代替人从事危险、恶劣(如辐射、有毒等)环境下作业和人所不及的(如宇宙空间、水下等)环境作业方面，比一般机器人有更大的机动性、灵活性。随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。移动机器人总共分为四大应用范围、工业机器人、探索机器人、服务机器人、军事机器人。
3.以服务机器人中的清洁机器人为例，清洁机器人，又名自动扫地机、智能吸尘器、自主清洁器等，能完成清洁、吸尘、擦地等工作。随着科技的发展和生活水平的提高，清洁机器人得到了广泛的应用。
4.清洁机器人的前端一般设置有避障系统，防止机器人在运动过程中与周边物体碰撞而产生损毁。现有的机器人的避障系统一般采用红外传感器，发送或接受感应信号，来实现避障。随着技术的发展，深度相机也慢慢在机器人的避障方案中得到应用。目前主流的深度相机有结构光、时间飞行法、双目立体三种，其中时间飞行法是现在重点研究的方向。时间飞行法包括直接飞行时间(direct time-of-flight，dtof)和间接飞行时间(indirect time-of-flight，itof)，其中，itof向场景中发射调制后的红外光信号，再由传感器接收场景中待测物体反射回来的光信号，根据曝光(积分)时间内的累计电荷计算发射信号和接收信号之间的相位差，从而获取目标物体的深度。


技术实现要素：

5.本技术提出一种深度相机及移动机器人，可以解决相关技术中的一个或多个技术问题。
6.第一方面，本技术一实施例提供一种深度相机，包括控制与处理器以及沿基线设置的光发射器和两个tof传感器，两个tof传感器分设于光发射器的两侧；光发射器，在控制与处理器的控制下，用于向目标视场区域投射光束；两个tof传感器，在控制与处理器的控制下，分别用于接收目标视场区域中的部分视场区域中目标物体反射回的至少部分光束并形成各自的电信号；控制与处理器，用于控制光发射器和两个tof传感器开启工作，接收两个tof传感器各自形成的电信号并计算得到两个局部深度图。
7.在一些实施例中，控制与处理器用于通过串行传输总线同步控制两个所述tof传感器开启工作，还用于将两个局部深度图进行融合和拼接，得到目标视场区域的目标深度图。
8.在一些实施例中，两个tof传感器的视场角度相同，tof传感器的视场角度可选为
60
°
至85
°
。
9.在一些实施例中，两个tof传感器与光发射器之间的基准线距离均相同，两个tof传感器与光发射器之间的基准线距离均可选为30毫米至40毫米。
10.在一些实施例中，光发射器和两个tof传感器的光轴均与深度相机的工作面之间存在向上倾斜的角度偏差，角度偏差可选为8
°
至15
°
。
11.第二方面，本技术一实施例提供一种移动机器人，包括：机器人主体；控制模组，设置在机器人主体内，用于控制驱动模组和深度相机；驱动模组，设置在机器人主体上，用于在控制模组的控制下，驱动机器人主体移动；深度相机为根据第一方面任一实施例所述的深度相机，设置在机器人主体上，用于在控制模组的控制下，检测机器人主体与外部障碍物之间的距离。
12.在一些实施例中，移动机器人为清洁机器人，清洁机器人还包括清洁模组，清洁模组设置在机器人主体上，用于在控制模组的控制下进行清洁作业。
13.本技术实施例提供的深度相机，实现一个光发射器发射的光束覆盖两个tof传感器的视场范围，扩大了深度相机的视场角；另外，两个tof传感器共用一个光发射器，能够减少多光源产生干扰的问题，也能够提高两个tof传感器形成的电信号的同步性。当清洁机器人采用该深度相机作为视觉模组时，显然地，可以提高清洁机器人的视场角，提升机器人的避障能力和扫描效率。
附图说明
14.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1是本技术一实施例提供的一种清洁机器人的结构示意图；
16.图2是本技术一实施例提供的一种深度相机的结构示意图；
17.图3是本技术另一实施例提供的一种深度相机的结构示意图；
18.图4是本技术又一实施例提供的一种深度相机的结构示意图；
19.图5是本技术一实施例提供的一种光发射器与tof传感器的光轴与工作面的角度偏差示意图。
具体实施方式
20.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
21.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或
描述的那些以外的顺序实施。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
22.需要理解的是，术语“右”、“左”、“水平”、“上”、“内”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
23.目前的itof深度精度在厘米(cm)级，并且随着测量距离的增大，反射光的强度减小，相位测量的信噪比减小，绝对误差也会随之增大。一般来说，在相同的测量距离条件下，深度相机所能探测的范围(field of view，fov)越大，得到的深度图分辨率会越低，由于需要确保采集到的深度图分辨率符合要求，因此现有的清洁机器人的视场角度难以得到提升。为了解决这个技术问题，本技术实施例提供一种深度相机及移动机器人，可以提高移动机器人的视场角度，从而可以提升机器人的避障能力和扫描效率。
