CN106382920A - 多功能视觉传感器、移动机器人及移动机器人的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能视觉传感器，其包括向被测空间发射结构光的光源、与光源具有特定位置关系的成像装置，以及与光源及成像装置连接的处理器，成像装置包括镜头、滤光片切换组件及与处理器连接的图像感应器，滤光片切换组件包括可移动的滑片及设置于滑片上的第一滤光片，第一滤光片用于阻止干扰结构光的光线照射至所述图像感应器，当第一滤光片位于第一工作位置时，所述第一滤光片与所述镜头及图像感应器在同一光轴上，当第一滤光片位于第二工作位置时，第一滤光片与图像感应器错开。该多功能视觉传感器使用同一个镜头和图像感应器实现导航功能和监控功能。本发明还公开具有该多功能视觉传感器的移动机器人和该移动机器人的控制方法。

Description

多功能视觉传感器、移动机器人及移动机器人的控制方法

技术领域

本发明涉及智能设备领域，尤其涉及一种多功能视觉传感器、具有该多功能视觉传感器的移动机器人以及该移动机器人的控制方法。

背景技术

移动机器人，尤其是室内服务用的移动机器人，例如清洁机器人，通常要配置视觉传感器，用以创建地图并进行导航，结构光视觉传感器以其计算量小、实时性高、测量的距离信息可以直接用来建立地图和避障等优点而倍受青睐。

结构光测距技术(Structured Light)是一种主动式光学测量技术，基本原理是由结构光投射器向被测物体表面投射可控制的光点、光条或光面结构，并由图像感应器(如摄像机)获得图像，通过系统几何关系，利用三角原理计算得到物体的三维坐标。结构光包括光点式、光线式及光面式三种类型。光点式需逐点扫描物体，速度慢；光线式则只需一维线扫描即可得到物体深度信息；光面式则是进行二维投影到物体，测量速度最快。其中，由于光线式结构光(即：线结构光)结构简单，成本低廉，已成为目前应用最广的一种结构光视觉传感器。线结构光传感器主要由：激光投射器，光学透镜，图像感应器组成。利用线结构光视觉传感器对环境障碍物的测量，室内服务机器人可以实现地图创建、导航与同步定位等，即实现SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)。

线结构光传感器应用在室内移动机器人导航时，为了防止环境中自然光的干扰，以及安全性，激光通常采用红外激光。为了增强激光在图像感应器中图像的效果和稳定性，通常采用红外滤镜只把红外激光过滤进来，而把其他的光谱段屏蔽掉。

对于室内的移动机器人，除了视觉导航功能，用户还希望具有视频监控的功能，即通过室内移动机器人上的摄像头，用户可以通过手机或者电脑监控或远程监控室内情况。现有技术中，为了实现这两种功能，采用线结构光视觉传感器，还需要另外配置一个摄像头实现室内环境监控，使用两个规格相似的图像感应器，独立地实现不同的功能，增加了设计复杂性和制造成本，对移动机器人的处理器要求也更高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种视觉传感器及具有该视觉传感器的移动机器人，该视觉传感器及该移动机器人具有滤光片切换组件，该滤光片切换组件可以切换滤光片，从而在使用同一个镜头和图像感应器的情况下实现导航功能和监控功能的切换，即：使用同一镜头和图像感应器实现导航和视频两种功能，简化了结构设计，节省材料及降低成本。

本发明还提供了一种移动机器人的控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明的实施例提供了一种视觉传感器，其包括向被测空间发射结构光的光源、与所述光源具有特定位置关系的成像装置，以及与所述光源及所述成像装置连接的处理器，所述成像装置接收所述被测空间的可见光或所述结构光，形成光学图像，所述处理器用于处理所述光学图像的图像数据及计算所述被测空间内障碍物与所述成像装置之间的深度距离，所述成像装置包括镜头、滤光片切换组件及与所述处理器连接的图像感应器，所述滤光片切换组件包括可移动的滑片及设置于所述滑片上的第一滤光片，所述第一滤光片用于阻止干扰所述结构光的光线照射至所述图像感应器，所述第一滤光片具有第一工作位置和第二工作位置，当所述第一滤光片位于所述第一工作位置时，所述第一滤光片与所述镜头及所述图像感应器在同一光轴上，以使经被测空间的障碍物反射后的所述结构光照射至所述图像感应器，当所述第一滤光片位于所述第二工作位置时，所述第一滤光片与所述图像感应器错开，以使照射至所述图像感应器的光不经过所述第一滤光片。

其中，所述第一工作位置与所述第二工作位置并列设置，所述多功能视觉传感器设置为包括测距模式和视频模式；

当所述多功能视觉传感器处于测距模式时，所述第一滤光片位于第一工作位置，所述光源向所述被测空间发射所述结构光，所述被测空间内的障碍物反射所述结构光，被反射的所述结构光经过所述第一滤光片后照射到所述图像感应器，形成所述障碍物的光学图像，所述处理器根据所述光学图像的像素位移、所述光源与所述成像装置的特定位置关系以及镜头的焦距计算所述障碍物到所述光源之间的深度距离；

当所述多功能视觉传感器处于视频模式时，所述第一滤光片位于所述第二工作位置，从而使被测空间内的可见光照射至所述图像感应器，在所述图像感应器上形成所述被测空间内的障碍物的光学图像，所述图像感应器将所述光学图像的图像数据传送给所述处理器，所述处理器将所述图像数据处理后发送给其上位机。

其中，所述滤光片切换组件还包括承载座、设置于所述承载座上的电磁线圈及连接所述滑片和所述电磁线圈的拨杆，所述滑片设置于所述承载座上，当所述电磁线圈有电流通过时，所述电磁线圈带动所述拨杆移动，所述拨杆带动所述滑片滑动。

