CN103134469A - 距离感测装置及距离感测方法 - Google Patents

Abstract

一种距离感测装置及距离感测方法。距离感测装置包括线型激光发射器、影像撷取装置及处理单元。线型激光发射器发出一线型激光，而影像撷取装置撷取线型激光以输出线型激光影像。处理单元接收线型激光影像，并将线型激光影像分割为多个子线型激光影像。处理单元计算该些子线型激光影像中的第i个子线型激光影像的激光线高度，并根据第i个子线型激光影像的激光线高度及关系曲线输出第i个距离信息，i为正整数。

Description

距离感测装置及距离感测方法

技术领域

本发明涉及一种距离感测装置及距离感测方法。

背景技术

距离感测模块长久以来均为工业应用的重要关键技术，对于无人搬运车、产品线检测、工业安全光栅等应用均有莫大的市场。现有的非接触式距离感测器依照测量技术的不同可分为飞行时间(Time of Fly)估测法与三角定位法(Triangulation Location)等方式。飞行时间估测法在测量精确度与可获得的视角范围上通常较三角定位方式较佳，然而由于其需要精密的机构设计来计算光线往返所需时间，因此其造价均非常高昂。

对于无人搬运车或安全光栅等应用来说，其所需感测距离信息的精确度与视角通常不会有非常高的要求，因此若使用以飞行时间方式的产品通常会有大材小用的现象发生，浪费执行运作所需成本。

发明内容

本发明系有关于一种距离感测装置及距离感测方法。

根据本发明，提出一种距离感测装置。距离感测装置包括线型激光发射器、影像撷取装置及处理单元。线型激光发射器发出一线型激光，而影像撷取装置撷取线型激光以输出线型激光影像。处理单元接收线型激光影像，并将线型激光影像分割为多个子线型激光影像。处理单元计算该些子线型激光影像中的第i个子线型激光影像的激光线高度，并根据第i个子线型激光影像的激光线高度及关系曲线输出第i个距离信息，i为正整数。

根据本发明，提出一种距离感测方法。距离感测方法包括：接收线型激光影像；将线型激光影像分割为多个子线型激光影像；计算该些子线型激光影像中的第i个子线型激光影像的激光线高度；以及根据第i个子线型激光影像的激光线高度及关系曲线输出第i个距离信息，i为正整数。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1绘示为距离感测装置的方框示意图；

图2绘示为距离感测方法的流程图；

图3绘示为将线型激光影像分割为子线型激光影像的示意图；

图4绘示为关系曲线的示意图；

图5A绘示为子线型激光影像的示意图；

图5B绘示为未发生噪声的线型激光影像的示意图；

图5C绘示为发生噪声的线型激光影像的示意图；

图6绘示为采用亮度中心演算法计算激光线高度的示意图；

图7绘示为依照一种距离感测装置的外观示意图；

图8绘示为距离感测装置感测待测物的示意图。

其中，附图标记

1：距离感测装置

3：线型激光影像

3(1)～3(n)：子线型激光影像

4：关系曲线

11：线型激光发射器

12：影像撷取装置

13：处理单元

21～24：步骤

83：电脑

14：外壳

141：线型激光开口

142：影像撷取开口

W：线型激光影像的宽度

ND：最大可容忍噪声宽度

yi：激光线高度

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

第一实施例

请同时参照图1、图2、图3、图4及图8，图1绘示为距离感测装置的方框示意图，图2绘示为距离感测方法的流程图，图3绘示为将线型激光影像分割为子线型激光影像的示意图，图4绘示为关系曲线的示意图，图8绘示为距离感测装置感测待测物的示意图。距离感测装置1能耦接至电脑83，电脑83能记录距离感测装置1所产生的距离信息。距离感测装置1可应用于一移动平台上，且距离感测装置1包括线型激光发射器11、影像撷取装置12、处理单元13及外壳14。线型激光发射器11用以发出线型激光82至待测物81，而影像撷取装置12用以撷取线型激光以输出线型激光影像3。在一实施例中，线性激光82是平行于水平面，例如为地面。影像撷取装置12耦接至处理单元13，且壳体14用以设置线型激光发射器11、影像撷取装置12及处理单元13。

距离感测方法能应用于距离感测装置1且包括如下步骤：如步骤21所示，处理单元13接收线型激光影像3。如步骤22所示，处理单元13将线型激光影像3分割为子线型激光影像3(1)～3(n)，n是不为零的正整数。如步骤23所示，处理单元13计算子线型激光影像3(1)～3(n)中的第i个子线型激光影像的激光线高度，i为正整数且1≤i≤n。

如步骤24所示，处理单元13根据第i个子线型激光影像3(i)的激光线高度及关系曲线4输出第i个距离信息。第i个距离信息例如为距离感测装置1与待测物的距离。处理单元13也可通过上述方式根据其他子线型激光影像的激光线高度及关系曲线4输出其他距离信息。或者，处理单元13根据第i个距离信息、其他子线型激光影像的激光线高度及三角函数输出其他距离信息。举例来说，处理单元13根据第i个距离信息、三角函数及子线型激光影像3(1)～3(n)中的第j个子线型激光影像3(j)的激光线高度输出第j个距离信息，j为不等于i的正整数。

