CN108427424A - 一种障碍物的检测装置、方法与移动机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种障碍物的检测装置、方法与移动机器人，所述检测方法包括，所述摄像头保持预设帧率采样图像，所述发光管发出与预设帧率同步的脉冲光；然后判断所述摄像头采样的相邻两帧图像的亮度变化值是否大于所述预设阈值，同时判断所述相邻两帧图像的亮度在时序上是否周期性隔帧变化，当上述两个判断都成立时，则表示所述摄像头前方所述预设范围内有障碍物。本发明实施中的摄像头通过增加一个同帧率的发光源，结合低成本的红外部件，在预设范围内检测到障碍物，提高机器人的感知能力，防止摄像头容易出现被挡、刮花等现象，本发明可以精确检测到，减少误判断。

Description

一种障碍物的检测装置、方法与移动机器人
技术领域
本发明涉及自主控制技术领域，尤其涉及一种障碍物的检测装置、方法与移动机器人。
背景技术
现有的扫地机器人常常通过红外感应或超声波仿生技术检测障碍物，对障碍物进行避开，将垃圾或吸或扫或擦进行清理。红外线传输距离远，但对使用环境有相当高的要求，当遇上浅色或是深色的家居物品它无法反射回来，不能够有效避障，会造成机器与家居物品发生碰撞；而且使用红外检测仅能够使机器人获悉前面内有障碍物，不能使机器人准确确定障碍物的具体位置，无法及时作出预判以有效避障。对于超声波，其检测视角较小，受环境干扰比较大，检测不到地面低矮和细小的障碍物，易导致扫地机器人被细小物体缠绕， 避障效果不好，而提高视角需额外增加超声波模块数量，使得成本较高。
如果拟利用摄像头检测障碍物的位置信息进行避障，摄像头采集图像时，视觉导航技术，由于它的低成本和高可靠性，相对于其他的方式有更多的优势，但是存在一些问题，例如超前镜头容易被挡、刮花等。为此，需要一个便于实现的障碍物检测的方法。
发明内容
相对于其他实现视觉摄像头检测障碍物的方案，让摄像头在障碍物的预设距离前准确检测到障碍物，解决摄像头在检测障碍物的过程中容易被障碍物遮挡、刮花的问题和成本问题，本发明提供如下技术方案：
一种障碍物的检测装置，该检测装置包括：
图像采集模块，用于通过摄像头以预设帧率采样障碍物反射光形成的图像；
光源模块，用于通过发光管发射出所述预设帧率的脉冲光；
图像处理模块，用于判断所述图像采集模块采样的相邻两帧图像的亮度变化值是否大于预设阈值，并判断所述相邻两帧图像的亮度在时序上是否周期性隔帧变化，上述两个判断都成立时，则表示所述图像采集模块前方预设范围内有障碍物；
其中，所述预设阈值是障碍物在所述预设范围内对所述发光管在开关切换过程中输出的光脉冲反射所产生的亮度变化参考值；障碍物反射的是所述光源模块发射出所述预设帧率的脉冲光。
进一步地，所述检测装置还包括了一个用于装设检测元件的承载模块，该承载模块包括一个承载机构，所述发光管的中心轴线与所述摄像头的中心轴线相交呈夹角地设置在所述承载机构上。
进一步地，在所述承载机构上，所述发光管与所述摄像头在竖直方向上保持预设高度，所述发光管与所述摄像头在水平方向上保持预设距离。
进一步地，所述发光管的中心轴线与所述摄像头的中心轴线相交得到一个交叉点，使得该交叉点与所述摄像头的距离大于防碰撞距离；其中所述防碰撞距离的数值大于3，单位为厘米。
进一步地，所述预定范围是以所述交叉点为圆心，预设长度为半径所确定并处于所述发光管的视角范围与所述摄像头的视角范围的交叉区域内的圆形区域；
其中，所述预设长度由所述交叉点与所述发光管的距离结合所述发光管的视角利用三角几何关系求得。
进一步地，所述发光管的视角的数值设置为30，单位为度。
一种障碍物的检测方法，该方法基于所述检测装置，所述检测方法包括：