其中，所述滑片上还设置有与所述第一滤光片并列的通孔，当所述第一滤光片位于所述第二工作位置时，所述通孔与所述镜头的光轴及所述图像感应器同轴。

其中，所述滑片上还设置有第二滤光片，所述第二滤光片安装于所述通孔，所述第二滤光片是透明玻璃片或用于截止红外光的滤光片。

另一方面，本发明的实施例还提供一种移动机器人，所述移动机器人包括机器人主体及设置于所述机器人主体上的中央处理模块，及以上任一项所述的多功能视觉传感器，以及显示模块，所述多功能视觉传感器及所述显示模块均与所述中央处理模块通信连接，所述移动机器人设置为具有导航模式和监控模式；

当所述移动机器人启动导航模式时，所述第一滤光片位于所述第一工作位置，所述多功能视觉传感器的所述处理器将所述图像数据及所述障碍物的深度距离发送至所述中央处理模块，以使所述中央处理模块构建所述被测空间的环境地图并为所述移动机器人导航；

当所述移动机器人启动监控模式时，所述第一滤光片位于所述第二工作位置，所述多功能视觉传感器的所述处理器将所述图像数据传输给所述中央处理模块，所述中央处理模块将所述图像数据转换为视频信号，并将所述视频信号传输给所述显示模块，所述显示模块用于显示所述被测空间的视频。

其中，所述多功能视觉传感器设置为包括测距模式和视频模式，当所述移动机器人启动导航模式时，所述多功能视觉传感器处于测距模式，当所述移动机器人启动监控模式时，所述多功能视觉传感器处于视频模式；

当所述多功能视觉传感器处于测距模式时，所述第一滤光片位于第一工作位置，所述光源向所述被测空间发射所述结构光，所述被测空间内的障碍物反射所述结构光，至少部分被反射的所述结构光经所述第一滤光片过滤后照射到所述图像感应器，形成所述障碍物的光学图像，所述处理器根据所述光学图像的像素位移、所述光源与所述成像装置的特定位置关系以及镜头的焦距计算所述障碍物到所述光源之间的深度距离；

当所述多功能视觉传感器处于视频模式时，所述第一滤光片位于所述第二工作位置，从而使被测空间内的可见光照射至所述图像感应器，在所述图像感应器上形成所述被测空间内的障碍物的光学图像，所述图像感应器将所述光学图像的图像数据传送给所述处理器，所述处理器将所述图像数据处理后发送给所述中央处理模块，所述中央处理模块将所述图像数据转换为视频信号。

其中，所述多功能视觉传感器的滤光片切换组件还包括承载座、设置于所述承载座上的电磁线圈及连接所述滑片和所述电磁线圈的拨杆，所述滑片设置于所述承载座上，当所述电磁线圈有电流通过时，所述电磁线圈带动所述拨杆移动，所述拨杆带动所述滑片滑动，所述电磁线圈与所述中央处理模块电性连接。

其中，所述滑片上还设置有与所述第一滤光片并列的通孔，当所述移动机器人启动监控模式时，所述通孔与所述镜头及所述图像感应器同轴。

其中，所述通孔上设置有透明玻璃片。

其中，所述滑片上还设置有第二滤光片，所述第二滤光片、所述通孔及所述第一滤光片三者并列，所述第二滤光片是用于截止红外光的滤光片。

可选地，所述显示模块设置于与所述机器人主体分离的终端，所述机器人主体还包括与所述中央处理模块连接的第一通信模块，所述终端包括与所述显示模块连接的第二通信模块，所述第一通信模块将所述视频信号发送给所述第二通信模块，所述第二通信模块将所述视频信号传输给所述显示模块，以显示所述被测空间的情况。

再一方面，本发明的实施例还提供以上任一项所述的移动机器人的控制方法，包括步骤：

启动导航模式，将多功能视觉传感器的第一滤光片置于第一工作位置，以使所述第一滤光片与镜头及图像感应器在同一光轴上；

向被测空间发射结构光，使结构光被被测空间中的障碍物反射；

使被反射的所述结构光进入成像装置，经所述第一滤光片过滤，阻止干扰所述结构光的光线照射至所述图像感应器，使所述结构光在所述图像感应器上形成光学图像；

计算所述障碍物到发射所述结构光的光源的深度距离，并根据所述深度距离构建所述被测空间的环境地图，及进行导航；

切换至监控模式，将所述多功能视觉传感器的第一滤光片置于第二工作位置，使进入所述成像装置的光不经过所述第一滤光片而直接照射到所述图像感应器上，形成光学图像；以及

将所述光学图像的图像数据转换为视频信号，并将其显示于显示模块。

其中，所述“阻止干扰所述结构光的光线照射至所述图像感应器”，具体为：

仅使所述结构光通过所述第一滤光片后照射到所述图像感应器；

所述“计算所述障碍物到所述结构光的光源的深度距离”，具体为：

根据所述光学图像的像素位移、所述光源与所述成像装置的特定位置关系以及镜头的焦距计算所述障碍物到所述光源之间的深度距离；

所述“使进入所述成像装置的光不经过所述第一滤光片而直接照射到所述图像感应器上”，具体为：

使所述被测空间的可见光进入所述成像装置而不经过所述第一滤光片，且所述可见光照射到所述图像感应器上。

其中，所述“将多功能视觉传感器的第一滤光片置于第一工作位置”具体为：

为滤光片切换组件中的电磁线圈施加第一方向电流，使所述电磁线圈带动滑片移动，从而使所述滑片上的所述第一滤光片朝正对所述图像感应器的方向移动，进而使镜头、所述第一滤光片及所述图像感应器位于同一光轴上；

所述“将多功能视觉传感器的第一滤光片置于第二工作位置”，具体为：

为所述滤光片切换组件中的电磁线圈施加第二方向电流，使电磁线圈带动所述滑片往远离所述图像感应器的方向移动，从而使所述第一滤光片与所述图像感应器错开，以使进入所述成像装置的光不经过所述第一滤光片而直接照射到所述图像感应器，所述第二方向电流的方向与所述第一方向电流的方向相反。