前述距离感测装置1及距离感测方法应用于移动平台上时，能减少因移动平台移动所造成的测量误差。不仅如此，由于前述距离感测装置1及距离感测方法所使用的线型激光发射器是采线型光源而非点光源，因此一次测距即能取得多点距离信息，进而提高单位时间的测距信息量。

请同时参照图1、图3、图5A、图5B及图5C，图5A绘示为子线型激光影像的示意图，图5B绘示为未发生噪声的线型激光影像的示意图，图5C绘示为发生噪声的线型激光影像的示意图。原则上未发生噪声的线型激光影像是如5B图绘示，光点应该连续地位于相同水平位置上。然而随着亮度变化或环境影响，实际所撷取的线型激光影像可能如图5C绘示。图5C右侧3个不连续的光点即为噪声。

前述处理单元13能根据线型激光影像3中激光线的连续性动态地分割线型激光影像3。换言之，处理单元13能根据线型激光影像3中的各激光线段动态地将线型激光影像3分割为子线型激光影像3(1)～3(n)。子线型激光影像3(1)～3(n)的宽度可能因激光线段的长短不同而改变。举例来说，处理单元13判断激光线高度是否发生变化。处理单元13将激光线高度连续相同的区域分割为一子线性激光影像。若激光线高度发生变化，处理单元13则从激光线高度不连续处开始计数，并于之后将激光线高度连续相同的区域分割为另一子线性激光影像。除此之外，处理单元13也能将线型激光影像3等分分割为子线型激光影像3(1)～3(n)，使得子线型激光影像3(1)～3(n)的宽度彼此相同。举例来说，处理单元3根据线型激光影像3的宽度W及最大可容忍噪声宽度N_D决定子线型激光影像3(1)～3(n)的个数n。子线型激光影像3(1)～3(n)的个数n等于

需说明的是，线型激光影像3中发生噪声的像素大多不会连续地位于相同水平位置。因此，为了避免噪声被误判为线性激光，实际应用上能适当地定义最大可容忍噪声宽度N_D。当子线型激光影像中连续的多个光点大于或等于最大可容忍噪声宽度N_D，则处理单元13判断这些光点属于线性激光的一部分。相反地，当子线型激光影像中连续的多个光点不大于最大可容忍噪声宽度N_D，则处理单元13判断这些光点属于噪声而非线性激光的一部分。举例来说，最大可容忍噪声宽度N_D等于3。当子线型激光影像中连续的多个光点大于或等于3时，则处理单元13判断这些光点属于线性激光的一部分。相反地，当子线型激光影像中连续的多个光点不大于3，则处理单元13判断这些光点属于噪声而非线性激光的一部分。如此一来，通过将线型激光影像3分割为子线型激光影像3(1)～3(n)将能进一步地降低噪声干扰。

前述处理单元13沿第i个子线型激光影像3(i)的垂直方向进行一直方图(Histogram)统计以取得第i个子线型激光影像中的激光线高度yi。举例来说，图5A-图5C绘示的第i个子线型激光影像3(i)中的斜线部分表示灰阶值较高的像素。处理单元13沿第i个子线型激光影像3(i)的垂直方向进行一直方图(Histogram)统计每一列像素的灰阶总和。当某一列像素的灰阶总和大于其他各列的灰阶总和，则表示此列的灰阶总和最高。也即，激光线段位于此列像素上。

请同时参照图1及图6，图6绘示为采用亮度中心演算法计算激光线高度的示意图。在另一实施例中，为了增加位置表示的精确度，处理单元13能进一步采用亮度中心演算法来计算出小数点位置的像素值(Sub-pixel)。处理单元13根据前述直方图统计所算出的激光线高度yi做为中心位置，然后以此中心位置选择一块(2m+1)×(W/n)像素的区域，再根据这块区域中各像素座标及像素亮度大小，以类似计算重心的方式求出激光光点的座标。下列为以第一个子线型激光影像3(1)为例的计算亮度中心公式：

$X_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{W/n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=y_1-m}{\overset{y_1+m}{\mathrm{\Σ}}}[x_i\×I(x_i,y_j)]}{\underset{i=1}{\overset{W/n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=y_1-m}{\overset{y_1+m}{\mathrm{\Σ}}}I(x_i,y_j)}---\left(1\right)$

$Y_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{W/n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=y_1-m}{\overset{y_1+m}{\mathrm{\Σ}}}[y_i\×I(x_i,y_j)]}{\underset{i=1}{\overset{W/n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=y_1-m}{\overset{y_1+m}{\mathrm{\Σ}}}I(x_i,y_j)}---\left(2\right)$

