CN109343079A - 一种测距避障方法及避障装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提出一种测距避障方法及避障装置，涉及光学测量技术领域。该避障装置包括TOF深度相机和移动载体，TOF深度相机安装在移动载体上，TOF深度相机包括光源、传感器模块和第一控制处理模块，移动载体包括第二控制处理模块，第一控制处理模块与光源、传感器模块和第二控制处理模块均电连接；光源用于提供光信号；传感器模块用于在光信号被障碍物反射后接收反射光信号，并将反射光信号转换为电信号以传输至第一控制处理模块；第一控制处理模块用于根据电信号得到探测结果；第二控制处理模块用于根据探测结果和移动载体的速度信息确定移动载体的避障措施。该测距避障方法及避障装置具有更高的可靠性、稳定性和实时性。

Description

一种测距避障方法及避障装置

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体而言，涉及一种测距避障方法及避障装置。

背景技术

目前，移动载体的测距避障手段主要通过超声波传感器、三角测距型红外传感器、飞行时间(Time Of Flight，TOF)传感器和视觉传感器等实现。以AGV(Automated GuidedVehicle)小车为例，一般采用单点激光扫描雷达进行测距避障，即由激光器发出短脉冲激光，经目标反射后回波返回，由光电探测器接收，根据发射信号与回波信号之间的时间间隔，计算出障碍物的距离。同时，为扩大探测视场，引入机械旋转部件通过扫描实现。

上述基于机械旋转式单线激光雷达的测距避障方法，由于需要进行360°旋转，才能进行多方位测量，这种避障方法工艺成本高且结构设计复杂；同时，采用机械式旋转结构还需兼顾系统工作的稳定性，这就决定了测距避障系统的扫描频率不能太高，在移动载体与障碍物的相对运动速度变化较快时，会出现大的测量偏差。不仅如此，这类测距避障方法在垂直方向的视场较小，不易规避地面低矮障碍物以及离地的空中障碍物。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测距避障方法及避障装置，该测距避障方法及避障装置具有更高的可靠性、稳定性和实时性。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种避障装置，包括TOF深度相机和移动载体，所述TOF深度相机安装在所述移动载体上，所述TOF深度相机包括光源、传感器模块和第一控制处理模块，所述移动载体包括第二控制处理模块，所述第一控制处理模块与所述光源、所述传感器模块和第二控制处理模块均电连接；所述光源用于提供光信号；所述传感器模块用于在所述光信号被障碍物反射后接收反射光信号，并将所述反射光信号转换为电信号以传输至所述第一控制处理模块；所述第一控制处理模块用于根据所述电信号得到探测结果，并将所述探测结果传输至所述第二控制处理模块；所述第二控制处理模块用于根据所述探测结果和所述移动载体的速度信息确定所述移动载体的避障措施。

第二方面，本发明实施例还提供了一种测距避障方法，应用于TOF深度相机，所述TOF深度相机安装在移动载体上，所述TOF深度相机包括光源、传感器模块和第一控制处理模块，所述第一控制处理模块与所述光源、所述传感器模块和第二控制处理模块均电连接，所述避障方法包括：所述光源提供光信号；所述传感器模块在所述光信号被障碍物反射后接收反射光信号，并将所述反射光信号转换为电信号以传输至所述第一控制处理模块；所述第一控制处理模块根据所述电信号得到探测结果，并将所述探测结果传输至所述移动载体以控制所述移动载体执行避障措施。

第三方面，本发明实施例还提供了一种测距避障方法，应用于移动载体，所述移动载体上安装有TOF深度相机，所述避障方法包括：接收所述TOF深度相机发送的探测结果；其中所述探测结果依据所述TOF深度相机发射的光信号被障碍物反射后的反射光信号转换获得；根据所述探测结果和所述移动载体的速度信息确定所述移动载体的避障措施。

本发明实施例提供的一种测距避障方法及避障装置，通过TOF深度相机的光源主动照明，使得避障装置在低光照度条件下也能正常工作，且具有较强的抗背景光干扰能力；由于TOF深度相机的传感器模块为面阵传感器且具有高帧频特性，TOF深度相机能够对视场范围内所有障碍物同时测距，有效提高了避障装置的实时性；TOF深度相机安装在移动载体上，无任何机械旋转部件，保证了避障装置的可靠性和稳定性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的避障装置的应用环境的侧视示意图；