其中，还包括步骤：

启动监控模式时，控制所述光源停止发射结构光。

其中，还包括步骤：

在监控模式下，且在白日或所述被测空间环境光线充足期间，将第二滤光片置于正对图像感应器的位置，使所述镜头、第二滤光片及所述图像感应器位于同一光轴上，以阻止环境中的红外光进入所述图像感应器。

与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有以下有益效果：

本发明的实施例中，由于所述视觉传感器的成像装置具有滤光片切换组件，所述滤光片切换组件包括可移动的滑片及设置于所述滑片上的第一滤光片，且由于所述第一滤光片具有第一工作位置，当所述第一滤光片位于所述第一工作位置时，所述第一滤光片与所述镜头及所述图像感应器在同一光轴上，用以阻止干扰所述结构光的光线照射至所述图像感应器，从而使结构光照射到图像感应器，不受其他光线的干扰，精确地测量和计算被测空间中的障碍物到光源的深度距离，从而创建被测空间的环境地图，实现导航功能；

又由于所述第一滤光片具有第二工作位置，且所述滑片可以滑动，当所述第一滤光片滑动至所述第二工作位置时，所述第一滤光片与所述图像感应器错开，以使进入所述成像装置的光不经过所述第一滤光片而直接照射到所述图像感应器上，从而使被测空间内多方位的光线进入图像感应器，对被测空间的大范围空间进行图像显示，将图像信息转换为视频后，实现监控功能。因此，所述多功能视觉传感器使用同一镜头及图像感应器实现了导航和视频两种功能，无需针对视频监控而另外增加镜头及图像感应器，简化了多功能视觉传感器的结构设计，节省材料及降低成本。

同样，使用该视觉传感器的移动机器人，用所述滤光片切换组件也实现了导航模式和视频模式的切换，即实现了使用同一视觉传感器实现导航和视频两种功能的目的，简化了结构设计，节省材料及降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的变形形式。

图1是本发明的第一个实施例中多功能视觉传感器的结构示意图；

图2是本发明的第一个实施例中多功能视觉传感器的结构的爆炸示意图；

图3a是本发明的第一个实施例中多功能视觉传感器的滤光片切换组件中第一滤光片处于第一工作位置时的结构示意图；

图3b是本发明的第一实施例中多功能视觉传感器的滤光片切换组件中第一滤光片处于第二工作位置时的结构示意图；

图4a是本发明的第一个实施例中多功能视觉传感器处于测距模式时的工作过程示意图；

图4b是本发明的第一个实施例中多功能视觉传感器的测距原理示意图；

图5至图9是本发明的第一个实施例中多功能视觉传感器成像与障碍物的位置及尺寸之间的关系示意图；

图10是本发明的第一个实施例中多功能视觉传感器处于视频模式时的工作过程示意图；

图11a是本发明的第二个实施例中多功能视觉传感器的滤光片切换组件的第二滤光片处于工作位置时的结构示意图；

图11b是本发明的第二个实施例中多功能视觉传感器的滤光片切换组件的第二滤光片处于非工作位置时的结构示意图；

图12是本发明的第三个实施例中移动机器人的结构示意图；

图13是本发明的第四个实施例中移动机器人的结构示意图。以及

图14是本发明的实施例中所述移动机器人的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，图1是本发明的第一个实施例中多功能视觉传感器的结构示意图，图2是本发明的第一个实施例中多功能视觉传感器的结构的爆炸示意图。本实施例中，所述多功能视觉传感器包括向被测空间发射结构光的光源100、与所述光源100具有特定位置关系的成像装置200，以及与所述光源100及成像装置200连接的处理器300。所述光源100优选激光发射器，所述结构光优选线结构光。

成像装置200在满足预设条件时接收所述光源100发射的所述结构光，形成精确的光学图像，用以计算被测空间的障碍物到成像装置200的深度距离；在另外的预设条件下，成像装置200接收被测空间的可见光，或者同时收所述可见光和所述结构光，形成光图像。所述处理器300用于处理所述图像数据或计算所述被测空间内障碍物的深度距离。

所述成像装置包括镜头210、滤光片切换组件220、与所述处理器300连接的图像感应器230，以及安装座240。所述镜头210、滤光片切换组件220安装于所述安装座240上，所述光源100可以安装于所述安装座240上，所述光源100与所述镜头及图像感应器230设置为具有特定的几何位置。优选地，所述光源100的光轴与所述镜头的光轴平行。

进一步地，请参阅图3a和图3b，图3a是本发明的第一个实施例中多功能视觉传感器的滤光片切换组件中第一滤光片处于第一工作位置时的结构示意图，图3b是本发明的第一实施例中多功能视觉传感器的滤光片切换组件中第一滤光片处于第二工作位置时的结构示意图。所述滤光片切换组件220包括可移动的滑片221及设置于所述滑片221上的第一滤光片222。更进一步的，所述滤光片切换组件还可以包括承载座223、设置于所述承载座223上的电磁线圈224及连接所述滑片221和所述电磁线圈224的拨杆225。所述滑片221设置于所述承载座223上，具体地，承载座223上朝向所述滑片221的表面可以设置有滑槽，对应所述滑槽，滑片221的朝向所述承载座223的表面设置有凸条，所述凸条嵌入所述滑槽且往复滑动，如图3a和图3b中双向箭头所示。所述电磁线圈224包括向外引出的引线229，用于连接处理器300的电路或者上位机的电路，以对所述电磁线圈224施加电流。当所述电磁线圈224有电流通过时，所述电磁线圈224对拨杆225产生引力或推力，从而带动所述拨杆225移动，所述拨杆带动所述滑片221往复移动。承载座223上还设置有镜头孔227，用以与镜头210对准。承载座223的两侧还包括安装部228，滤光片切换组件220通过所述安装部228固定于所述安装座240上。

