CN107991687B - 障碍物检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及障碍物检测装置和方法，其包括：发光部，将激光束转换为四角形状的平面光束来进行发光；收光部，接收从上述发光部发出的激光束被障碍物来反射回来的激光束；以及控制部，利用上述收光部接收的激光束来测定与障碍物之间的距离，从而随着利用四角形状的平面光束检测障碍物，具有将测定范围扩大到上下方向的效果。

Description

障碍物检测装置和方法
技术领域
本发明涉及障碍物检测装置和方法，更详细地涉及，适用在移动的移动体来检测与周围障碍物之间的距离的障碍物检测装置和方法。
背景技术
激光(Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation，LASER)通过引起光的受激发射(stimulated emission)来扩增，并照射激光光。
激光雷达(Light Detection and Ranging，LiDAR)是利用激光来测定距离的技术，构建用于构建三维GIS(Geographic Information System)信息的地形数据，并以使这些可视化的趋势发展而应用到建设、国防等领域。
最近作为核心技术，适用于自动驾驶汽车、移动机器人、无人驾驶飞机(drone)等而被受关注。
在适用于汽车的情况下，激光雷达实时测定车间距离来警告或对车辆可进行自动控制，使得行驶中的车辆防止与前面车辆的冲突或使冲击最小化。
专利文献1(韩国专利授权号第10-1296780号，2013年8月14日公布)以及专利文献2(韩国专利授权号第10-1491289号，2015年2月6日公布)公开了利用激光检测物体的物体检测传感器技术。
专利文献1记载了利用激光检测障碍物的检测装置结构，其结构包括激光光源、摄像头、影像处理装置，上述激光光源用于产生激光，上述摄像头用于照射从前方的影像及激光光源中产生的激光并拍摄前方激光照射的影像，上述影像处理装置用于处理摄像头所拍摄的影像，影像处理装置通过前方的影像及激光光照射的影像中的任一个影像来抵消另一个影像，并在抵消的影像中激光在拍摄对象有反射的光点的情况下，判断为有障碍物。
专利文献2记载了车辆周围障碍的物检测装置结构，其结构包括发光部、收光部、障碍物检测部及显示部，上述发光部用于发光激光束，上述收光部用于收光从发光部发出后被障碍物来反射回来的激光束，上述障碍物检测部利用通过收光部收光的激光束来检测障碍物，上述显示部用于在画面上显示障碍物检测部所检测的障碍物，在车辆的轮子安装至少一个以上的检测模块(发光部及收光部)，从而在未安装用于调节激光束输出角度的驱动马达的广阔的检测领域检测车辆周围的障碍物。
另一方面，激光具有前进性，并以宽度狭小的点形状的激光束来进行照射。
因此，根据现有技术的障碍物检测装置通过在检测装置的前端设置透镜或棱镜等，将点形状的激光转换为直线形状来形成线束。
发明内容
要解决的技术问题
然而，根据现有技术的障碍物检测装置即使利用线束，但只能扩大线束的宽度，由于不能扩大线束的上下宽度，适用在如无人驾驶飞机等的移动体的情况下，存在无法正确检测位于以线束为中心的上侧或下侧的障碍物的局限。
因此，实际情况为需要开发将点形状或线形状的激光束转换为四角形状的平面光束，从而扩大激光的左右宽度和上下高度来检测障碍物的技术。
本发明的目的在于解决如上所述的技术问题，提供利用四角形状的平面光束检测障碍物的障碍物检测装置及检测方法。
本发明的另一目的在于，提供利用从障碍物反射的信号来正确判断出与障碍物之间的距离的障碍物检测装置及检测方法。
解决问题的技术方案
为了实现上述目的，根据本发明的障碍物检测装置的特征在于，包括：发光部，将激光束转换为四角形状的平面光束来进行发光；收光部，接收从上述发光部发出的激光束被障碍物来反射回来的激光束；以及控制部，利用上述收光部接收的激光束来测定与障碍物之间的距离。
并且，为了实现上述目的，根据本发明的障碍物检测方法的特征在于，包括如下步骤：步骤(a)，在发光部将激光束转换为四角形状的平面光束来进行发光，步骤(b)，在收光部接收从上述发光部发出的激光束被障碍物来反射回来的激光束，以及步骤(c)，在控制部利用上述收光部接收的激光束来测定与障碍物之间的距离。