图2示出了本发明实施例提供的避障装置的应用环境的俯视示意图；

图3示出了本发明实施例提供的避障装置的结构框图；

图4示出了本发明实施例提供的测距避障方法的流程示意图之一；

图5示出了本发明实施例提供的测距避障方法的流程示意图之二。

图标：1-避障装置；10-TOF深度相机；11-光源；12-传感器模块；13-第一控制处理模块；20-移动载体；21-第二控制处理模块；30-障碍物。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1-3所示，本发明提供的避障装置1包括TOF深度相机10和移动载体20，所述TOF深度相机10安装在所述移动载体20上，所述TOF深度相机10包括光源11、传感器模块12和第一控制处理模块13，所述移动载体20包括第二控制处理模块21，所述第一控制处理模块13与所述光源11、所述传感器模块12和第二控制处理模块21均电连接。

在本实施例中，所述光源11用于提供光信号；所述传感器模块12用于在所述光信号被障碍物30反射后接收反射光信号，并将所述反射光信号转换为电信号以传输至所述第一控制处理模块13；所述第一控制处理模块13用于根据所述电信号得到探测结果，并将所述探测结果传输至所述第二控制处理模块21；所述第二控制处理模块21用于根据所述探测结果和所述移动载体20的速度信息确定所述移动载体20的避障措施。

在本实施例中，所述TOF深度相机10安装在所述移动载体20靠近所述障碍物30的一端。可以理解，TOF深度相机10固定安装在移动载体20靠近障碍物30的一端的表面，可以避免移动载体20靠近障碍物30的一端的表面对通过障碍物30反射的光信号产生多次的反射，进而对测量数据产生影响，使得TOF深度相机10得到的探测结果不准确。

在本实施例中，TOF深度相机10可以选取大视场角的镜头，镜头的水平方向的视场角可以为大于100°，通过选取大视场角的镜头可以使得TOF深度相机10的视场覆盖面更广。在实际生产时，也可以根据避障区域的大小选取合适视场角的镜头，在本实施例中并不作限制。

在TOF深度相机10的镜头参数确定的情况下，根据镜头的焦距大小和镜头投影关系，可以计算出传感器模块12上各像素点覆盖的水平视场和垂直视场，进而通过传感器模块12上各像素点覆盖的水平视场和垂直视场可以确定避障装置1的水平探测角和垂直探测角。在实际测量时，传感器模块12的垂直视场一般都偏大，用户可以预先设置TOF深度相机10的感兴趣区域(Region of Interest，ROI)，进而减小传感器模块12的垂直视场。

在本实施例中，所述TOF深度相机10安装在所述移动载体20上的高度根据所述避障装置1的探测距离和垂直探测角得到。

可以理解，用户根据避障装置1的最大探测距离和垂直探测角计算得到TOF深度相机10在移动载体20的安装高度，具体的，可以根据以下公式计算得到TOF深度相机10在移动载体20的安装高度：

其中，α为避障装置1的垂直探测角，h为TOF深度相机10在移动载体20的安装高度(即TOF深度相机10距离地面的高度)，d为避障装置1的最大探测距离。

在本实施例中，所述传感器模块12还用于在所述光信号通过标定目标反射后接收标定目标反射光信号，并根据所述标定目标反射光信号得到所述标定目标的方位信息；所述第一控制处理模块13还用于根据所述方位信息判断所述TOF深度相机10是否处于第一位置。

可以理解，当TOF深度相机10在移动载体20上的安装高度确定后，为了保证TOF深度相机10在移动载体20上处于第一位置，用户将标定目标放置于移动载体20正前方中心位置(即将标定目标放置于沿安装有TOF深度相机10方向的中心位置)，同时还根据标定目标相对于移动载体20的距离、TOF深度相机10的镜头焦距和传感器模块12上单个像素点尺寸，确定标定目标的大小。在标定目标的大小和标定目标相对于移动载体20的距离均确定后，光源11提供的光信号被标定目标反射后得到的标定目标反射光信号，传感器模块12接收该标定目标反射光信号，根据TOF成像原理得到标定目标的方位信息，调整TOF深度相机10的姿态或者通过软件方式对TOF深度相机10的视场中心进行偏转处理，当标定目标的方位信息位于像面中心位置时，则确定TOF深度相机10处于第一位置，以此达到矫正TOF深度相机10偏斜的目的。

在本实施例中，传感器模块12采用TOF深度传感器，标定目标可以采用白色漫反射目标，移动载体20可以采用AVG小车。

进一步地，在本实施例中，所述第一控制处理模块13还用于将所述避障装置1的探测范围根据所述避障装置1的探测距离和探测角度分成多个响应区域。所述第一控制处理模块13用于根据所述电信号得到所述障碍物30相对于所述TOF深度相机10的方位和距离，所述第一控制处理模块13根据所述方位和所述距离判断所述障碍物30是否处于任意一个所述响应区域内，并得到对应的探测结果。