所述摄像头保持预设帧率采样图像，所述发光管发出与预设帧率同步的脉冲光；
判断所述摄像头采样的相邻两帧图像的亮度变化值是否大于所述预设阈值，同时判断所述相邻两帧图像的亮度在时序上是否周期性隔帧变化，当上述两个判断都成立则表示所述摄像头前方所述预设范围内有障碍物。
进一步地，所述发光管的开关状态控制在在所述摄像头采样的相邻两帧图像间进行切换。
一种视觉机器人，所述视觉机器人是一种装设所述检测装置的移动机器人。
进一步地，所述移动机器人包括机体、摄像头、微处理器和承载机构和红外发光管，所述承载机构装设在所述机体上用于将所述发光管与所述摄像头彼此呈夹角地固定住，所述微处理器内置于所述机体中用于检测到所述摄像头采样的相邻两帧图像的亮度变化值大于所述预设阈值且亮度在时序上呈周期性隔帧变化时控制所述移动机器人执行避障操作。
本发明实施中的摄像头通过增加一个同帧率的发光源，结合低成本的红外部件，在预设范围内检测到障碍物，提高机器人的感知能力，防止摄像头容易出现被挡、刮花等现象，本发明可以精确检测到，减少误判断。
附图说明
图1为本发明实施提供的检测装置的基本结构；
图2为本发明实施提供的检测装置的几何模型示意图；
图3为本发明实施提供的摄像头的采样帧和发光管的输出脉冲光帧率的控制时序图；
图4为本发明实施提供的检测方法的流程图；
图5为本发明实施提供一种障碍物的检测装置的模块框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
本发明实施例提供一种障碍物的检测装置，如图5所示，该检测装置包括：图像采集模块，用于通过摄像头101以预设帧率采样障碍物反射光形成的图像；光源模块，用于通过发光管102发射出所述预设帧率的脉冲光，为障碍物提供反射光源，由于发光管102的光源视角比较广，而障碍物反射光的强度随着障碍物与摄像头101的距离增大而呈指数下降，故选择预设范围内识别障碍物的精度更高；图像处理模块，用于判断所述图像采集模块采样的相邻两帧图像的亮度变化值是否大于预设阈值，并判断所述相邻两帧图像的亮度在时序上是否周期性隔帧变化，上述两个判断都成立时，则表示所述图像采集模块前方所述预设范围内有障碍物；其中，所述预设阈值是障碍物在所述预设范围内对所述发光管输出的光脉冲反射所产生的亮度变化参考值；障碍物反射的是所述光源模块发射出所述预设帧率的脉冲光。
作为本发明提供的一种障碍物的检测装置，所述检测装置还包括了一个用于装设检测元件的承载模块，该承载模块包括一个承载机构。该检测装置的结构示意图如图1所示，包括一个用作拍摄障碍物图像的摄像头101、一个作为发光源的发光管102和一个承载机构107，所述发光管的中心轴线与所述摄像头的中心轴线相交呈夹角106地设置在所述承载机构上；其中，所述预定范围105处于所述发光管102的视角103范围区域与所述摄像头的101视角104范围区域的交叉区域内，所述预定范围105以所述发光管102的的中心轴线与所述摄像头101的中心轴线的交点O为圆心。应用时，需要避免所述装置太靠近障碍物，同时，不同的障碍物反射光强度不同，应用时作为圈定所述预设范围的半径不能设置太小。
作为本发明提供的一种障碍物的检测装置，如图2的几何模型所示，点A为所述承载机构上放置所述摄像头的位置，点B为所述承载机构上放置所述发光管的位置，所述发光管与所述摄像头在竖直方向上保持预设高度h，在本发明实施例中，所述预设高度h的数值设置为4，单位为厘米；所述发光管与所述摄像头在水平方向上保持预设距离l, 在本发明实施例中，所述预设距离l的数值设置为5，单位为厘米。
