CN108008403A - 红外激光测距装置及方法、无人机及避障方法 - Google Patents

红外激光测距装置及方法、无人机及避障方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种红外激光测距装置及方法、无人机及避障方法，包括红外光源发射装置、相机、数据处理中心；所述红外光源发射装置用于将一组矩阵阵列的点投影到被测目标表面；所述相机用于对被测目标图像进行成像，所述目标图像为包含有矩阵阵列的像，所述数据处理中心用于处理相机所拍摄的图片，根据图片中的点阵列的像素坐标求解出所述红外光源到被测目标的最小距离。本申请能够实现无人机快速准确的测距和避障，保持无人机正常稳定飞行。

Description

红外激光测距装置及方法、无人机及避障方法
技术领域
本申请属于无人机避障领域，特别涉及一种红外激光测距装置及方法、无人机及避障方法。
背景技术
TOF：TOF是Time of flight的简写，为飞行时间的意思。通过对目标联系发送近红外光脉冲，然后利用传感器接受从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行时间来得到目标的距离。在适当的环境下，能够得到层次丰富的深度图，其缺点在于测量距离较短，一般三五米，在室外收外界光源干扰明显，成本较高。
双目测距：采用计算机视觉技术，分析相对固定位置的两个摄像头对同一场景成像，计算相对视差，得到深度图。其缺点在于计算复杂、对场景依赖大。
结构光：主动发射经过结构化的近红外光到待测物表面，被待测物调制后的结构光经摄像头采集，并送至芯片分析结算后得到被测物的三维面形数据。其缺点在于设计复杂、成本过高、室外受外界干扰明显。
激光测距：通过向目标发射出一束激光，由光电元件接受目标反射的激光束，测定从发射到接收的时间，计算出距离，精度很高。其缺点在于单点激光难以满足应用需求，成本高。
发明内容
为解决上述技术问题：本申请提出一种红外激光测距装置，其用于无人机探测障碍，包括红外光源发射装置、相机、数据处理中心；所述红外光源发射装置用于将一组矩阵阵列的点投影到被测目标表面；所述相机用于对被测目标图像进行成像，所述目标图像为包含有矩阵阵列的像，所述数据处理中心用于处理相机所拍摄的图片，根据图片中的点阵列的像素坐标求解出所述红外光源到被测目标的最小距离。
所述的一种红外激光测距装置，所述红外光源发射装置对被测物体发射一个经过调配成矩阵阵列的红外激光图案。
所述的一种红外激光测距装置，所述矩阵阵列为n*n个小圆斑的矩阵阵列。
所述的一种红外激光测距装置，所述红外光源发射装置包括厚度不一的薄膜，所述厚度不一的薄膜设于阵列图案面，当所述薄膜的厚度为半波长的奇数倍时，所述薄膜的反射使的反射波与原来的波相抵消，则激光不能透过薄膜；当所述薄膜的厚度为半波长的偶数倍时，所述薄膜的反射使的反射波与原来的波不抵消，则激光透过薄膜；通过调节所述薄膜的形状即可形成发射所述矩阵阵列的光源。
所述的一种红外激光测距装置，所述数据处理中心通过如下方式处理相机所述拍摄的图片：
假设提取出图片中点阵的n个圆斑的中心点的像素坐标分别为…，则相邻的两个圆斑的中心的最近像素距离表示为，其中分别表示为第n个圆斑的中心的像素坐标到其他n-1个点的最小距离；所述最近像素距离为两个相邻圆斑的中心的像素距离；
依据相机的成像原理和投影定理可知，两个相邻圆斑的中心的像素距离与被测目标到光源之间的距离具有如下关系：；
其中为距离系数，由相机参数与光源的参数决定。
一种无人机，其采用如上述任意一项所述的红外激光测距装置探测障碍，进行自动避障控制。
一种自动避障控制方法，包括如下步骤：
（1）开始，在无人机的前进方向选定被测目标；
（2）对被测目标使用如上述任意一项所述的红外激光测距装置进行红外激光测距；
