CN105717502B - 一种基于线阵ccd的高速激光测距装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于线阵CCD的高速激光测距装置及方法，该激光测距装置包括激光发射器、成像透镜组、线阵CCD图像传感器及DSP处理单元；激光发射器设置在线阵CCD图像传感器的延长线上，激光发射器的发射方向与线阵CCD图像传感器所在平面成某一角度；激光发射器到线阵CCD图像传感器中心的距离为一特定值；激光束照射到目标物体表面，发生漫反射，反射的光斑与当前视场角内的物体经成像透镜组共同成像于线阵CCD图像传感器上，经DSP处理单元采集光斑映射所成的高亮线段，并计算其质心，进而计算出待测距离；本发明结构简单，用户成本低；测距方式快速、灵敏，如果配合其他移动装置，可以实现全方位的连续高速测距。
Description
技术领域
本发明涉及一种测距装置，尤其涉及一种基于线阵CCD的高速激光测距装置。
背景技术
激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等特征，能大大提高测量精确度，被广泛应用在测距装置上。激光测距方法具有原理简单、测量速度快、测程远的特点，目前，许多室内机器人系统，使用激光测距装置作为主要传感器，用来画图、定位和避障。
传统的激光测距方法包括脉冲法、相位法及三角测量法，脉冲法测量精度较低，相位法每次测距需要的稳定时间较长，三角测距法具有较好的应用效果生产成本低，是目前研究的热点。假设激光发射到目标物体上，在目标物体上形成的光斑比较固定，那么在线阵CCD上成像时，在不同的距离成像的激光斑质心所在的位置也不同。通过图像算法检测出来激光斑在拍摄图像中的位置不同，求出光斑质心位置，按照本发明推导的公式可以求出物体距离。同时，本发明也提出了，前方物体距离不同所拍摄到的光斑大小也不同：在近距离，成像的光斑大，光斑映射到线阵CCD上的线段可能为几十个像素点；在远距离，例如5米处，成像的光斑小，光斑映射到线阵CCD上的线段可能只有几个像素点。记录这个不同线段长短的特点，可以对所求取的距离值进行自纠错，对于错误的测距帧可以舍弃。同时，如附图3所示，理论上最近测距距离是G点，但由于激光不是一个像素点，而是一片光斑，所以最近测距在I点；同样的，H点以内的距离都不能拍照到比较完整的图像光斑。对于这些不完整光斑的图像，提前记录下其图像计算质心和实际质心的不同位置对应关系，可以用来表述到超出理论值的近距离测量。
线阵CCD可同时储存一行光电信号，而且单排感光单元的数目可以，在同等测量精度的前提下，测量范围更广；同时，由于线阵CCD实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率相应高，能够实现动态测量，并且能够在低照度下工作，广泛应用于产品尺寸测量和分类、非接触尺寸测量等领域。
发明内容
本发明针对上述技术存在的缺陷，提供了一种基于线阵CCD的高速激光测距装置，本发明的测距装置结构简单，用户成本低；测距方法快速、灵敏，如果配合其他移动装置，可以实现全方位的连续高速测距，在通信、航空、智能家居等测距领域有很高的应用价值。
本发明是通过如下技术方案实现的，一种基于线阵CCD的高速激光测距装置，其特征在于：包括激光发射器、成像透镜组、线阵CCD图像传感器、DSP处理单元及基座；其特征在于：所述激光发射器设置在线阵CCD图像传感器的延长线上；激光发射器设置在线阵CCD图像传感器的延长线上，激光发射器到CCD图像传感器中心的距离范围为3cm～9cm，激光发射器的发射方向与线阵CCD图像传感器所在平面所成角度的范围为81°～86°，激光发射器、成像透镜组、线阵CCD图像传感器及DSP处理单元固定在该基座上；激光束照射到目标物体表面，发生漫反射，反射的光斑与当前视场角内的物体经成像透镜组共同成像于线阵CCD图像传感器上，激光光斑成像为一段高亮度线段，其他背景成像为比较低亮度的数据，实现光信号转换为电信号，经DSP处理单元采集光斑映射所成的高亮线段，并计算其质心，进而计算出待测距离。
所述的DSP处理单元包括FIFO模块、连接导线、DSP电路。
