CN102032895B - 具有测距功能的电子装置、测距系统及测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有测距功能的电子装置，其包括：至少一激光发射管，该激光发射管所发射出的激光柱在障碍物形成光斑；两个摄像单元，每一摄像单元分别用于图像，所述图像中包括该光斑的光斑影像；该控制单元用于控制该激光发射管及摄像单元的开启，并对每一摄像单元所获取的图像进行分析，识别出每一图像中的光斑影像、确定光斑影像在各图像中的位置，根据光斑影像的位置确定光斑影像到每一摄像单元的透镜光轴的垂直距离，然后计算出障碍物的距离，根据该障碍物的距离执行相应的操作。本发明还提出相应的测距系统及测距方法。

Description

具有测距功能的电子装置、测距系统及测距方法

技术领域

本发明涉及具有测距功能的电子装置、测距系统及测距方法，特别涉及一种结合激光及图像摄取的具有测距功能的测距系统及测距方法。 

背景技术

测距不仅广泛的应用在工程测量上，也应用在一些具有人工智能的玩具及具自我控制的车辆上(以下将这些具有人工智能的玩具及自我控制的车辆统称为电子装置)。这些电子装置进行测距主要用于探测前方障碍物的距离，然后经过相应的控制以使得电子装置减速、转向，以便避免碰撞或绕开这些障碍物。 

现有的测距方式除了利用尺具直接测量外，还有利用标杆配合仪器进行测量，但是尺具需要人力去丈量，而标杆配合仪器测量时，则需要一个人插设标杆，而另一个人去操控仪器，操作都很不方便，这两种方法是不能利用在前面所描述的具有人工智能的玩具及具自我控制的车辆上。 

现在还有一种测距方法为激光测距法，该激光测距法的原理为利用一激光发射器对目标探测物发射出激光，再由一低噪声、高敏感度的激光接收器接收由目标探测物反射回的激光柱，然后利用发射及接收之间的时间差来计算距离。然而，由于光速为3×10的8次方米每秒，当距离差异很小时，那么所得到的时间差也很少，这需要设备能非常精准的探测到时间差才可以减少测距的误差，因此激光测距法一般较为常用于距离很长的目标探测物的测距，例如利用在太空测距上。而在一般的电子装置上，虽然也利用激光，但只是根据是否接收到反射光来确定激光柱是否被阻碍来确定前方是否有障碍物，而不能精准的探测前方障碍物的距离。 

还有一种测距方法为图像测距法，即利用摄像设备多次摄像获得多个图 像，然后对这些图像进行识别及分析测出障碍物的距离。然而，这种图像测距法是非常的复杂及难以实现，例如如何识别出障碍物就是一个难题。 

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种具有测距功能的电子装置、测距方法及测距系统，以解决现有测距方法所存在的技术问题，方便、快速、精准的测出障碍物的距离。 

该具有测距功能的电子装置包括：至少一激光发射管，该激光发射管所发射出的激光柱在障碍物形成光斑；两个摄像单元，每一摄像单元用于摄取一图像，所述图像中包括该光斑的光斑影像；一控制单元用于控制该激光发射管及摄像单元的开启，并对每一摄像单元所获取的图像进行分析，识别出每一图像中的光斑影像、确定光斑影像在各图像中的位置，根据光斑影像的位置确定光斑影像到每一摄像单元的透镜光轴的垂直距离，然后计算出障碍物的距离，根据该障碍物的距离执行相应的操作。 

进一步，该激光发射管的数量为多个，每一激光发射管发射不同颜色和波长的激光柱。 

进一步，还包括有一光感应单元，该光感应单元用于探测外界光线环境，该控制单元是为根据该光感应单元探测到的外界光线环境，开启对应的激光发射管。 

进一步，该激光发射管的数量为多个，其按一定形状进行排布，该控制单元还根据每一激光发射管形成的光斑，计算出各光斑表示的障碍物的距离。 

进一步，该两个摄像单元的透镜光轴不平行。 

该具有测距系统包括：至少一激光发射管，该激光发射管所发射出的激光柱在障碍物形成光斑；两个摄像单元，每一摄像单元用于摄取一图像，所述图像中包括该光斑的光斑影像；一控制单元用于控制该激光发射管及摄像单元的开启，并对每一摄像单元所获取的图像进行分析，识别出每一图像中的光斑影像、确定光斑影像在各图像中的位置，根据光斑影像的位置确定光 斑影像到每一摄像单元的透镜光轴的垂直距离，然后计算出障碍物的距离，根据该障碍物的距离执行相应的操作。 

