CN101290351A - 一种光学识别及测距装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学识别及测距装置，包括：激光发射单元，用于向待测物发射两束不同波长的激光构成的组合光线；激光接收单元，用于接收经待测物反射后的光信号，并将接收到的光信号进行光电转换，输出电信号；解调单元，用于将激光接收单元输出的电信号解调为两束不同波长的激光产生的电信号；模拟/数字(A/D)转换单元，用于将解调单元输出的电信号进行模数转换，输出数字信号；方向调整单元，用于调整激光发射单元发射的组合光线的传播方向；控制单元，用于整个装置的控制。该装置检测精度高、速度快、实时性好。

Description

一种光学识别及测距装置

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种在水果采摘机器人系统中使用的光学识别及测距装置。

背景技术

在水果采摘机器人设计中，视觉系统的作用是获取水果的具体位置信息，然后将机械臂移动到采摘的最佳位置，最后再进行采摘。因此准确的获取目标水果的三维位置信息是水果采摘机器人视觉系统的主要工作。目前已知的水果采摘机器人的视觉系统基本采用彩色相机作为视觉设备，一个彩色相机只能得到目标的二维位置信息和成熟度信息，而无法获取其三维位置信息。没有纵深距离，机器人就不能进行采摘。因此，对于纵深距离不固定的水果采摘环境，必须至少再增加一个测距工具才能获取其纵深距离。目前常用的测距工具可以是彩色相机、激光测距仪、超声波传感器等。对于两个相机构成的视觉系统可以采用双目立体视觉方法来获取其三维位置信息。激光和超声波均可以采用渡越时间法来测量纵深距离，也都可以采用对物体反射光特征或声波特征进行分析的方法来获取其纵深距离。激光的优势在于它的辨析度较高，可以发射点对点的激光束；而超声波的优势在于操作简单、价格便宜，但是声波的传播基本可以看作是一个圆锥形，不仅传输速度慢，而且如果距离较长，声波能量损失较大，准确性较差。总之，水果采摘机器人的视觉系统往往采用两个彩色相机采集图像，然后通过将两幅图像进行中心合成来重建采摘目标的三维信息，或者采用一个彩色相机和另外的一种测距装置进行目标定位。

上述目标定位方案均存在一定的缺陷：比如采用两个彩色相机的系统需要计算机后期对图像信息进行大量的处理工作，实时性不是很好，而其他的系统也存在定位精度较低等问题。激光测距仪精度较高，实时性较好，但只能在纵深距离上进行定位，且不能对目标进行识别。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种光学识别及测距装置，以克服现有技术中存在的辨析度差、精度较低以及实时性不好的缺陷。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种光学识别及测距装置，该装置包括：激光发射单元，用于向待测物发射由两束不同波长的激光构成的组合光线；激光接收单元，用于接收经所述待测物反射后的光信号，并将所述光信号转换为电信号；解调单元，用于将所述激光接收单元输出的电信号解调为分别由所述两束不同波长的激光产生的电信号；模拟/数字A/D转换单元，用于将所述解调单元输出的电信号转换为数字信号；控制单元，根据所述A/D转换单元输出的数字信号，对所述待测物进行识别，并得到所述待测物与所述一种光学识别及测距装置之间的距离。

其中，该装置还包括方向调整单元，用于调整所述激光发射单元发射的两束不同波长的激光构成的组合光线的传播方向。

其中，所述方向调整单元包括：第一步进电机，竖直放置，使输出轴朝上；托盘，安装于所述第一步进电机的输出轴之上，在所述第一步进电机的带动下摆动；第二步进电机，水平安装于所述托盘之上，跟随所述托盘摆动；步进电机驱动器，接收所述控制单元的控制命令，驱动所述第一步进电机和第二步进电机摆动。

其中，所述激光发射单元包括：两个激光发射器，用于在收到所述控制单元发出的控制命令后，发射两束不同波长的激光；冷反射镜，使所述两束不同波长的激光经反射、折射，汇聚为所述组合光线；全反射镜，反射所述组合光线至摆动镜；摆动镜，安装在所述第二步进电机的输出轴上，在所述第二步进电机的带动下摆动，用于将所述组合光线反射至所述待测物，并调整所述组合光线的出射方向。