（3）判断无人机到被测目标的距离是否小于安全距离，如果是，则调整前进方向，并返回步骤（2）；如果否，则执行步骤（4）；
（4）继续前进。
一种红外激光测距方法，包括如下步骤：
（1）将一组矩阵阵列的点投影到被测目标表面；
（2）对被测目标图像进行成像，所述目标图像为包含有矩阵阵列的像；
（3）处理成像的图片，根据图片中的点阵列的像素坐标求解出所述红外光源到被测目标的最小距离。
所述的一种红外激光测距方法，所述步骤（1）中矩阵阵列的形成方法具体包括：在阵列图案面放置一个厚度不一的薄膜，当所述薄膜的厚度为半波长的奇数倍时，所述薄膜的反射使的反射波与原来的波相抵消，则激光不能透过薄膜；当所述薄膜的厚度为半波长的偶数倍时，所述薄膜的反射使的反射波与原来的波不抵消，则激光透过薄膜；通过调节所述薄膜的形状即可形成发射所述矩阵阵列的光源。
所述的一种红外激光测距方法，所述步骤（3）具体包括：假设提取出图片中点阵的n个圆斑的中心点的像素坐标分别为…，则相邻的两个圆斑的中心的最近像素距离表示为，其中分别表示为第n个圆斑的中心的像素坐标到其他n-1个点的最小距离；所述最近像素距离为两个相邻圆斑的中心的像素距离；
依据相机的成像原理和投影定理可知，两个相邻圆斑的中心的像素距离与被测目标到光源之间的距离具有如下关系：；
其中为距离系数，由相机参数与光源的参数决定。
本发明采用算法分析特定图案的大小来计算与待测物体的距离；采用红外激光调配成阵列的图案，用于成像，并分析与待测物体的距离；采用对红外激光图案光学成像的方式，分析与待测物体的距离；通过分析图案的大小，并结算与待测物体的距离；采用分析激光图案成像大小，得到与待测物体距离，从而实现探测障碍的功能的方法。
附图说明
图1为本申请红外测距结构示意图。
图2为本申请矩形阵列结构示意图。
图3为激光阵列工作原理示意图。
图4为本申请自动避障方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
为解决上述技术问题：对被测物体发射一个经过调配成阵列的红外激光图案，通过感特定红外光的sensor对其进行成像，通过算法分析其成像，得到图案的大小，乘以系数，得到距离。无人机可以根据该装置得到前方障碍的距离，实现自动避障功能。
如图1所示，为本申请红外测距结构示意图。主要包括红外光源、相机、数据处理中心，采用数字图像处理的方法来实现测距功能。其结构组成主要包括以下3个方面：1）红外光源发生装置，他的主要作用是将一组矩阵阵列的点投影到被测目标表面；2）相机，它的主要作用是对被测目标成像，由红外光的性质可知目标图像中包含有矩阵阵列的像；3）数据处理中心，它的主要作用是处理相机所拍摄的图片，根据图片中的点阵列的像素坐标求解出光源到被测目标的最小距离。
所述的一种红外激光测距装置，所述红外光源发射装置对被测物体发射一个经过调配成矩阵阵列的红外激光图案。
如图2所示，为本申请矩形阵列结构示意图。所述的一种红外激光测距装置，所述矩阵阵列为n*n个小圆斑的矩阵阵列。
如图3所示，为激光阵列工作原理示意图。假设光源到阵列图案的距离为H,光源到被测目标的距离为h,阵列图案中两个光斑在阵列图案面上的距离为D，光斑在被测目标上的投影为d，则由相似三角形定理可知：
因此对于任意一款带图案的激光模组，可以已知其光源到阵列图案的距离和阵列图案中两个光斑在阵列图案面上的距离为D。进一步通过读取出相邻两个点的像素坐标和，则其距离，则可以得出光源到被测物体距离为：
特定红外光的sensor具体指代FPX8341。他是彩色图像传感器的低电压，高性能CMOS图像传感器，模拟提供单片数字/模拟PAL / NTSC图像传感器的全部功能。封装。图像处理电路还具有黑电平校准、透镜校正等功能，自动白平衡控制，自动曝光增益控制，白/黑像素校正，彩色矩阵和插值。它们通过I2C总线接口的控制提供完整的帧图像。该产品适用于占地面积小、电压低、功耗低、成本低的应用场合。