进一步，该激光发射管的数量为多个，每一激光发射管发射不同颜色和波长的激光柱；还包括有一光感应单元，该光感应单元用于探测外界光线环境，该控制单元是为根据该光感应单元探测到的外界光线环境，开启对应的激光发射管；该激光发射管的数量为多个，其按一定形状进行排布，该控制单元还根据每一激光发射管形成的光斑，计算出各光斑表示的障碍物的距离；该两个摄像单元的透镜光轴不平行。 

该测距方法利用至少一激光发射管及两个摄像单元对障碍物进行测距，其特征在于，包括如下步骤：开启激光发射管发射出激光柱，该激光柱在障碍物形成有光斑；开启摄像单元，通过该每一摄像单元摄取一图像，所述每一图像中包括该光斑的光斑影像；识别出每一图像中存在的光斑影像，确定光斑影像的位置；根据光斑影像的位置确定光斑影像到每一摄像单元的透镜光轴的垂直距离，然后计算出障碍物的距离。 

附图说明

图1为本发明具有测距功能的电子装置的结构示意图。 

图2为控制单元的模块结构图。 

图3为两个摄像单元20的透镜光轴平行时，障碍物的距离的几何计算原理示意图。 

图4为两个摄像单元20的透镜光轴不平行时，障碍物的距离的几何计算原理示意图。 

图5为本发明测距方法的流程图。 

具体实施方式

申请人首先需要说明的是在本发明的附图及具体实施方式中都只示出及详细描述与本发明技术创新点相关联的结构、模块、功能及作业流程，而为了构成一完整的电子装置、测距方法及测距系统所需的习知结构、模块、 功能及作业流程并不示出或描述，然而也必须需要说明的是在本发明的附图及具体实施方式中所示出或详细描述的结构、模块、功能及作业流程并非全部为本发明的必要技术特征。 

请参阅图所示为本发明具有测距功能的电子装置的结构示意图。该电子装置1上设置有至少一激光发射管10，该激光发射管10可在该电子装置1需要判断前方是否存在障碍物及对障碍物进行测距时开启以发射出激光柱，当电子装置1的前方存在有障碍物时，每一激光柱会在障碍物形成有一个光斑。 

该电子装置1上还设置有两个摄像单元20(第一摄像单元20A及第二摄像单元20B)，该摄像单元20为光学摄像镜头，用于该电子装置1进行测距时且一般在所述的激光发射管10开启后开启以摄取图像。当电子装置1的前方具有障碍物时，激光发射管10所发射出的激光柱在该障碍物形成有光斑，所述激光发射管10及每一摄像单元20的角度设置适当，所述每个摄像单元20所获取的图像会包含所述光斑的光斑影像。在本实施方式中，所述摄像单元20位于所述激光发射管10的两侧，而且为了避免两个摄像单元20之间形成有摄像死角，这两个摄像单元20的透镜光轴不平行。 

该电子装置1还包括有一控制单元30(详细请参阅图2的说明)，该控制单元30用于控制该激光发射管10及摄像单元20的开启，并对每一摄像单元20所获取的图像进行分析，识别出每一图像中的光斑影像、确定光斑影像在图像中的位置，根据光斑影像的位置确定光斑影像到摄像单元20的透镜光轴的垂直距离，利用几何公式(特别为三角形的各种计算公式)计算出障碍物的距离。 

在本发明中，每一激光发射管10可发射不同颜色和波长的激光柱，以适应不同外界光线环境下摄像单元20都可获得可识别的光斑影像，以减少外界光线(例如强光)在障碍物形成的亮点造成的干扰。另外，激光发射管10的数量较佳为多个，其可按一定形状进行排布。 