作为本发明提供的一种障碍物的检测装置，如图2的几何模型所示，所述发光管的中心轴线与所述摄像头的中心轴线相交得到一个交叉点O，使得该交叉点O与所述摄像头的距离OA大于防碰撞距离；同时交叉点O处的障碍物接收所述发光管的光强最大，使得所述摄像头采样的图像最清晰，故选择以O点为圆心圈定的圆形区域作为所述预设范围，提供检测精度。其中在本发明实施中，所述防碰撞距离的数值大于3，单位为厘米。
作为本发明提供的一种障碍物的检测装置，如图2的几何模型所示，所述预定范围是以所述交叉点O为圆心，预设长度OP为半径所确定的，所述预定范围处于所述发光管的视角范围与所述摄像头的视角范围的交叉区域内的圆形区域；其中，所述预设长度OP由所述交叉点O与所述发光管的距离OB结合所述发光管的视角利用三角几何关系求得,其公式如下：
优选地，所述发光管的视角的数值设置为30，单位为度。所述发光管的视角在本发明实施中设置为锐角，使得所述发光管发射的光脉冲覆盖的范围与所述摄像头的最近距离大于所述防碰撞距离，即间接确定所述预定范围的圆心位置，让障碍物能在离开所述摄像头远一点的位置被检测到。
优选地，当所述发光管102的中心轴线与所述摄像头101的中心轴线相交呈锐角夹角。如图1所示，所述发光管102的中心轴线与所述摄像头101的中心轴线相交呈夹角106地设置在所述承载机构107上，夹角106在本发明实施例中为锐角。所述发光管与所述摄像头101在所述承载机构107上的距离和角度越大，则由圆内接四边形的几何关系得，夹角106越小，所述预定范围105的O点位置与所述承载机构越远，使得在检测障碍物时避免与所述摄像头101碰撞，其中所述圆内接四边形由所述发光管102的中心轴线及其垂直线，和所述摄像头101的中心轴线及其垂直线围成的。
优选地，所述发光管102选择红外发光管，红外光源的折射率低，穿透能力强，光源较稳定，不易受外界光源因素的影响。相对于现有技术中的检测障碍物的装置，本发明提供的检测装置使用呈现夹角的摄像头和红外发光管的组合。
优选地，所述发光管102发射的脉冲光的帧率与所述摄像头101采样图像的帧率同步。结合图3所示，当所述摄像头101 的脉冲信号201在t1时刻之前的采样周期内处于高电平，对应地相同时间段下所述发光管102的脉冲信号202处于低电平；所述摄像头101 的脉冲信号201在t1~t3时间段是低电平，而相同时间段内所述发光管102的脉冲信号202由t1时刻的低电平跳变为t3时刻的高电平；当所述摄像头101 的脉冲信号201在t2~t5的时间段处于高电平，对应地相同时间段内所述发光管102的脉冲信号202也处于高电平；所述摄像头101 的脉冲信号201在t4~t6时间段是低电平，而相同时间段内所述发光管102的脉冲信号202由t4时刻的高电平跳变为t6时刻的低电平；当所述摄像头101 的脉冲信号201在t6时刻之后的采样周期内处于高电平，对应地相同时间段下所述发光管102的脉冲信号202处于低电平。
一种视觉机器人的障碍物的检测方法，该方法基于所述检测装置，如图4所示，所述检测方法包括：
步骤1、装设在同一承载机构107中，在当前采样周期下，所述摄像头保持以所述预设帧率采样图像，所述发光管输出的脉冲与所述摄像头采样的脉冲信号在时序上保持同步；
步骤2、判断所述摄像头采样的相邻两帧图像的亮度的灰度差是否大于所述预设阈值，同时判断所述相邻两帧图像的亮度在时序上是否周期性变化，是则表示所述摄像头前方所述预设范围内有障碍物，否则表示所述摄像头前方所述预设范围内没有障碍物；
