CN102636152A - 可移动平台的主动视觉测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可移动平台的主动视觉测距系统，包括设置在所述的移动平台上的摄像机，所述的摄像机内设置镜头和图像传感器，还包括设置在所述的移动平台上的激光投射器，还包括进行集中控制的电子控制装置，所述的电子控制装置与所述的摄像机和激光投射器连接，所述的激光投射器发射线性结构光可经过前方障碍物反射以后，经过所述的镜头投影在所述的图像传感器上。所述的激光投射器在所述的电子控制装置的控制下可上下转动。所述的镜头的光轴设置与所述的激光投射器的中心轴线位于同一平面，所述的激光投射器发射的线性结构光设置在水平方向。所述的电子控制装置设置内部设置主动视觉测距算法，通过所述的主动视觉测距算法可测量前方障碍物和台阶的距离。

Description

可移动平台的主动视觉测距系统

技术领域

本发明涉及一种可移动平台的主动视觉测距系统，属于移动机器人控制技术领域。

背景技术

移动机器人技术的发展推动了部分移动机器人的实际应用。比如，自动割草机器人，在机身腹部装备有高效的割草刀锯和前端装备有障碍物检测传感器，并自备电池，可以自由行走，同时可以自动充电补充动力。这种割草机器人为工作繁忙的人群减轻了繁琐的家务劳动。同样，自动吸尘机器人在割草机器人基础上，装备吸尘电机，就可以在室内自行工作。

虽然移动机器人的实际应用取得了很好的效果，但是距离理想的状态还有很大的差距。比如，移动机器人对环境信息的采集能力是非常不足的，不能了解环境的整体状况，导致工作路径的效率很低，在需要充电的时候，回归充电座的路径没有优化。为了弥补现有技术中的不足，双目立体视觉已经开始尝试引入到移动机器人的实际中，但是双目立体视觉对系统的要求很高。首先，是对摄像头的成像质量要求高，满足正确图像匹配的要求；其次，是对系统的处理能力要求很高，满足实时处理要求。目前这项技术还难以达到实际应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足之处，采用主动结构光和单目视觉的技术路线，通过结构光在摄像机的图像传感器上的成像位置来确定障碍物的位置和方向，具有算法简单，处理速度快，对图像传感器性能要求不高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

可移动平台的主动视觉测距系统，包括设置在所述的移动平台上的摄像机，所述的摄像机内设置镜头和图像传感器，还包括设置在所述的移动平台上的激光投射器，还包括进行集中控制的电子控制装置，所述的电子控制装置与所述的摄像机和激光投射器连接，所述的激光投射器发射线性结构光可经过前方障碍物反射以后，经过所述的镜头投影在所述的图像传感器上。

所述的激光投射器在所述的电子控制装置的控制下可上下转动，所述的激光投射器的中心轴线与地面呈角度α，所述的激光投射器的旋转中心到地面的距离设置为ΔH₂。

所述的镜头的光轴设置与所述的激光投射器的中心轴线位于同一平面，所述的镜头的光轴设置与地面成角度θ，所述的镜头的光学中心与所述的激光投射器的旋转中心的距离设置为ΔH₁。

所述的角度α设置为大于等于0°而小于90°。

所述的角度θ设置为大于0°而小于90°。

所述的激光投射器发射的线性结构光设置在水平方向。

所述的电子控制装置设置内部设置主动视觉测距算法，所述的主动视觉测距算法包括以下步骤：

(1)所述的电子控制装置控制所述的激光投射器的角度α为零度，即所述的激光投射器的中心轴线与地面平行；所述的电子控制装置从所述的图像传感器获取的图像中提取所述的线性结构光的中心线段L，计算出所述的中心线段L与所述的图像传感器的光学中心O(x，y)的距离Δh，则障碍物距离 $D=\mathrm{\Δ}{H}_1/\arctan (\mathrm{\θ}-\arctan \frac{\mathrm{\Δh}}{f}),$ 其中f为所述的镜头的焦距；所述的中心线段L两端的像素座标为O₁(x₁，y₁)，O₂(x₂，y₂)，则障碍物的方位在( $\arctan \frac{x_1-x}{\mathrm{\Δh}},$ $\arctan \frac{x-x_2}{\mathrm{\Δh}}$ )范围内；