例如在本实施方式中激光发射管10的数量为4个，其中垂直方向上有两 个激光发射管10(激光发射管10A及激光发射管10B)，而位于垂直方向的激光发射管10的两侧水平方向上各有1个激光发射管10(激光发射管10C及激光发射管10C)，其作用为：1)多个激光发射管10所发射的激光柱在障碍物所形成的光斑是有一定形状的，该光斑在摄像单元20所获取的图像中形成较为容易识别的图形，例如激光发射管10A、B、C所形成的光斑构成了一个等腰三角形，而激光发射管10A、B、D所形成的光斑也可构成了一个等腰三角形，而激光发射管10A、B、C、D所形成的光斑也可构成了一个菱形，通过这种方式可更方便于光斑的识别；2)多个激光发射管10在障碍物上形成多个光斑，这些光斑尤其为形成可方便识别的图形，可减少外界光线(例如强光)在障碍物形成的亮点造成的干扰；3)可以判断多个点上的障碍物的距离，例如通过中间的激光发射管10A、B形成的光斑测出中间方向上障碍物的距离，而通过激光发射管10C形成光斑探测出前方偏左方向上障碍物的距离，而通过激光发射管10D形成光斑探测出前方偏右方向上障碍物的距离。 

在本发明中，较佳的还包括有一光感应单元40，该光感应单元40用于探测外界光线环境，该控制单元30根据该光感应单元40探测到的外界光线环境，开启对应的激光发射管10。 

请参阅图2所示，是为控制单元30的模块结构图。需要说明的是该控制单元30可以是一单一的控制芯片，亦可以是由多个控制芯片组成。该控制单元30包括一激光发射管控制模块310，该激光发射管控制模块310用于控制所述激光发射管10的开启及关闭。较佳的，激光发射管10为多个且每一激光发射管10可发射不同颜色和波长的激光柱的实施方式中，该控制单元30还包括有一外界光线探测模块320，用于控制该光感应单元40探测外界光线环境，并确定外界光线环境。该激光发射管控制模块310是为根据该外界光线环境选择开启相应的激光发射管10。 

该控制单元30还包括有一摄像控制模块330，用于控制开启所述摄像单元20，获得所述摄像单元20所摄取的图像。较佳的，摄像控制模块330在激光发射管控制模块310开启激光发射管10一预定时间后开启摄像单元20 

该控制单元30还包括有一识别模块340，用于识别出每一图像中是否存在光斑影像，以及确定光斑影像的位置。在一图像中包含有多个光斑影像时，一一确定每一光斑影像的位置。 

该控制单元30还包括有一计算模块350，用于根据光斑影像的位置确定光斑影像到摄像单元20的透镜光轴的垂直距离(以下简称为像距)，然后根据特定的几何公式计算出障碍物的距离，并记录该障碍物的距离，所述详细的计算原理请参照图3及图4所示。如果一图像中包含有多个光斑影像时，控制单元30一一确定每一光斑的位置确定每一光斑影像的像距，然后计算出每一障碍物(每一光斑表示一个障碍物)的距离，并记录每一障碍物的距离。 

该控制单元30还包括有一操作控制模块360，用于根据该障碍物或每一障碍物的距离控制该电子装置1执行相应的操作。在不同的电子装置1中，可根据需要编写不同操作的控制指令，例如当距离小于预定值控制减速、转向、停止等。该操作在不同的电子装置1(例如测量工具)中可以是播报或显示出该障碍物的距离。在应用多个激光发射管10的实施方式，也可以根据所测出的前方左、中、右障碍物的距离不同控制远动的方向例如直行、左转、右转、减速、停止或转向等。 

参阅图3所示，为两个摄像单元20的透镜光轴平行时，障碍物的距离的几何计算原理示意图。在该图中只示障碍物上形成有一个光斑的情况，如果有多个光斑，每一光斑所表示的障碍物的距离的计算原理相同。 

在该图中，A点表示激光发射管10所发射的激光柱在障碍物上所形成的光斑，点O1表示第一摄像单元20A的透镜光心，A’表示光斑A在第一摄像单元20A的影像感测片上所形成的光斑影像，光心O1到影像感测片的垂直连线为O1B，A’B为影像A’的像距。 

点O2表示第二摄像单元20B的透镜光心，A”表示光斑A在第二摄像单元20B的影像感测片上所形成的光斑影像，光心O2到影像感测片的垂直连线为O2C，A”C为影像A”的像距。BC的长度为第一摄像单元20A与第二摄像单元20B的轴心距。 