所述滑片221上的第一滤光片222用于截止对所述结构光会造成干扰的光线，阻止这种会干扰结构光的光线进入图像感应器230。在本实施例中，光源100为激光投射器，光源发出激光的线结构光，优选地，为了精确快速地测量被测空间内的障碍物到成像装置200的距离，只允许红外激光通过所述第一滤光片222。

所述第一滤光片222具有第一工作位置2221和第二工作位置2222，优选地，所述第一工作位置2221与所述第二工作位置2222并排设置。当所述第一滤光片222位于所述第一工作位置2221时(如图3a所示)，所述第一滤光片222与所述图像感应器230相对设置，且与所述镜头孔227同轴，使得所述镜头210、第一滤光片222及所述图像感应器230在同一光轴上，以阻止干扰所述结构光的光线(例如可见光)照射至所述图像感应器230。当所述第一滤光片222位于所述第二工作位置2222时(如图3b所示)，所述第一滤光片222与所述图像感应器230错开，以使进入所述成像装置200的光不经过所述第一滤光片222而直接照射到所述图像感应器230上，也就是说，此时第一滤光片222不工作，对进入成像装置中的光线不进行过滤，此时可见光可以照射至所述图像感应器230。在本实施例中，所述滑片221上还设置有与所述第一滤光片222并排设置的通孔2211，当所述第一滤光片222位于所述第二工作位置2222时，所述通孔2211正对所述图像感应器230，通孔2211与镜头孔同轴，即所述镜头210、通孔2211及图像感应器230同轴，使被测空间内的更大范围(大视角)任何光线均可照射至所述图像感应器230，形成更大空间范围的图像。可以理解的是，所述通孔2211上可以设置有透明玻璃片。

进一步地，所述多功能视觉传感器设置为包括测距模式和视频模式。

所述测距模式用于测量被测空间中障碍物到多功能视觉传感器的距离，结合上位机的控制，确定各障碍物的位置，从而可以用于建立地图并进行导航，该模式下，需要精确的成像数据，因此，需要过滤掉干扰所述光源发出的结构光的光线进入图像感应器。

所述视频模式用于监控被测空间内的状况，需要对被测空间进行多方位拍摄图像，形成视频，因此，需要充足的光线。

下面先对所述测距模式进行说明。

请参阅图3a及图4a，图4a图3a是本发明的第一个实施例中多功能视觉传感器的滤光片切换组件中第一滤光片处于第一工作位置时的结构示意图，是本发明的第一个实施例中多功能视觉传感器处于测距模式时的工作过程示意图。当所述多功能视觉传感器处于测距模式时，所述第一滤光片222位于所述第一工作位置2221，所述光源100向所述被测空间发射所述结构光，所述被测空间内的障碍物400反射所述结构光，至少一部分所述结构光被反射到所述成像装置200内，所述成像装置200接收被反射的所述结构光，并使这些结构光经过所述第一滤光片222，然后照射到所述图像感应器230，形成所述障碍物400的光学图像，并形成该光学图像的图像数据发送给所述处理器300。所述处理器300根据所述光学图像的像素位移、所述光源100与所述成像装置200的特定位置关系以及镜头的焦距计算所述障碍物到所述光源之间的深度距离。如图4b所示意，图4b是本发明的第一个实施例中多功能视觉传感器的测距原理示意图，可见，可以采用三角测量法对所述障碍物到所述光源之间的深度距离进行计算，即，障碍物40的距离和图像感应器230上所成的光学图像的位移具有如下几何关系：

$L=\frac{hf}{x}$

其中，h为光源100的光轴与成像装置200的镜头210的光轴之间的距离，f为镜头210的焦距，x是图像感应器上所成光学图像的像素位移，据此，可以计算出障碍物400相对光源100的位移L(从而也可以进一步计算出障碍物400相对于其他参考物的距离)，从而确定障碍物400的位置。

例如，请参阅图5至图9，图5至图9是本发明的第一个实施例中多功能视觉传感器采用结构光测距时形成的图像与障碍物的位置及大小之间的关系示意图。请参阅图5，图中(a)部分示出光源100发出的光照射到障碍物400和背景物体500，图中(b)部分示出了成像组件200拍摄的图像，其中，图像600示意为背景物体500的光学图像，图像700示意为障碍物400的光学图像。由于障碍物400和背景物体500到光源100的距离不相等，光源100发出的结构光在障碍物400和背景物体500的反射光于成像装置200中分别形成的图像700及图像600呈现为竖直位置不同的线段。

请参阅图6，在障碍物400不存在于成像装置200的视场范围内时，或者不存在于光源100照射的范围内时，背景物体500的反射光在成像装置200内形成的图像600呈现为连续、不间断的线段。

请参阅图7，图7中障碍物400在水平方向的尺寸与图5中的不同，此时，障碍物400的反射光在成像装置200中形成的图像700中呈现为在水平方向上尺寸更短的线段。

请参阅图8，图8中障碍物400在水平方向上偏离光源的光轴，使得障碍物400的反射光在成像装置200中形成的图像700呈现为在水平方向上位置与图7中图像700的位置不同的两段线段，该两段线段的延伸方向不同且相接。

请参阅图9，图9中障碍物400和光源200的距离相对于图8中的相应距离更远，使得障碍物400的反射光在成像装置200中形成的图像700呈现为在竖直方向上与图7中图像700的位置不同的线段。

由图5至图9可见，被测空间中位置和/或尺寸不同障碍物400在成像装置中所形成的光学图像在水平或竖直方向上的位置及尺寸均是不同的，根据该原理，光源100的结构光可以精确地测量障碍物400的大小和所在的位置。