具体地，步骤2中，所述摄像头采样的相邻两帧图像的亮度的灰度差大于所述预设阈值时，表示所述相邻两帧图像的亮度变化明显，否则表示所述相邻两帧图像的亮度变化不明显，当前采样周期内所述摄像头前方所述预设范围内不存在障碍物遮挡镜头影响入射到所述摄像头的光线亮度，然后进入下一采样周期继续采样，并判断所述摄像头采样的相邻两帧图像的亮度变化值；当确定所述相邻两帧图像的亮度变化大于所述预设阈值，则进一步判断所述相邻两帧图像的亮度在时序上是否呈周期性隔帧变化，其中隔帧变化是指从当前帧图像到下一帧图像变换时，所述摄像头101所采样的图像因为所述发光管102的开关切换而产生亮度变化，这种变化是周期性的，与所述预设帧率、采样周期相关。
如果判断是，则表示所述摄像头前方所述预设范围内存在障碍物，障碍物反射回所述预设帧率的光脉冲被所述摄像头采样到；否则在所述检测装置不出现检测误差的情况下，判断障碍物不在所述预设范围内。通过判断所述相邻两帧图像的亮度的帧率变化，防止在检测亮度变化较大的情况下外界有帧率的脉冲光源对检测障碍物造成的误判影响，提供一种所述预设帧率检测障碍物的高精度检测方法。具体地，所述摄像头采样的图像的光源来自所述障碍物的反射光，而所述障碍物的反射光来源于所述发光管发射的脉冲光；所述预设阈值是障碍物在所述预设范围内对所述发光管输出的光脉冲反射所产生的亮度变化参考值。
优选地，为了实现所述检测方法，需要做出相应的时序控制方法，使得所述摄像头101通过若干重复采样周期的控制，实现所述发光管102在所述预设帧率下切换开关，每帧切换一次。如图3所示，201为所述摄像头101采样图像的采样帧的脉冲信号，202为所述发光管102输出的脉冲信号。所述发光管102在t2时刻由关切换到开，其脉冲信号202由低电平切换到高电平，相同时刻下，所述摄像头101采样图像的脉冲信号201处于由采样当前帧图像切换到下一帧图像的低电平过渡时间段（t1~t3的时间段）；所述发光管102在t5时刻由开切换到关，其脉冲信号202由高电平切换到低电平，相同时刻下，所述摄像头101采样图像的脉冲信号201处于由采样下一帧图像切换到下下一帧图像的低电平过渡时间段（t4~t6的时间段）；脉冲信号201中相邻两个采样帧切换与脉冲信号202代表的开关状态切换在时序上存在同时触发，以实现所述帧率在时序上同步。其中，所述摄像头101采样的高电平脉冲波的宽度略小于所述发光管102输出的所有高或低电平脉冲波的宽度，所述摄像头101采样的低电平脉冲波的宽度极小可忽略不计，也代表所述发光管102的开关切换时间极短。
具体地，所述检测装置采用的所述发光管102发射的脉冲光与所述摄像头101采样图像的帧率同步，是为了排除外界环境光源因素的影响。其原因是，首先，所述摄像头101采样的图像的光源来自所述障碍物的反射光，而所述障碍物的反射光来源于所述发光管102发射的脉冲光，当所述摄像头101采样图像的帧率与所述发光管发射的光脉冲的帧率保持同步，在同一采样周期内收发的帧数一致，则证明障碍物在所述预定范围内反射所述发光管102发射的脉冲光，此时环境光信号的影响比较小。其中所述采样周期由所述摄像头101采样的当前帧图像切换到下一帧图像的时间点，和所述摄像头101采样的上一帧图像切换到当前帧图像的时间点确定的时间间隔；所述检测装置不会因为障碍物在所述预定范围内反射外界环境中不同的光源而造成误检测，通过人工施加影响的光源提高所述检测装置的检测精度。
具体地，所述障碍物反射光的强度随着光传播的距离变大而呈指数下降。由于所述发光管的视角103比较广，当所述障碍物与所述发光管的距离比较大时，所述障碍物给所述摄像头的发射光的强度呈指数的下降，则所述摄像头采样到的图像的亮度会受到环境光信号的强度影响，则所述检测装置和所述检测方法容易造成误检测结果，所以只有所述障碍物在105所圈定的预设范围内时，才满足所述检测装置中所述发光管和所述摄像头的视角范围要求，通过采样图像亮度的变化帧率实现对障碍物的检测识别，提高所述检测方法的精度。
