基于線束激光器和普通攝像頭芯片的多點(diǎn)測距裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測距裝置及方法，尤其涉及一種基于線束激光器和普通攝像頭芯 片的多點(diǎn)測距裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等特征，能大大提高測量精確 度，被廣泛應(yīng)用在測距裝置上。激光測距方法具有原理簡單、測量速度快、測程遠(yuǎn)的特點(diǎn)，目 前，許多室內(nèi)機(jī)器人系統(tǒng)，使用激光測距裝置作為主要傳感器，用來畫圖、定位和避障。
[0003] 傳統(tǒng)的激光測距方法包括脈沖法、相位法及三角測量法，脈沖法測量精度較低，相 位法每次測距需要的穩(wěn)定時間較長，三角測距法具有較好的應(yīng)用效果生產(chǎn)成本低，是目前 研究的熱點(diǎn)。
[0004] 本發(fā)明中提出采用一種激光整型裝置，該激光整型裝置將激光發(fā)射器發(fā)出的激光 整型為線束激光，經(jīng)過整型后激光發(fā)射器發(fā)出的線束激光在一個寬角度范圍內(nèi)呈一字線圖 樣，假設(shè)線束激光發(fā)射到前方寬角度范圍內(nèi)的目標(biāo)物體上，反射的光會映射為不同的折線 線段或曲線線段，由于在發(fā)出的激光線在目標(biāo)物體上形成的光斑比較固定，那么在攝像頭 芯片上成像時，在不同的距離成像的折線線段或曲線線段質(zhì)心所在的位置也不同。通過圖 像算法檢測出來激光斑在拍攝圖像中的位置不同，求出線段質(zhì)心位置，按照本發(fā)明推導(dǎo)的 公式可以求出物體距離。同時，本發(fā)明也提出了，前方物體距離不同所拍攝到的折線或曲線 的粗細(xì)也不同：在近距離，成像的線段粗，線段直徑可能為幾十個像素點(diǎn)；在遠(yuǎn)距離，例如5 米處，成像的線段細(xì)，線段直徑可能只有幾個像素點(diǎn)。記錄這個不同線段粗細(xì)的特點(diǎn)，可以 對所求取的距離值進(jìn)行自糾錯，對于錯誤的測距幀可以舍棄。同時，如附圖3所示，理論上最 近測距距離是G點(diǎn)，但由于激光不是一個像素點(diǎn)的激光線，而是有一定粗度的激光線，所以 最近測距在I點(diǎn)；同樣的，H點(diǎn)以內(nèi)的距離都不能拍照到比較完整的圖像線段。對于這些不完 整線段的圖像，提前記錄下其圖像計(jì)算質(zhì)心和實(shí)際質(zhì)心的不同位置對應(yīng)關(guān)系，可以用來表 述到超出理論值的近距離測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對上述技術(shù)存在的缺陷，提供了一種基于線束激光器和普通攝像頭芯片 的多點(diǎn)測距裝置及方法，該測距裝置可以一次測量一個寬角度范圍內(nèi)多個點(diǎn)的距離；測距 裝置結(jié)構(gòu)簡單，用戶成本低;測距方法快速、靈敏，在通信、航空、智能家居等測距領(lǐng)域有很 高的應(yīng)用價值。
[0006] 本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種基于線束激光器和普通攝像頭芯片的多 點(diǎn)測距裝置及方法，該激光測距裝置包括激光發(fā)射器、激光整型模塊、成像透鏡組、普通攝 像頭芯片及DSP處理單元;所述激光發(fā)射器經(jīng)激光整型模塊整型為線束激光，激光發(fā)射器的 發(fā)射方向與普通攝像頭芯片所在平面成某一角度;激光發(fā)射器到普通攝像頭芯片中心的距 離為一特定值;激光發(fā)射器經(jīng)過激光整型模塊發(fā)出的線束激光照射到前方寬角度范圍內(nèi)的 目標(biāo)物體表面，發(fā)生漫反射，反射的光會映射為不同的折線線段或者曲線線段，上述反射的 折線線段或曲線線段與當(dāng)前視場角內(nèi)的其他物體經(jīng)成像透鏡組共同成像于普通攝像頭芯 片上;DSP處理單元采集到上述成像的折線線段或者曲線線段，而后根據(jù)角度關(guān)系，可以求 取該角度方向的待測距離。
[0007] 所述的激光整型模塊安裝在所述激光發(fā)射器后端，用于將點(diǎn)束激光整型為線束激 光。
[0008] 所述激光整型模塊可以為成型透鏡、振動片、旋轉(zhuǎn)棱鏡。
[0009] 所述的成像透鏡組進(jìn)一步包括一濾光片，濾光片安裝在所述成像透鏡組前端，用 以濾掉特定波長的光。
[0010] 所述的測距裝置進(jìn)一步包括一基座，所述激光發(fā)射器、成像透鏡組、普通攝像頭芯 片及DSP處理單元固定在該基座上。