下面对视频模式进行说明。

请参阅图3b和图10，图3b是本发明的第一实施例中多功能视觉传感器的滤光片切换组件中第一滤光片处于第二工作位置时的结构示意图，图10是本发明的第一个实施例中多功能视觉传感器处于视频模式时的工作过程示意图。当所述多功能视觉传感器处于视频模式时，所述第一滤光片222位于所述第二工作位置2222，此时，通孔2211与镜头孔227对齐，即通孔2211与所述镜头的光轴及所述图像感应器同轴，从而使被测空间内的可见光进入成像装置200的图像感应器230，即被测空间内的障碍物400反射的可见光进入成像装置200，在图像感应器230上形成所述障碍物400的光学图像，所述图像感应器230将所述光学图像转换为图像电子信号并传送给所述处理器300(当然，也可以由处理器将所述光学图像转换为图像电子信号或其他类型的数据)，所述处理器300将所述图像电子信号发送给上位机，所述上位机是指控制利用所述处理器300的终端或其他有操作或控制能力的部件。在视频模式下，光源100可以停止工作，进入图像感应器230的是被测空间中大范围内的环境光，环境光经过通孔2211，无需经过第一滤光片222进行过滤，从而形成更完整的环境图片，转换成视频信号后更有利于用户对环境的监控。

可见，本实施例(第一个实施例)中，所述多功能视觉传感器处于测距模式时，所述光源向被测空间发射用于测量距离的结构光，所述第一滤光片位于所述第一工作位置，所述镜头、所述第一滤光片及所述图像感应器在同一光轴上，可以阻止干扰所述结构光的光线照射至所述图像感应器，从而使被测空间中的障碍物反射的结构光照射到图像感应器，不受其他光线的干扰，精确地测量和计算被测空间中的障碍物到光源的深度距离，从而使上位机可依此创建被测空间的环境地图，实现导航功能；

又由于所述第一滤光片具有第二工作位置，且所述滑片可以滑动，当所述第一滤光片滑动至所述第二工作位置时，所述第一滤光片与所述图像感应器错开，以使进入所述成像装置的光不经过所述第一滤光片而直接照射到所述图像感应器上，从而使被测空间的可见光大范围的进入图像感应器，对被测空间的大范围空间进行图像显示，从而实现视频监控功能。因此，所述视觉传感器使用使用同一镜头及图像感应器实现了导航和视频两种功能，简化了结构设计，节省材料及降低成本。

请参阅图11a和图11b，图11a是本发明的第二个实施例中多功能视觉传感器的滤光片切换组件的第二滤光片处于工作位置时的结构示意图，图11b是本发明的第二个实施例中多功能视觉传感器的滤光片切换组件的第二滤光片处于非工作位置时的结构示意图。本实施例(第二实施例)中多功能视觉传感器的结构和功能与第一实施例中多功能视觉传感器的结构和功能基本相同，不同之处在于：本实施例的多功能视觉传感器的滤光片切换组件220的滑片221上还设置有第二滤光片226，所述第二滤光片226、所述通孔2211及所述第一滤光片222三者并列，所述第二滤光片226用于截止红外光。所述第二滤光片226具有工作位置和非工作位置(图中未标示)，当所述第二滤光片226与镜头孔227同轴，即所述所述第二滤光片226与镜头210同一光轴时，所述第二滤光片226处于工作位置，此时，从被测空间入射到成像装置200的光线经过第二滤光片226过滤，阻止红外线进入成像装置200的图像感应器230，从而滤除红外线对可见光成像的干扰。在本实施例中，在白天或环境光充足的视频模式下，使第二滤光片226处于工作位置，滤除环境红外光对可见光的干扰，从而在白天形成所述障碍物400的清晰图像。

可以理解的是，所述第二滤光片226可以安装于所述通孔2211，从而减小滑片的滑动面积。

可以理解的是，所述滑片221上还可以设置有第三滤光片(图未示出)，该第三滤光片用于夜晚期间的视频模式中，滤除可见光，只允许普通红外光照射到图像感应器230上，从而在夜晚形成所述障碍物400的清晰图像。

本发明的实施例还提供一种具有上述任一多功能视频传感器的移动机器人，例如用于清洁地面的室内清洁机器人。

请参阅图12，图12是本发明的第三个实施例中移动机器人的结构示意图。所述移动机器人包括机器人主体10及设置于所述机器人主体10上的中央处理模块102以及上述任一多功能视频传感器101。所述多功能视频传感器101与中央处理模块102连接。所述机器人主体10上还设置有均与中央处理模块102通信连接的显示模块103、驱动模块105、存储模块106及功能模块(图中未示出)。所述功能模块是实现所述移动机器人的实际功能的模块，例如清洁模块。所述中央处理模块102用于控制所述多功能视频传感器101、所述显示模块103、驱动模块105、存储模块106及功能模块。所述多功能视频传感器101为所述中央处理模块102创建被测空间的环境地图提供数据依据，且为移动机器人的监控功能提供视频信息。所述显示模块103至少用于显示多功能视频传感器101获得的图像信息(视频信息)。所述驱动模块105用于驱动所述机器人主体10移动，例如，驱动模块105可以是驱动轮组件。存储模块106用于存储中央处理模块102接收或形成的数据或信息，例如，多功能视频传感器101发送过来的图像或视频信息，或者中央处理模块102所创建的地图。

所述移动机器人设置为具有导航模式和监控模式，所述导航模式及监控模式可以分别由不同的按键(图未示出)启动，所述按键可以设置于所述机器人主体10的表面，也可以设置于遥控器或智能终端上，按下导航模式按键时，中央处理模块102接收到启动导航模式的指令，从而启动导航模式，同理，按下监控模式按键时，中央处理模块102接收到启动监控模式的指令，从而启动监控模式。