其中，所述冷反射镜为红外透过、可见光反射特性的冷反射镜。

其中，所述激光接收单元包括：透镜，用于汇聚所述组合光线照射到所述待测物时发生漫反射的部分光线；光电位置敏感传感器，用于采集经过所述透镜汇聚后的光信号，并将所述光信号转换为电信号。

其中，所述两个激光发射器一个水平放置，另一个竖直向下放置，且在同一水平面内，使所述两束不同波长的激光处于一个平面且在所述冷反射镜的轴心处相交；所述光电位置敏感传感器和所述水平放置的激光发射器的发射端点处于同一直线上；所述冷反射镜、所述全反射镜均与水平方向成45°角；所述透镜位于所述光电位置敏感传感器与所述待测物之间。

其中，所述控制单元进一步包括：运算子单元，对所述A/D转换单元输出的由所述两束不同波长的激光产生的电信号的数字信号进行除法运算，获取目标系数；系数比较子单元，比较所述目标系数与已知待测物的系数范围，根据所述目标系数所属的所述已知待测物的待测范围，对所述待测物进行识别；三角定位子单元，根据所述激光接收单元输出的电信号，以及所述激光发射单元、所述激光接收单元中各部件的位置关系，根据三角定位原理，测定所述待测物的距所述一种光学识别及测距装置的距离。

其中，所述解调单元包括：前置放大电路，放大所述激光接收单元输出的电信号；高通滤波电路，滤除所述前置放大电路输出的电信号中由自然光产生的信号干扰；锁相放大电路，检测并放大所述高通滤波电路的输出电信号中与所述控制单元发出的参考信号同步的信号；低通滤波电路，滤除所述锁相放大电路输出信号中的背景噪音干扰；加法电路，连接在所述锁相放大电路与所述低通滤波电路之间，用于将两路模拟电信号进行相加。

其中，所述控制单元为计算机或嵌入式系统。

用本发明提供的一种光学识别及测距装置进行识别及测距，具有以下有益效果：

1、使用辨析度高、传输速度快且传输过程中激光损失小，整个装置的检测速度快，实时性好；

2、光电位置敏感传感器响应速度快、位置分辨率高、输出与光强度无关而只与光点位置有关；

3、使用控制单元对A/D转换单元的输出信号进行处理，使整个装置的识别及测距过程精度更高，识别率更高，更科学；

4、本发明所提供的光学识别装置可单独使用，也可与彩色相机配套使用。

附图说明

图1为本发明一种光学识别及测距装置的结构框图；

图2为本发明一种光学识别及测距装置应用于苹果采摘机器人系统中的结构图；

图3为本发明的解调电路单元的结构框图；

图4为本发明的方向调整单元的结构框图；

图5为本发明的距离计算方法原理示意图。

图中，1、激光发射器A；2、激光发射器B；3、冷反射镜；4、全反射镜；5摆动镜；6、透镜；7、光电位置敏感传感器；8、待测物；9、输出轴A；10、输出轴B；11、托盘。