上二式中，(X_c，Y_c)代表所计算出来的亮度中心座标，W为激光影像3的宽度，n为子线型激光影像的个数，m为正整数，y1为第一个子线型化面中经过Histogram后所计算出的激光线y轴高度；(x_i，y_i)表示(2m+1)×(W/n)像素的区域内座标，I(x_i，y_i)为对应的亮度数值。之后处理单元13能进一步地将亮度中心座标Yc取代激光线高度yi，再根据亮度中心座标Yc判断与待测物的距离。同样地，第二个子线型激光影像3(2)～第n个子线型激光影像3(n)的亮度中心座标也可由上述的方法推算。

请同时参照图1及图7，图7绘示为依照一种距离感测装置的外观示意图。进一步来说，前述线型激光发射器11的光轴L1与影像撷取装置12的光轴L2是互相平行且位于同一垂直平面，且线性激光与垂直平面互相垂直。线型激光发射器11的光轴L1与影像撷取装置12的光轴L2的距离BL是小于或等于10cm。前述壳体14具有线型激光开口141及影像撷取开口142。线型激光开口141与影像撷取开口142是相距水平距离d，水平距离d可因应影像撷取装置的可视角范围予以调整。举例来说，当可视角范围为60度，则水平距离d需使得线型激光开口141与影像撷取开口142的两点连线与影像撷取装置12的光轴所形成的角度大于30度。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (17)

1.一种距离感测装置，其特征在于，包括：

一线型激光发射器，用以发出一线型激光；

一影像撷取装置，用以撷取该线型激光以输出一线型激光影像；以及

一处理单元，用以接收该线型激光影像，并将该线型激光影像分割为多个子线型激光影像，该处理单元计算该些子线型激光影像中的一第i个子线型激光影像的激光线高度，并根据该第i个子线型激光影像的激光线高度及一关系曲线输出一第i个距离信息，i为正整数。

2.根据权利要求1所述的距离感测装置，其特征在于，该处理单元等分分割该线型激光影像。

3.根据权利要求2所述的距离感测装置，其特征在于，该处理单元根据该线型激光影像的宽度及一最大可容忍噪声宽度决定该些子线型激光影像的个数。

4.根据权利要求3所述的距离感测装置，其特征在于，该些子线型激光影像的个数等于该线型激光影像的宽度除以2倍的该最大可容忍噪声宽度。

5.根据权利要求1所述的距离感测装置，其特征在于，该处理单元根据该线型激光影像中激光线的连续性动态地分割该线型激光影像。

6.根据权利要求1所述的距离感测装置，其特征在于，该处理单元沿该第i个子线型激光影像的垂直方向进行一直方图统计以取得该第i个子线型激光影像中的激光线高度。

7.根据权利要求1所述的距离感测装置，其特征在于，该处理单元根据该第i个距离信息、一三角函数及该些子线型激光影像中的一第j个子线型激光影像的激光线高度输出一第j个距离信息，j为不等于i的正整数。

8.根据权利要求1所述的距离感测装置，其特征在于，该线型激光发射器的光轴与该影像撷取装置的光轴为互相平行且位于同一垂直平面。

9.根据权利要求8所述的距离感测装置，其特征在于，该线型激光与该垂直平面互相垂直。

10.根据权利要求1所述的距离感测装置，其特征在于，还包括一壳体，用以设置该线型激光发射器、该影像撷取装置及该处理单元，该壳体具有一线型激光开口及一影像撷取开口，该线型激光开口与该影像撷取开口相距一水平距离，该水平距离使得该线型激光开口与该影像撷取开口的两点连线与该影像撷取装置的光轴所形成的角度大于30度。

11.一种距离感测方法，其特征在于，包括：

接收一线型激光影像；

将该线型激光影像分割为多个子线型激光影像；

计算该些子线型激光影像中的一第i个子线型激光影像的激光线高度；以及

根据该第i个子线型激光影像的激光线高度及一关系曲线输出一第i个距离信息，i为正整数。

12.根据权利要求11所述的距离感测方法，其特征在于，该分割步骤为等分分割该线型激光影像。

13.根据权利要求12所述的距离感测方法，其特征在于，该分割步骤是根据该线型激光影像的宽度及一最大可容忍噪声宽度决定该些子线型激光影像的个数。

14.根据权利要求13所述的距离感测方法，其特征在于，该些子线型激光影像的个数等于该线型激光影像的宽度除以2倍的该最大可容忍噪声宽度。

15.根据权利要求11所述的距离感测方法，其特征在于，该分割步骤根据该线型激光影像中激光线的连续性动态地分割该线型激光影像。

16.根据权利要求11所述的距离感测方法，其特征在于，该计算步骤沿该第i个子线型激光影像的垂直方向进行一直方图统计以取得该第i个子线型激光影像中的激光线高度。

17.根据权利要求11所述的距离感测方法，其特征在于，该计算步骤根据该第i个距离信息、一三角函数及该些子线型激光影像中的一第j个子线型激光影像的激光线高度输出一第j个距离信息，j为不等于i的正整数。

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