发明的有益效果
如上所述，根据本发明的障碍物检测装置及检测方法，随着利用四角形状的平面光束检测障碍物，具有将检测范围扩大到上下方向的效果。
并且，根据本发明，当进行校准动作时，以测定的图像的最大值为基准抽取基准数据，当检测实际测障碍物时，随着以测定的图像的最小测定值为基准检测与障碍物之间的距离，能够事先预防与障碍物的冲突，从而具有可提高适用障碍物检测装置的移动体的安全性的效果。
并且，根据本发明，进行控制使得在广度增加的状态下根据事先设定的周期定期地照射激光，使得维持同样的光量，来代替在激光二极管中连续照射激光束，从而具有可提高安全性的效果。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例的障碍物检测装置的框图。
图2为在图1所示的发光部中发出的激光束例示图。
图3及图4为发光部的俯视图与侧视图。
图5及图6为例示从发光部向障碍物照射的平面光束的俯视图与侧视图。
图7为适用线束的障碍物检测传感器的结构图。
图8至图12为根据从图7所示的收光部收光的激光束的测定值的例示图。
图13为检测设在相互不同距离的障碍物的动作的例示图。
图14为根据如图13所示的在收光部收光的激光束的测定值的例示图。
图15为按照步骤说明根据本发明优选实施例的障碍物检测装置的障碍物检测方法的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的优选实施例的障碍物检测装置及检测方法进行详细说明。
在本实施例中，对适用在无人驾驶飞机的障碍物检测装置的结构进行说明。
当然，本发明不局限于此，要留意的是，本发明可适用于车辆或移动机器人等多种的移动体和在一定位置上检测移动体的物体检测装置等多种的装置。
图1为根据本发明优选实施例的障碍物检测装置的框图，图2为在图1所示的发光部中发出的激光束例示图。
以下，如“左侧”、“右侧”、“前方”、“后方”、“上方”以及“下方”等指示方向的术语定义为以附图所示的状态为基准指示的各个方向。
如图1及图2所示，根据本发明优选实施例的障碍物检测装置10包括：发光部20，将激光束转换为四角形状的平面光束来进行发光；收光部30，接收从上述发光部20发出的激光束被障碍物来反射回来的激光束；以及控制部40，利用上述收光部30接收的激光束来测定与障碍物之间的距离。
发光部20可包括二极管21和光学模块22，上述二极管21用于产生激光束，上述光学模块22将激光束转换为四角形状的平面光束。
图3及图4为发光部的俯视图与侧视图。
如图3及图4所示，光学模块22可包括第一透镜23、第二透镜24及第三透镜25，上述第一透镜23对从二极管发出的激光束进行集光，上述第二透镜24使在第一透镜集光的激光束沿着上下方向分散而生成直线形状的线束，以及上述第三透镜25使借助第二透镜来照射的线束沿着左右方向分散而生成四角形状的平面光束。
第一透镜23可以为准直透镜(Collimating lens)，从激光二极管21发出的激光束的剖面集光成点形状。
第二透镜24可以为圆柱透镜(Cylindrical lens)，使集光成点形状的激光束沿着上下方向以事先设定的第一角度平行分散来生成直线形状的线束。
即，第二透镜24将激光束仅以yz平面对准焦点，且在另一面，即xz平面维持点形状的光束的状态下，在yz平面上分散来生成线束。
第三透镜25可以为鲍威尔透镜(Powwll lens)，使线束沿着左右方向以事先设定的第2角平行分散来生成四角形状的平面光束。
即，第三透镜25可使线束对于xz平面分散来生成四角形状的平面光束。
例如，图5及图6为例示从发光部向障碍物照射的平面光束的俯视图与侧视图。
如图5所示，上述第一角度可设定为约5°至30°，使得线束在中心点沿着上下方向分别约分散2.5°至15°。
上述第二角度可设定为约30°至180°，使得线束在中心点以左右方向分别约分散215°至90°。
另一方面，在本实施例中说明第一透镜至第三透镜依次设于发光部，但是需要留意的是，本发明可以变更第二透镜和第三透镜的设置位置或可进行变更而适用除圆柱透镜和鲍威尔透镜之外的可使激光束散射的多种方式的透镜或棱镜。