具体实施方式

本发明提出的一种光学识别及测距装置，结合附图和实施例说明如下。

实施例1

如图1，本实施例的一种光学识别及测距装置包括：

控制单元S101，为一台计算机，用于控制整个装置，首先，发出对激光发射单元S102的控制命令；

激光发射单元S102，在收到控制单元S101所发出的控制命令后，向待测物发射由两束不同波长的激光构成的组合光线；

激光接收单元S103，接收上述经待测物反射后的光信号，并将光信号转换为电信号输出；

解调单元S104，用控制单元S101发出的参考信号将所述激光接收单元S103输出的电信号解调为分别由所述两束不同波长的激光产生的电信号；

模拟/数字A/D转换单元S105，用于将所述解调单元输出的电信号转换为数字信号；

方向调整单元S106，用于调整所述激光发射单元S102所发出的激光的传播方向；

所述控制单元S101，对所述A/D转换单元S105输出的数字信号进行处理，根据处理结果对所述待测物进行识别，并得到所述待测物与本装置的距离。

实施例2

植物(包含果树)的各个部分的反射光谱特征主要由叶片、果实及枝干中的细胞、叶绿素、水分含量和其他生物化学成分对光线的吸收和反射形成的，在不同的波段，植物的各个部分的反射光谱曲线具有不同的形态和特征，它是物体表面粒子结构、粒子尺度、粒子的光学性质、入射光波长等参数的函数。叶片、果实及枝干等不同的部分对不同波段的光具有不同的反射特征。在特定波段，叶片、果实及枝干等不同的部分对光线的反射有很大的差异，通过对这种差异的分析，可以对叶片、果实及枝干等进行区分。

因此，采用光学方法进行区别苹果树的叶子、果实和枝干等不同部分是可行的，同时，配合光电位置敏感传感器，根据三角定位原理，可以测定苹果的距离。

本实施例所提供的光学识别及测距装置，应用于苹果采摘机器人系统中，用于识别树叶、枝干、苹果以及测量待测物距本装置的距离，总体结构如图2所示：

虚线圆框部分为激光发射单元以及激光接收单元，其中：

激光发射器A1竖直向下放置，激光发射器B2水平放置，且两个激光发射器在同一个水平面内，两个激光发射器发射的光处于一个平面且在冷反射镜3的轴心处相交；

本实施例选用的冷反射镜3具有红外透过、可见光反射特性，与水平方向呈45°角，全反射镜4同样与水平方向呈45°角；

光电位置敏感传感器7，响应速度快、位置分辨率高、输出与光强度无关而只与光点位置有关，其与激光发射器B2的发射端点处于同一直线上；

透镜6位于光电位置敏感传感器7之前；

解调单元，将光电位置敏感传感器7输出的信号进行解调，输出两束激光产生的电信号，如图2所示，包括：前置放大电路、高通滤波电路、锁相放大电路、低通滤波电路以及加法电路等；

A/D转换单元，用于将解调单元输出的电信号进行模数转换，输出数字信号；

方向调整单元，如图4所示：

步进电机A水平放置，安装在托盘11上，摆动镜5安装在步进电机A的输出轴A9上，托盘11安装在步进电机B的输出轴B10上，步进电机B竖直放置，步进电机驱动器与两步进电机连接，摆动镜5在步进电机A的带动下可在120°范围内摆动，步进电机B通过带动托盘11的摆动，带动步进电机A在90°范围内摆动，由于所述摆动镜5在步进电机A的带动下摆动，激光可以在竖直线上扫描，同时步进电机B的摆动将激光的扫描范围扩展到平面扫描；

选用嵌入式处理器作为控制单元，用于整个装置的控制，包括控制步进电机的摆动，控制激光的发射，向锁相放大电路发送参考信号，接收、处理A/D转换部分输出的数字信号。

用本实施例提供的一种光学识别及测距装置进行苹果树各部分的识别及距离的测量，其过程如下：

接通电源后，嵌入式处理器向两个激光发射器发出不同的控制信号，激光发射器A1、激光发射器B2接收到控制信号后发出频率分别为13KHZ和6.5KHZ的激光束，两个激光发射器的发射光处于同一平面内且在冷反射镜3的轴心处相交。冷反射镜3与水平方向成45°放置，由于本实施例中采用的冷反射镜3具有红外透过、可见光反射的特性，因此经冷反射镜3反射和折射后激光发射器A1所发射的685nm红光和激光发射器B2所发射的830nm红外光汇聚为一条组合光线，该组合光线经过与水平成同样成45°放置的全反射镜4的反射后，又经过摆动镜5的反射，射向苹果树的树冠。组合光线照射到被照射物的表面后，产生漫反射，漫反射的部分光线经透镜6的汇聚后聚焦于光电位置敏感传感器7上的某一点。光电位置敏感传感器7在光点照射的情况下在两端M点和N点(如图2所示)输出电流信号，此电流信号为两种波长的激光共同作用的结果，其中M点与N点的电流的比值为光点到M点的距离与光点到N点的距离的比值。