本发明实施中提供一种视觉机器人，所述视觉机器人可以是一种装设有所述检测装置的移动机器人，用于通过所述检测方法进行检测障碍物，从而提高扫地机器人所述检测障碍物的精度。其中，所述移动机器人包括机体、摄像头、微处理器和承载机构和红外发光管，所述承载机构装设在所述机体上用于将所述发光管与所述摄像头彼此呈夹角地固定住，所述微处理器内置于所述机体中用于检测到所述摄像头采样的相邻两帧图像的亮度变化值大于所述预设阈值且亮度在时序上呈周期性隔帧变化时控制所述移动机器人执行避障操作。
以上实施例仅为充分公开而非限制本发明，凡基于本发明的创作主旨、未经创造性劳动的等效技术特征的替换，应当视为本申请揭露的范围。

Claims (10)

1.一种障碍物的检测装置，其特征在于，该检测装置包括：
图像采集模块，用于通过摄像头以预设帧率采样障碍物反射光形成的图像；
光源模块，用于通过发光管发射出所述预设帧率的脉冲光；
图像处理模块，用于判断所述图像采集模块采样的相邻两帧图像的亮度变化值是否大于预设阈值，并判断所述相邻两帧图像的亮度在时序上是否周期性隔帧变化，上述两个判断都成立时，则表示所述图像采集模块前方预设范围内有障碍物；
其中，所述预设阈值是障碍物在所述预设范围内对所述发光管在开关切换过程中输出的光脉冲反射所产生的亮度变化参考值；障碍物反射的是所述光源模块发射出所述预设帧率的脉冲光。
2.根据权利要求1所述检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括了一个用于装设检测元件的承载模块，该承载模块包括一个承载机构，所述发光管的中心轴线与所述摄像头的中心轴线相交呈夹角地设置在所述承载机构上。
3.根据权利要求2所述检测装置，其特征在于，在所述承载机构上，所述发光管与所述摄像头在竖直方向上保持预设高度，所述发光管与所述摄像头在水平方向上保持预设距离。
4.根据权利要求2所述检测装置，其特征在于，所述发光管的中心轴线与所述摄像头的中心轴线相交得到一个交叉点，使得该交叉点与所述摄像头的距离大于防碰撞距离；其中所述防碰撞距离的数值大于3，单位为厘米。
5.根据权利要求4所述检测装置，其特征在于，所述预定范围是以所述交叉点为圆心，预设长度为半径所确定并处于所述发光管的视角范围与所述摄像头的视角范围的交叉区域内的圆形区域；
其中，所述预设长度由所述交叉点与所述发光管的距离结合所述发光管的视角利用三角几何关系求得。
6.根据权利要求5所述检测装置，其特征在于，所述发光管的视角的数值设置为30，单位为度。
7.一种障碍物的检测方法，该方法基于权利要求1所述检测装置，其特征在于，所述检测方法包括：
所述摄像头保持预设帧率采样图像，所述发光管发出与预设帧率同步的脉冲光；
判断所述摄像头采样的相邻两帧图像的亮度变化值是否大于所述预设阈值，同时判断所述相邻两帧图像的亮度在时序上是否周期性隔帧变化，当上述两个判断都成立则表示所述摄像头前方所述预设范围内有障碍物。
8.根据权利要求7所述检测装置，其特征在于，所述发光管的开关状态控制在在所述摄像头采样的相邻两帧图像间进行切换。
9.一种视觉机器人，其特征在于，所述视觉机器人是一种装设权利要求1至权利要求6任一项所述检测装置的移动机器人。
10.根据权利要求9所述视觉机器人，其特征在于，所述移动机器人包括机体、摄像头、微处理器和承载机构和红外发光管，所述承载机构装设在所述机体上用于将所述发光管与所述摄像头彼此呈夹角地固定住，所述微处理器内置于所述机体中用于检测到所述摄像头采样的相邻两帧图像的亮度变化值大于所述预设阈值且亮度在时序上呈周期性隔帧变化时控制所述移动机器人执行避障操作。
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