并且，本发明可进行变更来仅适用内置有第一透镜及第二透镜的线光束和第三透镜照射四角形状的平面光束。
并且，本发明可对从第二透镜及第三透镜散射的激光束的散射角度进行多种变更。
如图1及图5所示，收光部30以事先设定的距离隔开设于发光部20的上部，并将从障碍物发射的激光束收光传递到控制部40。
这种收光部30可包括第四透镜31和图像传感器32，第四透镜31用于对所接收的激光束进行集光，且图像传感器32用于对在第四透镜31所集光的激光束进行收光。
图7为适用线束的障碍物检测传感器的结构图，图8至图12为根据从图7所示的收光部收光的激光束的测定值的例示图。
在图9中图示障碍物检测装置的前方两侧设有近距离障碍物，并在前方后侧的远距离设有障碍物的状态下的图像传感器的测定值，在图10中图示利用图9所示的图像传感器的测定值抽取激光束的结果。并且，在图11中图示以图10所示的结果转换为距离信心的结果，在图12中图示按照角度表示特定距离内的障碍物的有无的结果。
在以如图7所示的方式适用激光束的情况下，在图像传感器32所测定的Y轴方向的测定值(以下称“测定值”)如图8所示，与障碍物之间的距离从a1增加到e1时，在测定画面中沿着Y轴方向从a2增加到e2。
并且，线形状的测定图像的宽度可随着与X轴相对应地变化。
由此，在图像传感器测定的测定值与障碍物之间的实际距离可由数学式1来表示，
数学式1
Figure BSA0000136022890000061
其中，X为与障碍物之间的实际距离，a、b、c分别为可通过校准动作设定的变数。
根据上述数学式1，测定值随着与障碍物之间的实际距离从d1增加至d3，可用增幅逐渐减小的曲线形状来图示.
另一方面，参照图12可确认到，检测障碍物的结果，若无障碍物则用点(dots)来表示，并以斜线(oblique lines)表示障碍物的检测结果，使得与设于障碍物检测装置前方两侧的障碍物的角度(方向)相对应。
图13为检测设在相互不同距离的障碍物的动作的例示图，图14为根据如图13所示的在收光部收光的激光束的测定值的例示图。
如图13所示，从障碍物反射的激光束通过第四透镜31被集光，且图像传感器32对经过第四透镜31而障碍物的上端和下端反转状态的激光束进行收光。
因此，如图14所示，图像传感器32的测定值a1对应于收光部30与障碍物下端之间的距离，且测定值b1对应于收光部30与障碍物上端之间的距离。
由此，图像传感器32可用障碍物的上端与下端之间的距离表示，即，根据障碍物的高度，可利用具有对应于测定值a1和b1值得差的高度的四角形状的测定图像来表示与障碍物之间的距离。
如图1所示，控制部40包括基准数据抽取部41和距离计算部42，上述准数据抽取部41通过校准动作，按照与障碍物之间的各个距离来抽取在上述收光部的图像传感器32测定的测定值的关系式，并存储在存储部43作为基准数据，当测定与实际的障碍物之间的距离时，上述距离计算部42比较上述图像传感器32中测定的测定值和上述基准数据来计算出与障碍物之间的实际距离。
在本实施例中，随着利用四角形状的平面光束来测定与障碍物之间的距离，其测定图像的最小测定值与最大测定值具有差异。
当进行校准动作时，基准数据抽取部41可从测定图像中的b1至b2，即，以与各距离障碍物之间的最小测定值为基准抽取上述关系式，并存储基准数据。
另一方面，距离计算部42在测定与障碍物之间的实际距离时，以最小测定值，即，以a1值为基准可计算出与障碍物之间的距离，从而可判断出测定值a1与b1之间存在第一个障碍物。
这种控制部40可以为中央处理单元，控制设在障碍物检测装置的各个装置的驱动。
因此，控制部40可控制激光二极管21，使得在激光二极管21照射激光束。
其中，控制部40虽然可控制激光二极管21连续照射激光束，但在连续照射激光束的情况下会发生安全性(safety)问题。
因此，控制部40考虑安全性而进行控制使得根据事先设定的周期定期地照射激光束。
如此定期照射的激光束的光度增加，使得维持与连续照射的情况相同的光量，激光束的周期可根据图像传感器32的像素值来设定。
例如，图像传感器32的帧速率为30fps的情况下，激光束的周期可设定为约33ms。
然后，参照图15对本发明的优选实施例的障碍物检测装置的校准方法及检测方法进行详细说明。
图15为按照步骤说明根据本发明优选实施例的障碍物检测装置的障碍物检测方法的流程图。