24.为了说明本技术所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
25.图1为本技术实施例提供的一种清洁机器人的结构示意图。如图1所示，清洁机器人10包括：机器人主体11、深度相机12、控制模组13、驱动模组(图1中未示出)和清洁模组(图1中未示出)。深度相机12、驱动模组和清洁模组均设置在机器人主体11上，控制模组13设置在机器人主体11内。深度相机12、驱动模组和清洁模组分别与控制模组13电连接，控制模组13用于控制深度相机12、驱动模组和清洁模组，具体地，控制模组13通过向深度相机12、驱动模组和清洁模组发送相应的控制指令来实现对它们的控制。驱动模组用于在控制模组13的控制下，驱动机器人主体11移动。深度相机12用于在控制模组13的控制下，检测机器人主体11与外部障碍物之间的距离。清洁模组用于在控制模组13的控制下，进行清洁作业。
26.继续参见图1所示，深度相机12设置在机器人主体11的外壁上。需要说明的是，图1中仅示出了一个深度相机，应理解，在其他实施例中，还可以根据实际工作环境在机器人主体11的外壁设置多个深度相机。本技术实施例对深度相机的数量和设置的位置不予具体限制。
27.在一可能的实现方式中，驱动模组凸设于机器人主体11底部，包括左右分布的例如两个或四个等多个驱动轮来实现清洁机器人10的行走。在这个实现方式中，驱动模组采用可以的是轮式驱动模组。应理解，在其他一些实现方式中，驱动模组还可以采用履带式、腿式(或称足式)或轨道式驱动模组。本技术实施例对驱动模组的具体实现形式不予具体限定。
28.在一可能的实现方式中，清洁模组包括位于凸设于机器人主体11底部的吸尘子模块、滚刷子模块和拖地子模块中的一个或多个，可用于实现来对地面进行诸如吸尘、清扫和拖地等中的一个或多个不同方式的清洁。需要说明的是，本技术实施例对清洁模组的具体实现形式不予具体限定。
29.图2为本技术图1所示清洁机器人中深度相机的结构示意图。如图2所示，深度相机
包括光发射器121、第一tof传感器122、第二tof传感器123和控制与处理器(图2中未示出)。光发射器121、第一tof传感器122和第二tof传感器123沿基线设置。光发射器121、第一tof传感器122和第二tof传感器123分别与控制与处理器电连接，控制与处理器用于控制光发射器121、第一tof传感器122和第二tof传感器123。第一tof传感器122和第二tof传感器123分别设置在光发射器121的左右两侧。光发射器121，用于在控制与处理器的控制下，向目标视场区域投射光束。第一tof传感器122用于在控制与处理器的控制下，接收目标视场区域中目标物体反射回的至少部分光束并形成第一电信号；第二tof传感器123，用于在控制与处理器的控制下，接收目标视场区域中部分视场区域中目标物体反射回的至少部分光束并形成第二电信号。控制与处理器，用于控制光发射器121、第一tof传感器122和第二tof传感器123开启工作，接收第一tof传感器122的第一电信号并根据第一电信号计算得到第一局部深度图，以及接收第二tof传感器123的第二电信号并根据第二电信号计算得到第二局部深度图。
30.在本实施例中，为了尽可能使得两个tof传感器的传输同步，控制与处理器还用于通过串行传输总线同步控制两个tof传感器开启工作。两个tof传感器通过串行传输总线与控制与处理器连接，串行传输总线优选i2c格式，i2c格式的串行传输总线为双向同步串行总线，包括串行数据线(sda)和串行的时钟线(scl)。第一tof传感器122和第二tof传感器123通过串行传输总线连接能够被同步触发，提高两个tof传感器形成的电信号的同步性。
31.在本技术实施例中，目标视场区域表示深度相机所能探测的范围(fov，field of view)，第一tof传感器122所能探测的范围或第二tof传感器123所能探测的范围为目标视场区域中的部分视场区域，目标视场区域也可以理解为第一tof传感器122所能探测的范围和第二tof传感器123所能探测的范围的叠加。光发射器121投射的光束能够完全覆盖所述目标视场区域。
32.在本实施例中，两个tof传感器共用一个光发射器，能够减少多光源产生干扰的问题，也能够提高两个tof传感器形成的电信号的同步性。当清洁机器人采用该深度相机作为视觉模组时，显然地，可以提高清洁机器人的视场角，提升机器人的避障能力和扫描效率。
33.在相同的测量距离和硬件条件下，tof传感器的视场区域越大，得到的深度图分辨率会越低，本实施例提供的深度相机利用两个tof传感器来获取两个局部深度图以得到目标视场区域的目标深度图，能够在保证测试精度的前提下扩大深度相机的视场角。
34.请参阅图3和图4，第一tof传感器122和第二tof传感器123的轴线在相同的水平面上倾斜设置，且图3所示为相向倾斜，图4所示为相背倾斜。第一tof传感器122和第二tof传感器123相向倾斜设置，在近距离检测时，两个tof传感器的视场重叠度较高，因此仅在近距离时的视场角改善效果不明显。第一tof传感器122和第二tof传感器123相背倾斜设置，在近距离检测时，两个tof传感器的视场重叠度较低，因此在近距离检测时视场角改善效果更加明显。