多功能视频传感器101的滤光片切换组件220的电磁线圈224的引线229连接至所述中央处理模块102，当中央处理模块102接收到启动导航模式或启动监控模式的指令时，控制施加到所述电磁线圈224上的电流的方向，使电磁线圈224带动所述拨杆225向正确的方向移动，所述拨杆225带动所述滑片221滑动，从而实现所述第一滤光片或所述第二滤光片的位置切换。

请结合参阅图12及图1至图11b。当所述移动机器人启动导航模式时，所述中央处理模块102控制所述滤光片切换组件220将所述第一滤光片222置于所述第一工作位置2221，使所述第一滤光片222与镜头210及图像感应器230处于同一光轴，且所述中央处理模块102控制所述光源100向环境(即上述被测空间)发射结构光，所述结构光被环境中的障碍物反射至成像装置200，所述结构光在成像装置200中经过所述第一滤光片222过滤，过滤掉干扰所述结构光的其他光线，仅使所述结构光照射至图像感应器230上，形成光学图像。所述多功能视觉传感器101的处理器300依据所述光学图像的数据计算所述障碍物到成像装置之间的深度距离，并将所述光学图像的数据及所述障碍物的深度距离发送至所述中央处理模块102，以使所述中央处理模块构建所述环境的地图并为所述移动机器人导航，所述中央处理模块可以将所述构建的地图存储于所述存储模块106，以供使用时调用。当所述地图建立后，中央处理模块102可以根据所述地图为所述移动机器人规划作业用的移动路径，并控制所述驱动模块102驱动所述机器人主体10沿所述移动路径移动而进行作业。

当所述移动机器人启动监控模式时，所述中央处理模块102控制所述滤光片切换组件220将所述第一滤光片222置于所述第二工作位置2222，使第一滤光片222与镜头210及图像感应器230错开，而使所述通孔2211或透明玻璃片与镜头210及图像感应器230在同一光轴上；为了节省能耗，所述中央处理模块102控制所述光源100停止发射结构光(可以理解的是，在别的实施例中，光源也可以继续发射结构光)；环境中的光线(多为可见光)经障碍物反射进入成像装置200，并全部经过通,2211进入图像感应器230，形成完整的光学图像，所述多功能视觉传感器101的处理器300将所述光学图像的图像数据传输给所述中央处理模块102，中央处理模块102将所述图像数据转换为视频信号，并将所述视频信号传输给所述显示模块103，所述显示模块103用于显示所述环境(被测空间)的视频，实现监控功能。所述视频可以存储于所述存储模块，以供需要时调用。

即：当所述移动机器人启动导航模式时，所述多功能视觉传感器处于测距模式，当所述移动机器人启动监控模式时，所述多功能视觉传感器处于视频模式。

具体地，所述处理器300根据所述光学图像的像素位移、所述光源100与所述成像装置230的特定位置关系以及镜头210的焦距计算所述环境中障碍物到所述光源100之间的深度距离。

在一种实施方式中，所述移动机器人的监控模式还可以包括夜间模式和白日模式。所述移动机器人处于白日模式时，所述第二滤光片226处于工作位置，即第二滤光片226与镜头210及图像感应器处于同一光轴，环境中的光线进入成像装置200内时经过所述第二滤光片226，滤除环境中的普通红外光，防止红外光干扰可见光成像质量，从而形成清晰的光学图像。同理，当所述移动机器人处于夜间模式时，设置第三滤光片(图未示出)与镜头210及图像感应器处于同一光轴，环境中的光线进入成像装置200后经所述第三滤光片，滤除可见光，只允许普通红外光照射到图像感应器230上，从而在夜晚形成环境中障碍物的清晰图像，提高视频监控质量。

可见，本实施例(第三实施例)的移动机器人使用同一镜头和图像感应器而实现了导航和视频监控两种功能，无需因为增加视频监控功能而另外增加一个镜头和一个图像感应器，简化了移动机器人的结构设计，节省材料，降低成本。

请参阅图13，图13是本发明的第四个实施例中移动机器人的结构示意图。本实施例(第四个实施例)所述的移动机器人的结构及功能与第三实施例所述的移动机器人的结构及功能基本相同，不同之处在于：本实施例的移动机器人的显示模块103设置于与所述机器人主体10分离的终端20，所述机器人主体10还包括第一通信模块104，所述终端20包括与所述显示模块103连接的第二通信模块201，所述第一通信模块104将所述视频信号发送给所述第二通信模块201，所述第二通信模块201将所述视频信号传输给所述显示模块103，以显示所述被测空间的环境状况。所述终端20可以是例如手机、电脑等可以远程遥控的机器。当所述移动机器人在家里运行时，用户在上班或其他外出情况下，可以通过手机的APP启用所述移动机器人的监控模式查看家里的情况，远程监控家里的安全，并根据所看到的情况对所述机器人进行适当操作，安全方便。

可以理解的是，在另外一个实施例中，所述显示模块可以包括第一显示子模块和第二显示子模块，所述第一显示子模块设置机器人主体10上，所述第二显示子模块设置于所述终端20上。

本发明的实施例还提供上述任一移动机器人的控制方法。

请参阅图14，图14是本发明的实施例中所述移动机器人的控制方法的流程示意图。所述移动机器人的控制方法主要由中央处理模块控制，在一个实施例中，所述移动机器人的控制方法至少包括步骤S100、S200、S300、S400、S500及S600，需要说明的是，这些步骤之间并不一定是以以下顺序进行运行。

S100：启动导航模式，将多功能视觉传感器的第一滤光片置于第一工作位置，使其与镜头及图像感应器在同一光轴上。

在本实施例中，具体为，接收启动导航指令，为滤光片切换组件中的电磁线圈施加第一方向电流，使电磁线圈带动滑片移动，从而使滑片上的所述第一滤光片朝正对所述图像感应器的方向移动，进而使镜头、所述第一滤光片及所述图像感应器位于同一光轴上。