在图15的步骤S10中，若将电源供给到障碍物检测装置10，则控制部40使各个装置初始化，并准备用于抽取并存储基准数据的校准动作。
对校准方法进行详细说明，控制部40通过控制发光部20的驱动，使得将激光束转换为平面光束来进行照射(步骤S12)。
此时，各个障碍物分别以与四角形状的平面光束相对应的面积来制作，并可进行配置使得包含在相对应的位置的平面光束面积内部。
例如，当进行校准动作时，障碍物在与发光部20之间的距离为约1m至5m的范围内以每1m的间距依次地移动设置。
因此，在S14步骤中，收光部30对从按照事先设定的距离设置的障碍物反射的激光束进行收光并传递到控制部40。
因此，基准数据抽取部41利用按照与障碍物之间的距离在收光部收光的激光束来抽取Y轴方向的测定值与障碍物之间的实际距离之间的关系式，并存储在存储部43作为基准数据(步骤S16)。
此时，基准数据以测定的测定图像的最大测定值，即，以b1至b5值为基准抽取关系式。
若通过上述过程存储基准数据，则控制部40可检测与实际障碍物的之间的距离。
详细说明的是，控制部40通过控制发光部20的驱动，使得将激光束转换为平面光束并向障碍物进行照射(步骤S18)。
收光部30对从障碍物反射的激光束进行收光，并传递到控制部40。
因此，距离计算部42比较图像传感器32所测定的测定值与基准数据(步骤S20)。
此时，距离计算部42比较图像的最小测定值与基准数据，并利用比较结果来计算出与障碍物之间的实际距离(步骤S22)。
如上所述，本发明是不是以与障碍物之间的实际距离为基准，而是以图像传感器所测定的最小测定值为基准检测与障碍物之间的距离。
由此，本发明以最接近的距离判断与障碍物之间的距离，因此能够事先预防与障碍物的冲突，来可提高适用于障碍物检测装置的移动体的安全性.
在步骤S24中，控制部40检查向障碍物检测装置10供给的电源是否关闭，且直到电源被关闭为止对其进行控制使得反复进行步骤S18至步骤S24。
若步骤S24的检测结果为电源被关闭，则控制部40停止并结束障碍物检测装置10的驱动。
通过如上所述的过程，本发明随着利用四角形状的平面光束来检测障碍物，可扩大测定范围.
并且，根据本发明，当进行校准动作时，以测定的图像的最大测定值为基准抽取基准数据，在检测实际障碍物时，随着以测定的图像的最小测定值为基准检测与障碍物之间的距离，能够事先预防与障碍物的冲突，从而具有可提高应用障碍物检测装置的移动体的稳定性的效果。
以上，根据实施例具体地进行了说明由发明人发明的发明，但本发明并不局限于上述实施例，并且在不脱离其主旨的范围下可进行各种变更是显而易见的。
产业上的可利用性
本发明可适用于利用四角形状的平面激光束来检测障碍物并扩大测定范围的障碍物检测装置的技术。

Claims (2)

1.一种障碍物检测装置，其特征在于，包括：
发光部，将激光束转换为具有四角形状的平面光束来发射平面光束；
收光部，其被配置为接收由发光部发射的平面光束从障碍物反射的反射激光束，其中接收的激光束形成针对障碍物的多个接收；以及
控制部，其被配置为基于针对障碍物的多个接收位置来测定与障碍物之间的距离，
上述控制部包括：
基准数据抽取部，其被配置为针对收光部中的多个接收位置中的至少一个接收位置抽取基准数据；以及
距离计算部，其被配置为基于收光部中的多个接收位置中的至少一个接收位置和基准数据来计算装置和障碍物之间的距离，
其中，基准数据包括至少一个接收位置与实际距离之间的关系，
其中，所述基准数据抽取部被配置为基于多个接收位置中的最大接收位置来抽取基准数据，
其中，所述距离计算部基于多个接收位置中的最小接收位置计算装置和障碍物之间的距离。
2.根据权利要求1所述的碍物检测装置，其特征在于，上述发光部包括：
二极管，用于产生激光束；
光学模块，将激光束转换为四角形状的平面光束，
上述光学模块包括：
第一透镜，对从上述二极管发出的激光束进行集光；
第二透镜，使在上述第一透镜集光的激光束沿着上下方向分散而生成直线形状的线束；以及
第三透镜，使借助上述第二透镜来照射的线束沿着左右方向分散而生成四角形状的平面光束。
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