所述的成像透镜组进一步包括一滤光片；所述滤光片安装在所述成像透镜组前端，用以滤掉特定波长的光。
上述高速激光测距装置的测距方法如下：
1)调整激光发射器的发射方向与线阵CCD图像传感器所在平面成某一角度，激光束照射到待测目标物体表面，发生漫反射，反射的光斑与当前视场角内的物体经成像透镜组共同成像于线阵CCD图像传感器上，激光光斑成像为一段高亮度线段，其他背景成像为比较低亮度的数据，线阵CCD图像传感器记录对应方向的一行数字图像数据，该行图像记录了当前时间镜头视场角内的数字化了的一行图像数据，将这一行图像数据传输给DSP处理单元，实现光信号转换为电信号；
2)DSP处理单元对步骤1)中的一行图像数据进行处理，首先进行数据平滑消除噪点，而后设定门限进行二值化；再将所有二值化后判定为高亮度线段的坐标点加起来进行平均，最后可以得到一个(Y)的坐标值，这个坐标值就是质心点所在位置，质心坐标Y对应从成像照片最下方开始数第n个点；
3)已知激光发射器到线阵CCD镜头组的距离p和镜头组的视场角2α，带入公式计算出待测距离d1，其中，n为上述图像中的高亮度线段质心坐标Y对应的点数，y为线阵CCD成像的总的Y轴点数；
所述的步骤2)中一行图像数据处理过程进一步包括光斑对应的线段图像的自校准过程：假设激光在目标物体上形成的光斑比较固定，那么在线阵CCD上成像时，在不同的距离成像的光斑对应的线段图像的长短也不同，记录下在不同距离的光斑对应的线段长短特性和距离的关系作为自校准指标，排除掉错误测距。
该方法进一步包括无法拍摄到完整光斑的某一点距离以内的物体测距方法：对其在线阵CCD范围内的不完整光斑对应的线段求取质心，同时，根据实测记录该不完整质心对应的真实距离，从而获取超出理论值的测距范围。
本发明具有如下有益效果：
1)线阵CCD图像传感器不同于普通CCD图像传感器，线阵CCD图像传感器可以进行高速扫描，处理速度更快、频率响应更高，每秒种测距达到1000次以上；如果配合其他移动装置，可以实现全方位的连续高速测距。
2)本发明所述的测距方法中，DSP处理单元对接收到的图像数据进行数字算法消除图像畸变、平滑及二值化等一系列分析处理，获得图像光斑线段的质心，代入本发明对应设备的距离公式中求取待测距离，提高了测量精度，使得测量距离更加快速精确。
3)由于近距离成像的光斑对应的线段会比较长，远距离的光斑对应的线段会比较短，本发明通过实测记录光斑对应的线段长短特性和距离的关系，从而进行自校准。对于不符合该特性的测量可以判定为是一次失败的测距，丢弃本次测距。
4)对于无法拍摄到完整光斑的某一点距离以内的物体，对其在线阵CCD范围内的不完整光斑对应的线段求取质心，同时，根据实测记录该不完整质心对应的真实距离，从而获取超出理论值的测距范围。
5)本发明结构简单，用户成本低，在通信、航空、智能家居，尤其是机器人测距领域有很高的应用价值。
附图说明
图1为本发明所述的高速激光测距装置结构示意图
图2为本发明所述的高速激光测距装置侧视图
图3为本发明所述的激光测距方法原理图
图4为二值化处理后的激光光斑对应的线段图像效果图
图5为近距离拍照的不完整光斑对应的线段图像示意图
图中符号表示：1：激光发射器；2：DSP电路；3：FIFO模块；4：成像透镜；5：线阵CCD图像传感器；6：连接导线；7：基座；8：DSP处理单元；9：滤光片
a-近距离光斑对应的线段图像；b-远距离光斑对应的线段图像；c-中距离光斑对应的线段图像
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种基于线阵CCD的激光测距装置，该装置包括激光发射器1、成像透镜组4、线阵CCD图像传感器5、DSP处理单元8及基座7；激光发射器1发出激光光束照射到待测目标物体表面，发生漫反射，反射的光斑与当前视场角内的物体经成像透镜组4共同成像于线阵CCD图像传感器5上，激光光斑成像为一段高亮度线段，其他背景成像为比较低亮度的数据，线阵CCD图像传感器5把图像数据传输给DSP处理单元8，实现光信号转换为电信号，经DSP处理单元8采集光斑映射所成的高亮线段，并计算其质心，进而计算出待测距离。
