[發明專利]一種三維測距方法及其裝置

有效

• 申請號: 201310410512.0
• 申請日: 2013-09-10
• 公開（公告）號: CN103499335A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發明（設計）人: 高宏;王慶
• 申請（專利權）人: 紫光股份有限公司
• 主分類號: G01C3/00
• 分類號: G01C3/00
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 羅文群

技術領域

本發明涉及一種三維測距方法及其裝置，特別涉及一種用于移動機器人的三維測距方法及其裝置，屬于移動機器人環境感知技術領域。

背景技術

距離測量是移動機器人感知環境和完成其它高級任務（如自主導航、避開障礙、地圖生成和環境建模等）的必要基礎。目前用于移動機器人的測距技術有：

（1）雙目視覺測距。利用兩臺位置相互固定的攝像機組成雙目視覺測量系統，根據同一景物在兩臺攝像機上成像的視差恢復出景物深度，從而獲得距離信息。雙目視覺測量方法在原理上非常簡單，可用于三維測距，但由于光照、噪聲和畸變等因素的影響，導致目標點投影到兩臺攝像機上的像點特性不同，很難從兩臺攝像機拍攝的圖像中找到對應的像點，因此目前雙目視覺測距技術還不成熟，同時視覺圖像的處理過程復雜，需要較長的計算時間，無法適應實時性要求較高的場合。

（2）超聲波測距。超聲波測距的原理是利用超聲波發射器發射高頻超聲波脈沖，超聲波在空氣介質中行進一段距離，遇到障礙物后反射，由接收器接收返回的超聲波。測量超聲波從發射器發射到碰到障礙物反射回接收器的時間，根據超聲波在空氣介質中的傳播速度與超聲波頻率，就可計算出機器人距障礙物的距離。超聲傳感器體積小、價格低，目前已在移動機器人獲得廣泛應用，但超聲波測距在實際應用中仍然存在明顯的不足：超聲波在空氣中傳播有較大的能量衰減，最大測量距離有限；超聲波的波束角較大，使得反射目標點的準確方位難以確定，因此超聲波測距技術僅能用在對環境感知精度要求不高的場合，如只是大致知道一下前方是否有較大的障礙物。

（3）紅外測距。紅外測距通過紅外信號發射管發射特定頻率的紅外信號，當紅外信號遇到障礙物被反射，由紅外信號接收管接收返回的紅外信號。測量紅外信號從發射管發射到碰到障礙物反射回接收管的時間，就可獲得障礙物的距離。紅外發射管發射的紅外信號具有有一定的發散角度，無法確定反射目標點的準確方位。另外，由于自然界的所有物體只要溫度高于0K都會輻射紅外線，室內墻壁也會將紅外信號反射到紅外接收管，使得紅外測距精度受環境影響很大，紅外測距技術也只能用于對環境感知精度要求不高的場合。

（4）激光測距。激光測距原理與超聲波和紅外測距原理類似，利用激光脈沖發射和接收之間的飛行時間來計算測量距離。激光的準直性能好，可以對目標點進行精確測距，為了獲得前方扇形平面區域內任意一點的距離，必需要增加二維掃描裝置，使激光束進行扇形掃描（圖1）。激光測距的優點是準確度高，適于對環境感知精度要求較高的場合，缺點是系統復雜、成本較高，難以在移動機器人領域推廣應用。若要對三維空間的物體測距，還需使用三維掃描裝置，大幅度增加了系統的體積、復雜性和成本。另外，脈沖激光束是能量非常集中的單色光源，掃描測距時若直接照射到人眼，會對人眼造成嚴重損傷。

發明內容

本發明的目的是提出一種三維測距方法及其裝置，利用光學成像技術和圖像測量技術，直接測量三維空間的物體距離，無需三維掃描機構，對目標點進行精確快速定位，并使測距系統結構簡單、降低測距成本。

本發明提出的三維測距方法，包括以下步驟：

（1）將幻燈片上的圓斑圖形投影到測距裝置的前方，在前方多個物體的表面分別形成圓斑圖像，該圓斑圖像的直徑與物體表面和測距裝置之間的距離成正比；

（2）拍攝前方景物，得到前方景物的數字圖像，該數字圖像中包含有前方多個物體的圓斑圖像；

（3）測量數字圖像中每個圓斑圖像的直徑，根據每個圓斑圖像的直徑D，計算出該圓斑物體表面距測距裝置投影物鏡焦點f的距離L：

L=D/α

其中距離系數α由光學投影系統中投影物鏡的孔徑與焦距之比決定：

α=d/F

其中d為投影物鏡的孔徑，F為投影物鏡的焦距。

本發明提出的三維測距裝置，包括：

光源，用于發出穩定的光能量，對幻燈片進行照明，光源置于反光鏡與聚光鏡之間；

反光鏡，用于將光源向后發射的光線反射回來加以利用，提高光源的利用率，反光鏡置于光源的后方；

聚光鏡，用于將光源發出的光線會聚并均勻地照射在幻燈片上，聚光鏡置于光源的前方；

幻燈片，用于通過曝光成像形成圓斑圖形，幻燈片置于聚光鏡與投影物鏡之間；

投影物鏡，用于將幻燈片上的圓斑圖形投影到測距裝置前方物體表面上，投影物鏡置于幻燈片與前方物體之間；

攝像頭，用于拍攝前方視場內物體表面上的圓斑圖像，得到數字圖像，并將數字圖像輸出給圖像處理器；