S200：向被测空间(即环境)发射结构光，从而使结构光被环境中的障碍物反射。

S300：使被反射的所述结构光进入成像装置，经所述第一滤光片过滤，阻止干扰所述结构光的光线照射至所述图像感应器，使所述结构光在所述图像感应器上形成光学图像；

即，仅使所述结构光通过所述第一滤光片而照射到所述图像感应器，以为多功能视觉传感器计算距离提供准确的图像数据。

S400：计算所述障碍物到发射所述结构光的光源的深度距离，构建所述被测空间的环境地图，并进行导航。

具体地，根据所述光学图像的像素位移、所述光源与所述成像装置的特定位置关系以及镜头的焦距计算所述障碍物到所述光源之间的深度距离。

S500：切换至监控模式，将多功能视觉传感器的第一滤光片置于第二工作位置，使进入所述成像装置的光不经过所述第一滤光片而照射到所述图像感应器上，形成光学图像；

具体地，从导航模式切换至监控模式后，可以使光源停止发射结构光，并为所述滤光片切换组件中的电磁线圈施加第二方向电流，所述第二方向电流的方向与所述第一方向电流的方向相反，使电磁线圈带动所述滑片往相反方向移动，从而使所述第一滤光片与所述图像感应器错开，以使进入所述成像装置的光不经过所述第一滤光片而直接照射到所述图像感应器。

即，使通孔与镜头及图像感应器处于同一光轴，使所述被测空间的可见光进入所述成像装置而不经过所述第一滤光片，且所述可见光照射到所述图像感应器上，从而形成完整的光学图像。

S600：将所述光学图像的图像数据转换为视频信号，并将其显示于显示模块或者存储于存储模块。

在另一个实施例中，在监控模式下，在白日期间或环境可见光充足的情况下，将第二滤光片置于正对图像感应器的位置，使所述镜头、所述第二滤光片及所述图像感应器位于同一光轴上，以阻止红外光进入图像感应器，从而使其在白日期间或环境可见光充足的情况下避免红外光的干扰，形成清晰的图像。

在本说明书的描述中，参考术语“第一个实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种多功能视觉传感器，其特征在于，包括向被测空间发射结构光的光源、与所述光源具有特定位置关系的成像装置，以及与所述光源及所述成像装置连接的处理器，所述成像装置接收所述被测空间的可见光或所述结构光，形成光学图像，所述处理器用于处理所述光学图像的图像数据及计算所述被测空间内障碍物与所述成像装置之间的深度距离，所述成像装置包括镜头、滤光片切换组件及与所述处理器连接的图像感应器，所述滤光片切换组件包括可移动的滑片及设置于所述滑片上的第一滤光片，所述第一滤光片用于阻止干扰所述结构光的光线照射至所述图像感应器，所述第一滤光片具有第一工作位置和第二工作位置，当所述第一滤光片位于所述第一工作位置时，所述第一滤光片与所述镜头及所述图像感应器在同一光轴上，以使经被测空间的障碍物反射后的所述结构光照射至所述图像感应器，当所述第一滤光片位于所述第二工作位置时，所述第一滤光片与所述图像感应器错开，以使照射至所述图像感应器的光不经过所述第一滤光片。

2.如权利要求1所述的多功能视觉传感器，其特征在于，所述第一工作位置与所述第二工作位置并列设置，所述多功能视觉传感器设置为包括测距模式和视频模式；

当所述多功能视觉传感器处于测距模式时，所述第一滤光片位于第一工作位置，所述光源向所述被测空间发射所述结构光，所述被测空间内的障碍物反射所述结构光，被反射的所述结构光经过所述第一滤光片后照射到所述图像感应器，形成所述障碍物的光学图像，所述处理器根据所述光学图像的像素位移、所述光源与所述成像装置的特定位置关系以及镜头的焦距计算所述障碍物到所述光源之间的深度距离；

当所述多功能视觉传感器处于视频模式时，所述第一滤光片位于所述第二工作位置，从而使被测空间内的可见光照射至所述图像感应器，在所述图像感应器上形成所述被测空间内的障碍物的光学图像，所述图像感应器将所述光学图像的图像数据传送给所述处理器，所述处理器将所述图像数据处理后发送给其上位机。

3.如权利要求1或2所述的多功能视觉传感器，其特征在于，所述滤光片切换组件还包括承载座、设置于所述承载座上的电磁线圈及连接所述滑片和所述电磁线圈的拨杆，所述滑片设置于所述承载座上，当所述电磁线圈有电流通过时，所述电磁线圈带动所述拨杆移动，所述拨杆带动所述滑片滑动。

4.如权利要求3所述的多功能视觉传感器，其特征在于，所述滑片上还设置有与所述第一滤光片并列的通孔，当所述第一滤光片位于所述第二工作位置时，所述通孔与所述镜头的光轴及所述图像感应器同轴。

5.如权利要求1所述的多功能视觉传感器，其特征在于，所述滑片上还设置有第二滤光片，所述第二滤光片安装于所述通孔，所述第二滤光片是透明玻璃片或用于截止红外光的滤光片。

6.一种移动机器人，所述移动机器人包括机器人主体及设置于所述机器人主体上的中央处理模块，其特征在于，所述移动机器人还包括权利要求1所述的多功能视觉传感器，以及显示模块，所述多功能视觉传感器及所述显示模块均与所述中央处理模块通信连接，所述移动机器人设置为具有导航模式和监控模式；

当所述移动机器人启动导航模式时，所述第一滤光片位于所述第一工作位置，所述多功能视觉传感器的所述处理器将所述图像数据及所述障碍物的深度距离发送至所述中央处理模块，以使所述中央处理模块构建所述被测空间的环境地图并为所述移动机器人导航；