当第一摄像单元20A设置完毕后，O1B的长度是固定的，而且像距A’B很容易获得。根据O1B及A’B即可计算出角O1A’B。同理可计算出角O1A”C。而且轴心距BC为一固定值，那么A’A”的距离为轴心距BC与像距A’B、像距A”C的和。在一三角形中求知两个角及一条边的情况下，很容易的获得其他边及一条边上的高度。而点A到影像A’及影像A”的连线A’A”的垂直线AM即为障碍物的距离即可求出。当然，也可以将点A到光心O1及光心O2的连线O1O2的垂直线AP作为障碍物的距离。 

参阅图4所示，为两个摄像单元20的透镜光轴不平行时，障碍物的距离的几何计算原理示意图。在该图中只示障碍物上形成有一个光斑的情况，如果有多个光斑，每一光斑所表示的障碍物的距离的计算原理相同。 

A点表示激光发射管10所发射的激光柱在障碍物上所形成的光斑，点O1及点O2分别为第一摄像单元20A及第二摄像单元20B的透镜光心，而经过光心O1及光心O2的直线Z1及Z2分别为第一摄像单元20A及第二摄像单元20B的透镜光轴。该光轴Z1与Z2在一个平面上。 

A’表示光斑A在第一摄像单元20A的影像感测片上所形成的光斑影像，光心O1到影像感测片的垂直连线为O1B，O1B位于光轴Z1上，A’B为影像A’的像距。B点为影像感测片与光轴Z1的垂直交点。 

A”表示光斑A在第二摄像单元20B的影像感测片上所形成的光斑影像，光心O2到影像感测片的垂直连线为O2C，O2C位于光轴Z2上，A”C为影像A”的像距。C点为影像感测片与光轴Z2的垂直交点。AA’的延长线与连线BC的延长线相交于Q1点，AA”的延长线与连线BC的延长线相交于Q2点。光轴Z1与光轴Z2与连线BC在本实施方式中成锐角。连线BC与光心O1与光心O2的连线O1O2平行。 

当第一摄像单元20A设置完毕后，O1B的长度是固定的，而且像距A’B很容易获得。根据O1B及A’B即可计算出角BO1A’。同理可计算出角CO1A”。当第一摄像单元20A、第二摄像单元20B设置完毕后，连线BC(第一摄像单元20A的影像感测片与其光轴Z1的垂直交点B与第二摄像单 元20B的影像感测片与其光轴Z2的垂直交点C的连线)与光轴Z1的夹角角O1BC是固定的，连线BC与光轴Z2的夹角角O2CB亦是固定的。根据角O1BC及角BO1A’可求得角O1Q1B，而根据O2CB及角CO2A”可求得角O2Q2C。 

由于角AO1O2与角O1Q1B相等，角AO2O1与角O2Q2C相等，可算出角AO1O2及角AO2O1。O1与光心O2的距离O1O2为固定值。在一三角形中求知两个角及一条边的情况下，很容易的获得其他边及一条边上的高度。而点A到光心O1及光心O2的连线O1O2的垂直线AP作为障碍物的距离即可求出。当然，也可以将AP与连线O1O2与连线BC的距离PM之和AM作为障碍物的距离，O1O2与连线BC的距离PM在已经调制好的电子装置1中是固定的，AM亦可求出。 

参阅图5所示，为本发明测距方法的流程图，该测距方法可应用于前面所描述的电子装置1中。开启激光发射管10发射出激光柱，该激光柱在障碍物上形成光斑(步骤S410)。开启所述摄像单元20，通过该摄像单元20摄取图像。较佳的，开启摄像单元20是在开启激光发射管10一预定时间后(步骤S420)。识别出每一图像中是否存在光斑的光斑影像，以及当存在有光斑影像时确定光斑影像的位置。如果一图像中包含有多个光斑影像时，一一确定每一光斑影像的位置(步骤S430)。根据光斑影像的位置确定光斑影像到摄像单元20的透镜光轴的垂直距离，然后计算出障碍物的距离，并记录该障碍物的距离，所述详细的计算原理请参照图3及图4所示。当一图像中包含有多个光斑影像时，一一确定每一光斑影像的位置确定每一光斑影像的像距，然后计算出每一障碍物(每一光斑影像表示一个障碍物)的距离，并记录每一障碍物的距离(步骤S440)。根据该障碍物或每一障碍物的距离控制该电子装置1执行相应的操作(步骤S450)。 

在激光发射管10为多个且每一激光发射管10可发射不同颜色和波长的激光柱的实施方式中，在步骤S410之前还可包括步骤：通过光感应单元40探测外界光线环境，并确定外界光线环境。步骤S410中控制激光发射 管10开启是为根据该外界光线环境选择开启相应的激光发射管10。 