(2)所述的电子控制装置控制所述的激光投射器旋转，从最大角度到最小角度进行扫描，当所述的电子控制装置从所述的图像传感器获取的图像提取的线性结构光中，存在一段缺失线段M，计算出所述的中心线段M与所述的图像传感器的光学中心O(x，y)的距离Δh，则前方距离S＝ΔH₂/tanα的位置存在向下的台阶；所述的缺失线段M的两端的像素座标为O₃(x₃，y₃)，O₄(x₄，y₄)，则台阶的方位在(

)范围内。

实施本发明的积极效果是：1、可以充分获取周围环境的障碍物信息；2、能够测量可导致移动平台跌落的台阶；3、系统结构和算法简单。

附图说明

图1是主动视觉测距系统的障碍物检测示意图；

图2是主动视觉测距系统的台阶检测示意图；

图3是障碍物检测的图像分析示意图；

图4是台阶检测的图像分析示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-4所示，可移动平台的主动视觉测距系统，包括设置在所述的移动平台上的摄像机，所述的摄像机内设置镜头2和图像传感器3，还包括设置在所述的移动平台上的激光投射器1，还包括进行集中控制的电子控制装置，所述的电子控制装置与所述的摄像机和激光投射器1连接，所述的激光投射器1发射线性结构光可在前方障碍物反射以后，经过所述的镜头2投影在所述的图像传感器3上。

所述的激光投射器1在所述的电子控制装置的控制下可上下转动，所述的激光投射器1的中心轴线与地面呈角度α，所述的激光投射器1的旋转中心O₂到地面的距离设置为ΔH₂。

所述的镜头2的光轴设置与所述的激光投射器1的中心轴线位于同一平面，所述的镜头2的光轴设置与地面成角度θ，所述的镜头2的光学中心O₁到与所述的激光投射器1的旋转中心O₂的距离设置为ΔH₁。

所述的激光投射器1发射的线性结构光设置在水平方向。为了保证所述的激光投射器1发射的线性结构光经过障碍物或者地板的反射以后，能够在所述的图像传感器3上成像，将所述的角度α设置为大于等于0°而小于90°，而所述的角度θ设置为大于0°而小于90°。

基于上述的硬件结构，所述的电子控制装置设置内部设置主动视觉测距算法，可以检测前方障碍物或者台阶的位置和方向。所述的主动视觉测距算法包括以下步骤：

(1)所述的电子控制装置控制所述的激光投射器1的角度α为零度，即所述的激光投射器1的中心轴线与地面平行；所述的电子控制装置从所述的图像传感器3获取的图像中提取所述的线性结构光的中心线段L，计算出所述的中心线段L与所述的图像传感器3的光学中心O(x，y)的距离Δh，则障碍物距离 $D=\mathrm{\Δ}{H}_1/\arctan (\mathrm{\θ}-\arctan \frac{\mathrm{\Δh}}{f}),$ 其中f为所述的镜头2的焦距；所述的中心线段L两端的像素座标为O₁(x₁，y₁)，O₂(x₂，y₂)，则障碍物的方位在( $\arctan \frac{x_1-x}{\mathrm{\Δh}},$ $\arctan \frac{x-x_2}{\mathrm{\Δh}}$ )范围内；

(2)所述的电子控制装置控制所述的激光投射器1旋转，从最大角度到最小角度进行扫描，当所述的电子控制装置从所述的图像传感器3获取的图像提取的线性结构光存在一段缺失线段M，计算出所述的中心线段M与所述的图像传感器的光学中心O(x，y)的距离Δh，则前方距离S＝ΔH₂/tanα的位置存在向下的台阶；所述的缺失线段M的两端的像素座标为O₃(x₃，y₃)，O₄(x₄，y₄)，则台阶的方位在(