所述的一种红外激光测距装置，所述红外光源发射装置包括厚度不一的薄膜，所述厚度不一的薄膜设于阵列图案面，当所述薄膜的厚度为半波长的奇数倍时，所述薄膜的反射使的反射波与原来的波相抵消，则激光不能透过薄膜；当所述薄膜的厚度为半波长的偶数倍时，所述薄膜的反射使的反射波与原来的波不抵消，则激光透过薄膜；通过调节所述薄膜的形状即可形成发射所述矩阵阵列的光源。
所述的一种红外激光测距装置，所述数据处理中心通过如下方式处理相机所述拍摄的图片：
假设提取出图片中点阵的n个圆斑的中心点的像素坐标分别为…，则相邻的两个圆斑的中心的最近像素距离表示为，其中分别表示为第n个圆斑的中心的像素坐标到其他n-1个点的最小距离；所述最近像素距离为两个相邻圆斑的中心的像素距离；
依据相机的成像原理和投影定理可知，两个相邻圆斑的中心的像素距离与被测目标到光源之间的距离具有如下关系：；
其中为距离系数，由相机参数与光源的参数决定。由于在实际生产过程中所使用的相机参数和光源参数均相同（即为同一批产品）只需要进行一次标定就可以确定这一批产品的相机参数。
一种无人机，其采用如上述任意一项所述的红外激光测距装置探测障碍，进行自动避障控制。
如图4所示，为本申请自动避障方式示意图。包括如下步骤：
（1）开始，在无人机的前进方向选定被测目标；
（2）对被测目标使用如上述任意一项所述的红外激光测距装置进行红外激光测距；
（3）判断无人机到被测目标的距离是否小于安全距离，如果是，则调整前进方向，并返回步骤（2）；如果否，则执行步骤（4）；
（4）继续前进。
一种红外激光测距方法，包括如下步骤：
（1）将一组矩阵阵列的点投影到被测目标表面；
（2）对被测目标图像进行成像，所述目标图像为包含有矩阵阵列的像；
（3）处理成像的图片，根据图片中的点阵列的像素坐标求解出所述红外光源到被测目标的最小距离。
所述的一种红外激光测距方法，所述步骤（1）中矩阵阵列的形成方法具体包括：在阵列图案面放置一个厚度不一的薄膜，当所述薄膜的厚度为半波长的奇数倍时，所述薄膜的反射使的反射波与原来的波相抵消，则激光不能透过薄膜；当所述薄膜的厚度为半波长的偶数倍时，所述薄膜的反射使的反射波与原来的波不抵消，则激光透过薄膜；通过调节所述薄膜的形状即可形成发射所述矩阵阵列的光源。
所述的一种红外激光测距方法，所述步骤（3）具体包括：假设提取出图片中点阵的n个圆斑的中心点的像素坐标分别为…，则相邻的两个圆斑的中心的最近像素距离表示为，其中分别表示为第n个圆斑的中心的像素坐标到其他n-1个点的最小距离；所述最近像素距离为两个相邻圆斑的中心的像素距离；
依据相机的成像原理和投影定理可知，两个相邻圆斑的中心的像素距离与被测目标到光源之间的距离具有如下关系：；
其中为距离系数，由相机参数与光源的参数决定。
本申请选取激光具有准直特性好，衰减小等特点，选择940nm波段的红外激光，可以有效地克服自然光照的干扰影响。在实际应用过程中可以达到10米有效距离。
由于激光阵列图案是等距且按矩形方式排列的。因此，在选取圆斑的过程中，只需要选取两个圆斑的距离的最小值。对于红外光源发射的阵列没有完全投影到被测物体上。由于相机成像过程中的近大远小的特点，前一部分的两个连续的光斑的距离肯定小于后一部分的连续两个光斑的距离。
光斑选择基准，提取出阵列图像中所有的光斑，选取任意两个光斑中距离最小的两个光斑，定义其为两个连续的光斑，则取其距离为最小距离。
本发明采用算法分析特定图案的大小来计算与待测物体的距离；采用红外激光调配成阵列的图案，用于成像，并分析与待测物体的距离；采用对红外激光图案光学成像的方式，分析与待测物体的距离；通过分析图案的大小，并结算与待测物体的距离；采用分析激光图案成像大小，得到与待测物体距离，从而实现探测障碍的功能的方法。