当所述移动机器人启动监控模式时，所述第一滤光片位于所述第二工作位置，所述多功能视觉传感器的所述处理器将所述图像数据传输给所述中央处理模块，所述中央处理模块将所述图像数据转换为视频信号，并将所述视频信号传输给所述显示模块，所述显示模块用于显示所述被测空间的视频。

7.如权利要求6所述的移动机器人，所述多功能视觉传感器设置为包括测距模式和视频模式，当所述移动机器人启动导航模式时，所述多功能视觉传感器处于测距模式，当所述移动机器人启动监控模式时，所述多功能视觉传感器处于视频模式；

当所述多功能视觉传感器处于测距模式时，所述第一滤光片位于第一工作位置，所述光源向所述被测空间发射所述结构光，所述被测空间内的障碍物反射所述结构光，至少部分被反射的所述结构光经所述第一滤光片过滤后照射到所述图像感应器，形成所述障碍物的光学图像，所述处理器根据所述光学图像的像素位移、所述光源与所述成像装置的特定位置关系以及镜头的焦距计算所述障碍物到所述光源之间的深度距离；

当所述多功能视觉传感器处于视频模式时，所述第一滤光片位于所述第二工作位置，从而使被测空间内的可见光照射至所述图像感应器，在所述图像感应器上形成所述被测空间内的障碍物的光学图像，所述图像感应器将所述光学图像的图像数据传送给所述处理器，所述处理器将所述图像数据处理后发送给所述中央处理模块，所述中央处理模块将所述图像数据转换为视频信号。

8.如权利要求6所述的移动机器人，其特征在于，所述多功能视觉传感器的滤光片切换组件还包括承载座、设置于所述承载座上的电磁线圈及连接所述滑片和所述电磁线圈的拨杆，所述滑片设置于所述承载座上，当所述电磁线圈有电流通过时，所述电磁线圈带动所述拨杆移动，所述拨杆带动所述滑片滑动，所述电磁线圈与所述中央处理模块电性连接。

9.如权利要求8所述的移动机器人，其特征在于，所述滑片上还设置有与所述第一滤光片并列的通孔或透明玻璃片，当所述移动机器人启动监控模式时，所述通孔或所述透明玻璃片与所述镜头及所述图像感应器同轴。

10.如权利要求9所述的移动机器人，其特征在于，所述滑片上还设置有第二滤光片，所述通孔或所述透明玻璃片与所述第二滤光片及所述第一滤光片三者并列，所述第二滤光片是用于截止红外光的滤光片。

11.如权利要求6至10任一项所述的移动机器人，其特征在于，所述显示模块设置于与所述机器人主体分离的终端，所述机器人主体还包括与所述中央处理模块连接的第一通信模块，所述终端包括与所述显示模块连接的第二通信模块，所述第一通信模块将所述视频信号发送给所述第二通信模块，所述第二通信模块将所述视频信号传输给所述显示模块，以显示所述被测空间的情况。

12.一种如权利要求6至11所述的移动机器人的控制方法，其特征在于，包括步骤：

启动导航模式，将多功能视觉传感器的第一滤光片置于第一工作位置，以使所述第一滤光片与镜头及图像感应器在同一光轴上；

向被测空间发射结构光，使结构光被被测空间中的障碍物反射；

使被反射的所述结构光进入成像装置，经所述第一滤光片过滤，阻止干扰所述结构光的光线照射至所述图像感应器，使所述结构光在所述图像感应器上形成光学图像；

计算所述障碍物到发射所述结构光的光源的深度距离，并根据所述深度距离构建所述被测空间的环境地图，及进行导航；

切换至监控模式，将所述多功能视觉传感器的第一滤光片置于第二工作位置，使进入所述成像装置的光不经过所述第一滤光片而直接照射到所述图像感应器上，形成光学图像；以及

将所述光学图像的图像数据转换为视频信号，并将其显示于显示模块。

13.如权利要求12所述的移动机器人的控制方法，其特征在于，所述“阻止干扰所述结构光的光线照射至所述图像感应器”，具体为：

仅使所述结构光通过所述第一滤光片后照射到所述图像感应器；

所述“计算所述障碍物到所述结构光的光源的深度距离”，具体为：

根据所述光学图像的像素位移、所述光源与所述成像装置的特定位置关系以及镜头的焦距计算所述障碍物到所述光源之间的深度距离；

所述“使进入所述成像装置的光不经过所述第一滤光片而直接照射到所述图像感应器上”，具体为：

使所述被测空间的可见光进入所述成像装置而不经过所述第一滤光片，且所述可见光照射到所述图像感应器上。

14.如权利要求12或13所述的移动机器人的控制方法，其特征在于，所述“将多功能视觉传感器的第一滤光片置于第一工作位置”具体为：

为滤光片切换组件中的电磁线圈施加第一方向电流，使所述电磁线圈带动滑片移动，从而使所述滑片上的所述第一滤光片朝正对所述图像感应器的方向移动，进而使镜头、所述第一滤光片及所述图像感应器位于同一光轴上；

所述“将多功能视觉传感器的第一滤光片置于第二工作位置”，具体为：

为所述滤光片切换组件中的电磁线圈施加第二方向电流，使电磁线圈带动所述滑片往远离所述图像感应器的方向移动，从而使所述第一滤光片与所述图像感应器错开，以使进入所述成像装置的光不经过所述第一滤光片而直接照射到所述图像感应器，所述第二方向电流的方向与所述第一方向电流的方向相反。

15.如权利要求12或13所述的移动机器人的控制方法，其特征在于，还包括步骤：

启动监控模式时，控制所述光源停止发射结构光。

16.如权利要求13或14所述的移动机器人的控制方法，其特征在于，还包括步骤：

在监控模式下，且在白日或所述被测空间环境光线充足期间，将第二滤光片置于正对图像感应器的位置，使所述镜头、第二滤光片及所述图像感应器位于同一光轴上，以阻止环境中的红外光进入所述图像感应器。