光电位置敏感传感器7上两个端点M点和N点的电信号分别经过前置放大电路的放大后输入到高通滤波电路，去除自然光的影响。经过前置放大和高通滤波处理后的M点和N点电信号分别输入到四个不同的锁相放大电路中(如图3所示)，同时，嵌入式处理器发出4KHz和8KHz的参考信号，其中4KHz的参考信号输入到锁相放大电路a和锁相放大电路c中，8KHZ的参考信号输入到锁相放大电路b和锁相放大电路d中。经过上述过程，四个锁相放大电路的输出分别为830nm的激光和685nm激光在光电位置敏感传感器7的M点和N点所产生的电信号，具体来说，锁相放大电路a的输出为830nm激光在光电位置敏感传感器7的M点产生的电信号，锁相放大电路b的输出为685nm激光在光电位置敏感传感器7的M点产生的电信号，锁相放大电路c的输出为685nm激光在光电位置敏感传感器7的N点产生的电信号，锁相放大电路d的输出为830nm激光在光电位置敏感传感器7的N点产生的电信号。锁相放大电路b和锁相放大电路c的输出作为加法电路的输入，加法电路的输出为685nm的激光在光电位置敏感传感器7上产生的电信号的总和。加法电路的输出、锁相放大电路a和锁相放大电路d的输出分别经过低通滤波电路，以消除背景噪音的影响。

如图2、图3所示，经过低通滤波的三路信号，即加法电路的输出、锁相放大电路a和锁相放大电路d的输出信号，通过A/D转换电路进行A/D转换。转换结果分别为685nm的激光在光电位置敏感传感器7上产生的电信号数字值830nm激光在光电位置敏感传感器7的M点和N点产生的电信号数字值，830nm激光产生的电信号数字值为830nm激光在光电位置敏感传感器7的M点和N点产生的电信号数字值二者之和，转换结果输入到嵌入式处理器中。

在嵌入式处理器中，对两个波长的激光在光电位置敏感传感器7所产生的电信号进行除法运算，用830nm激光产生的电信号数字值除以685nm激光所产生的电信号数字值，将得到一比值，设此比值为K，当此比值K为1.4左右时，可判断目标为苹果，当K为2左右时，可判断目标为枝干，当K为6.5左右时，可判断目标为树叶。

由于已经得到830nm激光在光电位置敏感传感器7上M点和N点的电信号，不妨设为I₁和I₂(如图5所示)，又根据图2中冷反射镜3、激光发射器B2、透镜6及光电位置敏感传感器7的放置位置关系，根据三角定位原理，可以求出扫描目标距离激光发射器B2的距离，进而求出目标距离整个装置的距离。

具体方法如下：

如图5所示，设透镜6中心到边缘的距离为L，激光发射器B2发射的830nm激光经过待测物8的反射和透镜6后，照射在距光电位置敏感传感器7中心X的位置，因此有：

$\frac{I_1}{I_2}=\frac{L+X}{L-X}---\left(1\right)$

在公式(1)中，X为唯一未知量，因此，可求解出X。

设经过透镜6中心的光线与光电位置敏感传感器7的夹角为β，透镜6焦距为f，则有：

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{f}{X}---\left(2\right)$

如图5所示，设激光发射器B2的发射点到待测物8的距离为P，激光发射器B2的发射点到光电位置敏感传感器7的中点的距离为D，待测物8到激光发射器B2与光电位置敏感传感器7垂直面的距离为H，激光发射器B2发射的激光与光电位置敏感传感器7的夹角为α，α为已知量，且可以调节。则有：

$\frac{P}{\sin \mathrm{\β}}=\frac{D+X}{\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}---\left(3\right)$

在公式(3)中，P为唯一未知量，可求解出P，然后根据

H＝P*Sinα    (4)

可求出所要求的测量距离H。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1、一种光学识别及测距装置，其特征在于，该装置包括：