Claims (10)

1.一种红外激光测距装置，其用于无人机探测障碍，其特征在于，包括红外光源发射装置、相机、数据处理中心；所述红外光源发射装置用于将一组矩阵阵列的点投影到被测目标表面；所述相机用于对被测目标图像进行成像，所述目标图像为包含有矩阵阵列的像，所述数据处理中心用于处理相机所拍摄的图片，根据图片中的点阵列的像素坐标求解出所述红外光源到被测目标的最小距离。
2.如权利要求1所述的一种红外激光测距装置，其特征在于，所述红外光源发射装置对被测物体发射一个经过调配成矩阵阵列的红外激光图案。
3.如权利要求2所述的一种红外激光测距装置，其特征在于，所述矩阵阵列为n*n个小圆斑的矩阵阵列。
4.如权利要求3所述的一种红外激光测距装置，其特征在于，所述红外光源发射装置包括厚度不一的薄膜，所述厚度不一的薄膜设于阵列图案面，当所述薄膜的厚度为半波长的奇数倍时，所述薄膜的反射使的反射波与原来的波相抵消，则激光不能透过薄膜；当所述薄膜的厚度为半波长的偶数倍时，所述薄膜的反射使的反射波与原来的波不抵消，则激光透过薄膜；通过调节所述薄膜的形状即可形成发射所述矩阵阵列的光源。
5.如权利要求3所述的一种红外激光测距装置，其特征在于，所述数据处理中心通过如下方式处理相机所述拍摄的图片：
假设提取出图片中点阵的n个圆斑的中心点的像素坐标分别为…，则相邻的两个圆斑的中心的最近像素距离表示为，其中分别表示为第n个圆斑的中心的像素坐标到其他n-1个点的最小距离；所述最近像素距离为两个相邻圆斑的中心的像素距离；
依据相机的成像原理和投影定理可知，两个相邻圆斑的中心的像素距离与被测目标到光源之间的距离具有如下关系：；
其中为距离系数，由相机参数与光源的参数决定。
6.一种无人机，其特征在于，其采用如权利要求1-5任意一项所述的红外激光测距装置探测障碍，进行自动避障控制。
7.一种自动避障控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）开始，在无人机的前进方向选定被测目标；
（2）对被测目标使用如权利要求1-5任意一项所述的红外激光测距装置进行红外激光测距；
（3）判断无人机到被测目标的距离是否小于安全距离，如果是，则调整前进方向，并返回步骤（2）；如果否，则执行步骤（4）；
（4）继续前进。
8.一种红外激光测距方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将一组矩阵阵列的点投影到被测目标表面；
（2）对被测目标图像进行成像，所述目标图像为包含有矩阵阵列的像；
（3）处理成像的图片，根据图片中的点阵列的像素坐标求解出所述红外光源到被测目标的最小距离。
9.如权利要求8所述的一种红外激光测距方法，其特征在于，所述步骤（1）中矩阵阵列的形成方法具体包括：在阵列图案面放置一个厚度不一的薄膜，当所述薄膜的厚度为半波长的奇数倍时，所述薄膜的反射使的反射波与原来的波相抵消，则激光不能透过薄膜；当所述薄膜的厚度为半波长的偶数倍时，所述薄膜的反射使的反射波与原来的波不抵消，则激光透过薄膜；通过调节所述薄膜的形状即可形成发射所述矩阵阵列的光源。
10.如权利要求8所述的一种红外激光测距方法，其特征在于，所述步骤（3）具体包括：假设提取出图片中点阵的n个圆斑的中心点的像素坐标分别为…，则相邻的两个圆斑的中心的最近像素距离表示为，其中分别表示为第n个圆斑的中心的像素坐标到其他n-1个点的最小距离；所述最近像素距离为两个相邻圆斑的中心的像素距离；
依据相机的成像原理和投影定理可知，两个相邻圆斑的中心的像素距离与被测目标到光源之间的距离具有如下关系：；
其中，为距离系数，由相机参数与光源的参数决定。
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