DSP处理单元8包括FIFO模块3、连接导线6、DSP电路2；成像透镜组4进一步包括一滤光片9，滤光片9安装在所述透镜组4前端，用以滤掉特定波长的光。
如图2所示，所述激光发射器1、成像透镜组4、线阵CCD图像传感器5及DSP处理单元8固定在基座7上，本实施例中基座7与线阵CCD图像传感器所在平面所成的角度为84.3°。
本实施例中激光发射器1到所述成像透镜组4的距离为5㎝。
如图3所示，上述高速激光测距装置的测距方法为：
1)调整激光发射器，使激光发射方向与线阵CCD图像传感器所在平面所成角度为84.3°，从激光发射器A发出的激光束照射到待测目标物体C表面发生漫反射，反射的光斑与当前视场角内的物体经成像透镜组共同成像于线阵CCD图像传感器上，激光光斑成像为一段高亮度线段，其他背景成像为比较低亮度的数据，线阵CCD图像传感器记录对应方向的一行数字图像数据，该行图像记录了当前时间镜头视场角内的数字化了的一行图像数据，将这一行图像数据传输给DSP处理单元，实现光信号转换为电信号；
2)DSP处理单元对步骤1)中的一行图像数据进行处理，首先进行数据平滑消除噪点，而后设定门限进行二值化，图4为二值化处理后的激光光斑对应的线段图像效果图；再将所有二值化后判定为高亮度线段的坐标点加起来进行平均，最后可以得到一个(Y)的坐标值，这个坐标值就是质心点所在位置，质心坐标Y对应从成像照片最下方开始数第n个点；
假设激光发射到目标物体上，在目标物体上形成的光斑比较固定，那么在线阵CCD上成像时，在不同的距离成像的光斑对应的线段图像的长短也不同，在近距离，成像的光斑对应的线段图像的长，线段长度可能为几十个像素点；在远距离，例如5米处，成像的光斑对应的线段短，线段长度可能只有几个像素点；记录下在不同距离的光斑对应的线段长短特性和距离的关系作为自校准指标，对于不符合该特性的测量可以判定为是一次失败的测距，丢弃本次测距。
3)已知激光发射器到线阵CCD镜头组的距离p和镜头组的视场角2α，带入公式计算出待测距离d1，其中，n为上述图像中的高亮度线段质心坐标Y对应的点数，y为线阵CCD成像的总的Y轴点数；
如图3、图5所示，G点为理论上最近测距距离，但由于激光光斑不是一个像素点，而是成像为一段高亮度线段，所以最近测距在I点；同样的，H点以内的距离都不能拍照到比较完整的图像光斑；对H点以内的在线阵CCD图像传感器范围内的不完整光斑对应的线段求取质心，同时，根据实测记录该不完整质心对应的真实距离，从而获取超出理论值的测距范围。
前述实施例和优点仅是示例性的，并不应被理解为限制本公开。本发明可容易地应用于其它类型的设备。此外，本公开的示例性实施例的描述是解释性的，并不限制权利要求的范围，许多的替换、修改和变化对于本领域技术人员来说是明显的。
Claims (2)
1.一种基于线阵CCD的高速激光测距装置，包括激光发射器、成像透镜组、线阵CCD图像传感器、DSP处理单元及基座；其特征在于：所述激光发射器设置在线阵CCD图像传感器的延长线上；激光发射器到CCD图像传感器中心的距离范围为3cm～9cm，激光发射器的发射方向与线阵CCD图像传感器所在平面所成角度的范围为81°～86°，所述的测距装置进一步包括一基座，所述激光发射器、成像透镜组、线阵CCD图像传感器及DSP处理单元固定在该基座上；
激光束照射到目标物体表面，发生漫反射，反射的光斑与当前视场角内的物体经成像透镜组共同成像于线阵CCD图像传感器上，激光光斑成像为一段高亮度线段，其他背景成像为比较低亮度的数据，实现光信号转换为电信号，经DSP处理单元采集光斑映射所成的高亮线段，并计算其质心，进而计算出待测距离；
已知激光发射器到线阵CCD镜头组的距离p和镜头组的视场角2α，带入公式计算出待测距离d1，
其中，n为高亮度线段质心坐标Y对应的点数，y为线阵CCD成像的总的Y轴点数。
2.根据权利要求1所述的高速激光测距装置，其特征在于：所述的成像透镜组进一步包括一滤光片；
所述滤光片安装在所述成像透镜组前端，用以滤掉特定波长的光。
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