在本发明中，激光发射管10、摄像单元20、控制单元30及光感应单元40可以位于不同的装置中而非一定位于一个单一的装置中，这些装置构成了测距系统。 

Claims (15)

1.一种具有测距功能的电子装置，其包括有一控制单元，其特征在于，该电子装置还包括有：

至少一激光发射管，该激光发射管所发射出的激光柱在障碍物形成光斑；

两个摄像单元，每一摄像单元用于摄取一图像，所述每一图像中包括该光斑的光斑影像；

该控制单元用于控制该激光发射管及摄像单元的开启，并对每一摄像单元所获取的图像进行分析，识别出每一图像中的光斑影像、确定光斑影像在各图像中的位置，根据光斑影像的位置确定光斑影像到每一摄像单元的透镜光轴的垂直距离，计算出障碍物的距离，根据该障碍物的距离执行相应的操作。

2.如权利要求1所述的具有测距功能的电子装置，其特征在于，该激光发射管的数量为多个，每一激光发射管发射不同颜色和波长的激光柱。

3.如权利要求2所述的具有测距功能的电子装置，其特征在于，还包括有一光感应单元，该光感应单元用于探测外界光线环境，该控制单元是为根据该光感应单元探测到的外界光线环境，开启对应的激光发射管。

4.如权利要求1所述的具有测距功能的电子装置，其特征在于，该激光发射管的数量为多个，其按一定形状进行排布，该控制单元是为根据每一激光发射管形成的光斑，计算出各光斑表示的障碍物的距离。

5.如权利要求1所述的具有测距功能的电子装置，其特征在于，该两个摄像单元的透镜光轴不平行。

6.一种测距系统，其包括有一控制单元，其特征在于，该测距系统还包括有：

至少一激光发射管，该激光发射管所发射出的激光柱在障碍物形成光斑；

两个摄像单元，每一摄像单元用于摄取一图像，所述每一图像中包括该光斑的光斑影像；

该控制单元用于控制该激光发射管及摄像单元的开启，并对每一摄像单元所获取的图像进行分析，识别出每一图像中的光斑影像、确定光斑影像在各图像中的位置，根据光斑影像的位置确定光斑影像到每一摄像单元的透镜光轴的垂直距离，然后计算出障碍物的距离。

7.如权利要求6所述的测距系统，其特征在于，该激光发射管的数量为多个，每一激光发射管发射不同颜色和波长的激光柱。

8.如权利要求7所述的测距系统，其特征在于，还包括有一光感应单元，该光感应单元用于探测外界光线环境，该控制单元是为根据该光感应单元探测到的外界光线环境，开启对应的激光发射管。

9.如权利要求6所述的测距系统，其特征在于，该激光发射管的数量为多个，其按一定形状进行排布，该控制单元是为根据每一激光发射管形成的光斑，计算出各光斑表示的障碍物的距离。

10.如权利要求6所述的测距系统，其特征在于，该两个摄像单元的透镜光轴不平行。

11.一种测距方法，该测距方法利用至少一激光发射管及两个摄像单元对障碍物进行测距，其特征在于，包括如下步骤：

开启激光发射管发射出激光柱，该激光柱在障碍物形成有光斑；

开启摄像单元，通过该每一摄像单元摄取一图像，所述每一图像中包括该光斑的光斑影像；

识别出每一图像中存在的光斑影像，确定光斑影像的位置；

根据光斑影像的位置确定光斑影像到每一摄像单元的透镜光轴的垂直距离，然后计算出障碍物的距离。

12.如权利要求11所述的测距方法，其特征在于，该激光发射管的数量为多个，每一激光发射管发射不同颜色和波长的激光柱。

13.如权利要求12所述的测距方法，其特征在于，开启激光发射步骤前还包括通过一光感应单元探测外界光线环境，并确定外界光线环境的步骤；开启激光发射步骤具体为根据该外界光线环境选择开启相应的激光发射管。

14.如权利要求11所述的测距方法，其特征在于，该激光发射管的数量为多个，其按一定形状进行排布，该测距方法根据每一激光发射管形成的光斑，计算出各光斑表示的障碍物的距离。

15.如权利要求11所述的测距方法，其特征在于，该两个摄像单元的透镜光轴不平行。

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