[0011] 所述激光發(fā)射器到所述普通攝像頭芯片中心的距離范圍為3cm~9cm〇 [0012] 所述的DSP處理單元包括FIFO模塊、連接導(dǎo)線、DSP電路。
[0013]所述普通攝像頭芯片包括但不限于(XD圖像傳感器、CMOS圖像傳感器。
[00M] 所述測距方法如下：
[0015] 1)獲取圖像數(shù)據(jù):調(diào)整激光發(fā)射器的發(fā)射方向與普通攝像頭芯片所在平面成某一 角度，激光發(fā)射器經(jīng)過激光整型模塊發(fā)出的線束激光照射到前方寬角度范圍內(nèi)目標(biāo)物體表 面，發(fā)生漫反射，反射的折線或曲線與當(dāng)前視場角內(nèi)的物體經(jīng)成像透鏡組共同成像于普通 攝像頭芯片上，反射的折線或曲線成像為多條高亮度的折線線段或者曲線線段，其他背景 成像為比較低亮度的數(shù)據(jù)，普通攝像頭芯片記錄對應(yīng)方向的一幀數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，并將該幀 圖像數(shù)據(jù)傳輸給DSP處理單元，該幀圖像記錄了當(dāng)前時間鏡頭視場角內(nèi)的數(shù)字化了的圖像 數(shù)據(jù)；
[0016] 2)處理圖像數(shù)據(jù):DSP處理單元對步驟1)中所述的數(shù)字化了的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 首先用數(shù)字算法消除圖像畸變，而后進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑消除噪點(diǎn)，最后設(shè)定門限進(jìn)行二值化；
[0017] 3)再次根據(jù)步驟1)中所述的折線線段或曲線線段的左右關(guān)系對圖像平滑進(jìn)而消 除噪點(diǎn)，消除噪點(diǎn)后各條折線線段或曲線線段為自左向右排列，使得同一個X坐標(biāo)上只有一 個高亮線段存在；
[0018] 4)求取每一個X坐標(biāo)上的高亮線段的質(zhì)心:將同一個X坐標(biāo)的高亮線段的點(diǎn)坐標(biāo)加 起來進(jìn)行平均，可以得到對應(yīng)X坐標(biāo)的質(zhì)心為Y;經(jīng)過本步計(jì)算，從左到右的任意一個X坐標(biāo) 上，只可能有不超過1個的Y高亮質(zhì)心點(diǎn);對于某個X，如果有1個Y質(zhì)心點(diǎn)，代表這個方向上的 距離在測距范圍內(nèi)，如果沒有Y質(zhì)心點(diǎn)，代表這個方向上的距離不在測距范圍內(nèi)；
[0019] 5)根據(jù)自左至右的所有(X，Y)計(jì)算測量角度和測量距離：
[0020] a)對于某一個(X，Y)，根據(jù)Y軸坐標(biāo)求垂直距離d，已知激光發(fā)射器到普通攝像頭芯 片鏡頭組的距離為P，普通攝像頭芯片鏡頭在Y軸視場角為2a，普通攝像頭芯片鏡頭中軸與 激光發(fā)射器夾角為9,帶入公式計(jì)算出垂直距離d，
其中，n為 激光點(diǎn)在Y軸上的坐標(biāo)，y*Y軸方向上普通攝像頭芯片成像的總點(diǎn)數(shù)；
[0021 ] 對于最近測量點(diǎn)G，當(dāng)G的理論值n = y時，可求得最近測量量程d c，
[0022] b)已知普通攝像頭芯片鏡頭在X軸上視場角為邪，圖像數(shù)據(jù)在X軸的中心點(diǎn)為0,每 一個X代表一個方向，X方向與Y方向所成的方向角為Y，對于x = m，y = n的坐標(biāo)點(diǎn)來說，
帶入公式求出待測距離dx
獲取測 距結(jié)果（Y，dx)為在y方向的距離dx;
[0023] c)重復(fù)步驟a)及步驟b)，計(jì)算完自左向右整個邪寬角度范圍內(nèi)的多個點(diǎn)的測距角 度及測距距離并將整個邪范圍內(nèi)的多個點(diǎn)的測距結(jié)果輸出。
[0024] 所述的步驟3)中進(jìn)一步包括對不同距離的成像的折線線段或曲線線段自校準(zhǔn)步 驟:假設(shè)激光在目標(biāo)物體上形成的光斑比較固定，那么在普通攝像頭芯片上成像時，在不同 的距離成像的折線線段或曲線線段的粗細(xì)也不同，記錄下在不同距離的折線線段或曲線線 段粗細(xì)特性和垂直距離的關(guān)系作為自校準(zhǔn)指標(biāo)，排除掉錯誤測距。
[0025] 該方法進(jìn)一步包括對無法拍攝到完整反射折線或反射曲線的某一點(diǎn)距離以內(nèi)的 物體測距方法:對其在普通攝像頭芯片范圍內(nèi)的不完整折線線段或曲線