35.在一个实施例中，光发射器121包括光源。光源可以是发光二极管(light-emitting diode，led)、激光二极管(laser diode，ld)、边发射激光器(edge emitting laser，eel)、垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,vcsel)等。光源所发射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。优选地，光源是在单块半导体基底上生成多个vcsel光源以形成的vcsel阵列光源芯片，光源阵列中光源的排列方式可以是规
则的也可以是不规则的，vcsel阵列发射特定频率的调制红外光。在其他一些实施例中，光发射器121还可以包括驱动器等，光源在驱动器的驱动下并在控制与处理器的控制下向外发射光束。在其他一些实施例中，光发射器121还可以包括发射光学元件，发射光学元件用于对光源发射的光束进行光学调制，比如衍射、折射、反射等调制，随后朝向目标视场区域发射被调制后的光束，比如聚焦光束、泛光光束、结构光光束等。发射光学元件可以是透镜、液晶元件、衍射光学元件、微透镜阵列、超表面(metasurface)光学元件、掩膜板、反射镜、mems振镜等形式中的一种或多种的组合。
36.在一个实施例中，深度相机还可以包括接收光学元件，两个tof传感器的入光侧可以分别设置接收光学元件，接收光学元件用于将目标视场区域中目标物体反射的至少部分光束成像至tof传感器。
37.在一个实施例中，深度相机还可以包括滤光单元，两个tof传感器的入光侧可以分别设置滤光单元，滤光单元用于滤除背景光或杂散光。例如为带通滤光片等。当深度相机包括接收光学元件时，滤光单元可以位于接收光学元件与tof传感器之间，也可以位于接收光学元件的入光侧。
38.在一个可能实现方式中，两个tof传感器输出的电信号包括原始相位(rawphase)数据，控制与处理器根据rawpahase数据计算目标物体的距离，再根据距离转深度，得到深度图；在另一个可能实现方式中，tof传感器采集光信号并输出电信号，控制与处理器根据四相位采样法(4-sampling-bucket)，具体地，利用4个相位延迟为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
的采样信号，结合电信号计算相位差，并基于相位差计算目标物体的深度，得到深度图。
39.在一个实施例中，控制与处理器还用于将第一局部深度图和第二局部深度图进行融合和拼接，得到目标视场区域的目标深度图。由于两个tof传感器的视场范围会重叠。因此可以通过算法将两个tof传感器获得的信号进行融合和拼接。本技术实施例对此算法不予具体限制，任何可实现本技术发明构思的算法都可用于本技术。
40.在一个实施例中，第一tof传感器122和第二tof传感器123的视场角度和分辨率均相同。作为一实现方式，视场角度为60
°
至85
°
，60
°
至85
°
视场角的tof传感器的性价比较高，且两个视场角为60
°
至85
°
的tof传感器叠加使用能够得到更优的性能，如果视场角过小或者过大，即便两个tof传感器叠加，最终成像的效果并不会得到较优的改善。
41.在一个实施例中，将深度相机应用在清洁机器人上，一般清洁机器人的产品尺寸为30厘米左右，为了使得深度相机与清洁机器人的产品协调性能更优，深度相机整机的宽度要求小于10厘米，因此优选设置第一tof传感器122和第二tof传感器123之间的基准线距离小于80毫米。第一tof传感器122和第二tof传感器123之间的基准线距离过小或者过大，都可能影响最终的成像效果，经过实验优选设置第一tof传感器122和第二tof传感器123之间的基准线距离为60毫米至80毫米。即第一tof传感器122或第二tof传感器123与光发射器121之间的基准线距离为30毫米至40毫米。优选第一tof传感器122或第二tof传感器123的视场角度均为78
°
，分辨率均为680*480。
42.在某一具体实施例中，第一tof传感器122和第二tof传感器123之间的基准线距离为65毫米，第一tof传感器122或第二tof传感器123的视场角度均为78
°
，可以使得两个tof传感器的视场角度达到120
°
。
43.在一个实施例中，如图5所示，光发射器121、第一tof传感器122和第二tof传感器
123的光轴均与深度相机的工作面之间存在向上倾斜的角度偏差。需要说的是，深度相机的工作面指的是深度相机的安装面或放置面，而当深度相机应用于清洁机器人时，工作面指的是清洁机器人所在的地平面。优选地，角度偏差为12
°
。通过这种设置，能够减少射向地面的光出现反射和/或散射，进而避免tof传感器接收到的反射光信号过大而出现过曝现象，从而可以提高深度相机测量的目标三维信息的准确性。
44.需要说明的是，在前述实施例中，以清洁机器人作为移动机器人的示例进行说明，应理解，示例性说明不能解释为对本技术的限制，在本技术其他实施例中，移动机器人可以为送货机器人、送餐机器人、探测机器人等等。
45.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
46.以上所述仅为本技术的较佳实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。