激光发射单元，用于向待测物发射由两束不同波长的激光构成的组合光线；

激光接收单元，用于接收经所述待测物反射后的光信号，并将所述光信号转换为电信号；

解调单元，用于将所述激光接收单元输出的电信号解调为分别由所述两束不同波长的激光产生的电信号；

模拟/数字A/D转换单元，用于将所述解调单元输出的电信号转换为数字信号；

控制单元，根据所述A/D转换单元输出的数字信号，对所述待测物进行识别，并得到所述待测物与所述一种光学识别及测距装置之间的距离。

2、如权利要求1所述的一种光学识别及测距装置，其特征在于，该装置还包括方向调整单元，用于调整所述激光发射单元发射的两束不同波长的激光构成的组合光线的传播方向。

3、如权利要求2所述的一种光学识别及测距装置，其特征在于，所述方向调整单元包括：

第一步进电机，竖直放置，使输出轴朝上；

托盘，安装于所述第一步进电机的输出轴之上，在所述第一步进电机的带动下摆动；

第二步进电机，水平安装于所述托盘之上，跟随所述托盘摆动；

步进电机驱动器，接收所述控制单元的控制命令，驱动所述第一步进电机和所述第二步进电机摆动。

4、如权利要求3所述的一种光学识别及测距装置，其特征在于，所述激光发射单元包括：

两个激光发射器，用于在收到所述控制单元发出的控制命令后，发射两束不同波长的激光；

冷反射镜，使所述两束不同波长的激光经反射、折射，汇聚为所述组合光线；

全反射镜，反射所述组合光线至摆动镜；

摆动镜，安装在所述第二步进电机的输出轴上，在所述第二步进电机的带动下摆动，用于将所述组合光线反射至所述待测物，并调整所述组合光线的出射方向。

5、如权利要求4所述的一种光学识别及测距装置，其特征在于，所述冷反射镜为红外透过、可见光反射特性的冷反射镜。

6、如权利要求4所述的一种光学识别及测距装置，其特征在于，所述激光接收单元包括：

透镜，用于汇聚所述组合光线照射到所述待测物时发生漫反射的部分光线；

光电位置敏感传感器，用于采集经过所述透镜汇聚后的光信号，并将所述光信号转换为电信号。

7、如权利要求6所述的一种光学识别及测距装置，其特征在于，所述两个激光发射器一个水平放置，另一个竖直向下放置，且在同一水平面内，使所述两束不同波长的激光处于一个平面且在所述冷反射镜的轴心处相交；所述光电位置敏感传感器和所述水平放置的激光发射器的发射端点处于同一直线上；所述冷反射镜、所述全反射镜均与水平方向成45°角；所述透镜位于所述光电位置敏感传感器与所述待测物之间。

8、如权利要求6所述的一种光学识别及测距装置，其特征在于，所述控制单元进一步包括：

运算子单元，对所述A/D转换单元输出的由所述两束不同波长的激光产生的电信号的数字信号进行除法运算，获取目标系数；

系数比较子单元，比较所述目标系数与已知待测物的系数范围，根据所述目标系数所属的所述已知待测物的待测范围，对所述待测物进行识别；

三角定位子单元，根据所述激光接收单元输出的电信号，以及所述激光发射单元、所述激光接收单元中各部件的位置关系，根据三角定位原理，测定所述待测物的距所述一种光学识别及测距装置的距离。

9、如权利要求1所述的一种光学识别及测距装置，其特征在于，所述解调单元包括：

前置放大电路，放大所述激光接收单元输出的电信号；

高通滤波电路，滤除所述前置放大电路输出的电信号中由自然光产生的信号干扰；

锁相放大电路，检测并放大所述高通滤波电路的输出电信号中与所述控制单元发出的参考信号同步的信号；

低通滤波电路，滤除所述锁相放大电路输出信号中的背景噪音干扰；

加法电路，连接在所述锁相放大电路与所述低通滤波电路之间，用于将两路模拟电信号进行相加。

10、如权利要求1至9任一项所述的一种光学识别及测距装置，其特征在于，所述控制单元为计算机或嵌入式系统。

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