)范围内。

在步骤(2)中，如果台阶宽度很大，使所述的缺失线段M的两端的像素O₃(x₃，y₃)和O₄(x₄，y₄)，单个或者两个向各自方向延伸直至所述的图像传感器3之外，则置x₃或者x₄为无穷大。

上述步骤(1)和步骤(2)中，所述的激光投射器1将所述的线性结构光投射到障碍物或者地板上，然后经过所述的镜头2在所述的图像传感器3上成像，所述的主动视觉测距算法采用基本的图像处理算法提取所述的线性结构光的图像，然后利用几何关系计算前方障碍物的距离和方向，以及台阶的距离和方向。因此，该发明具有系统结构和算法简单，对组成部件性能要求不高，成本低廉和性能可靠的优点。

Claims (7)

1.可移动平台的主动视觉测距系统，其特征在于：包括设置在所述的移动平台上的摄像机，所述的摄像机内设置镜头和图像传感器，还包括设置在所述的移动平台上的激光投射器，还包括进行集中控制的电子控制装置，所述的电子控制装置与所述的摄像机和激光投射器连接，所述的激光投射器发射线性结构光可在前方障碍物反射以后，经过所述的镜头投影在所述的图像传感器上。

2.如权利要求1所述的可移动平台的主动视觉测距系统，其特征在于：所述的激光投射器在所述的电子控制装置的控制下可上下转动，所述的激光投射器的中心轴线与地面呈角度α，所述的激光投射器的旋转中心到地面的距离设置为ΔH₂。

3.如权利要求1，2所述的可移动平台的主动视觉测距系统，其特征在于：所述的镜头的光轴设置与所述的激光投射器的中心轴线位于同一平面，所述的镜头的光轴设置与地面成角度θ，所述的镜头的光学中心与所述的激光投射器的旋转中心的距离设置为ΔH₁。

4.如权利要求2所述的可移动平台的主动视觉测距系统，其特征在于：所述的角度α设置为大于等于0°而小于90°。

5.如权利要求3所述的可移动平台的主动视觉测距系统，其特征在于：所述的角度θ设置为大于0°而小于90°。

6.如权利要求1所述的可移动平台的主动视觉测距系统，其特征在于：所述的激光投射器发射的线性结构光设置在水平方向。

7.如权利要求1所述的可移动平台的主动视觉测距系统，其特征在于：所述的电子控制装置设置内部设置主动视觉测距算法，所述的主动视觉测距算法包括以下步骤：

(1)所述的电子控制装置控制所述的激光投射器的角度α为零度，即所述的激光投射器的中心轴线与地面平行；所述的电子控制装置从所述的图像传感器获取的图像中提取所述的线性结构光的中心线段L，计算出所述的中心线段L与所述的图像传感器的光学中心O(x，y)的距离Δh，则障碍物距离 $D=\mathrm{\Δ}{H}_1/\arctan (\mathrm{\θ}-\arctan \frac{\mathrm{\Δh}}{f}),$ 其中f为所述的镜头的焦距；所述的中心线段L两端的像素座标为O₁(x₁，y₁)，O₂(x₂，y₂)，则障碍物的方位在( $\arctan \frac{x_1-x}{\mathrm{\Δh}},$ $\arctan \frac{x-x_2}{\mathrm{\Δh}}$ )范围内；

(2)所述的电子控制装置控制所述的激光投射器旋转，从最大角度到最小角度进行扫描，当所述的电子控制装置从所述的图像传感器获取的图像提取的线性结构光中，存在一段缺失线段M，计算出所述的中心线段M与所述的图像传感器的光学中心O(x，y)的距离Δh，则前方距离S＝ΔH₂/tanα的位置存在向下的台阶；所述的缺失线段M的两端的像素座标为O₃(x₃，y₃)，O₄(x₄，y₄)，则台阶的方位在( $\arctan \frac{x_3-x}{\mathrm{\Δh}},$ $\arctan \frac{x-x_4}{\mathrm{\Δh}}$ )范围内。

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