可以理解，第一控制处理模块13将预先设置的避障装置1的探测范围通过预先设置的避障装置1的探测距离和探测角度分成多个响应区域，其中，避障装置1的探测角度包括水平探测角和垂直探测角，避障装置1的探测范围是指避障装置1的探测空间的大小，避障装置1的探测距离与避障装置1的探测空间的长相对应，避障装置1的水平探测角与避障装置1的探测空间的宽相对应，避障装置1的垂直探测角与避障装置1的探测空间的高相对应。如图1、图2所示，可以将避障装置1的探测范围分成三个响应区域，分别为保护区域、警告区域一和警告区域二，其中，避障装置1的探测距离和探测角度沿保护区域、警告区域一和警告区域二依次增大。

第一控制处理模块13通过传感器模块12发送的电信号得到反射光信号的相位，还根据光源11发射光信号时得到光信号的相位，第一控制处理模块13根据光信号和反射光信号之间的相位差计算得到障碍物30相对于TOF深度相机10的距离，具体公式如下：

其中，f为光源11的调制频率，c为光速，S为障碍物30相对于TOF深度相机10的距离，为光信号和反射光信号之间的相位差。

第一控制处理模块13还通过传感器模块12发送的电信号得到反射光信号被传感器模块12上哪些像素点采集，在根据采集反射光信号的像素点在传感器模块12中的位置计算得到障碍物30相对于TOF深度相机10的方位。

第一控制处理模块13根据障碍物30相对于所述TOF深度相机10的方位和距离可以得到障碍物30在避障装置1的探测范围内对应的探测距离、水平探测角及垂直探测角，第一控制处理模块13根据障碍物30在避障装置1的探测范围内对应的探测距离、水平探测角及垂直探测角可以判断障碍物30是否处于任意一个响应区域内；若障碍物30处于保护区域，第一控制处理模块13得到第一探测结果，并将第一探测结果发送至第二控制处理模块21，第二控制处理模块21根据第一探测结果确定移动载体20的避障措施为停止移动载体20运行，第二控制处理模块21还根据移动载体20的速度信息及障碍物30相对于TOF深度相机10的距离确定移动载体20停止运行的加速度信息；若障碍物30处于告警区域一，第一控制处理模块13得到第二探测结果，并将第二探测结果发送至第二控制处理模块21，第二控制处理模块21根据第二探测结果确定移动载体20的避障措施为减速运行，第二控制处理模块21还根据移动载体20的速度信息及障碍物30相对于TOF深度相机10的距离确定移动载体20减速运行的加速度信息；若障碍物30处于告警区域二，第一控制处理模块13得到第三探测结果，并将第三探测结果发送至第二控制处理模块21，第二控制处理模块21根据第三探测结果确定移动载体20的避障措施为预警提示。

在本实施例中，多个响应区域的个数可以根据实际情况进行设置，对应的避障措施也可以根据实际情况进行增加或删减，在本实施例中并不作限制。

在另一种实施例中，所述第二控制处理模块21还用于将所述避障装置1的探测范围根据所述避障装置1的探测距离和探测角度分成多个响应区域。所述探测结果包括所述障碍物30相对于所述TOF深度相机10的方位和距离，所述第一控制处理模块13用于根据所述电信号得到所述方位和所述距离，并将所述方位和所述距离传输至所述第二控制处理模块21；所述第二控制处理模块21用于根据所述方位和所述距离判断所述障碍物30是否处于任意一个所述响应区域内并得到对应的判断结果，所述第二控制处理模块21根据所述判断结果和所述移动载体20的速度信息确定所述移动载体20的避障措施。

可以理解，第二控制处理模块21将预先设置的避障装置1的探测范围通过预先设置的避障装置1的探测距离和探测角度分成多个响应区域，其中，避障装置1的探测角度包括水平探测角和垂直探测角，避障装置1的探测范围是指避障装置1的探测空间的大小，避障装置1的探测距离与避障装置1的探测空间的长相对应，避障装置1的水平探测角与避障装置1的探测空间的宽相对应，避障装置1的垂直探测角与避障装置1的探测空间的高相对应。如图1、图2所示，可以将避障装置1的探测范围分成三个响应区域，分别为保护区域、警告区域一和警告区域二，其中，避障装置1的探测距离和探测角度沿保护区域、警告区域一和警告区域二依次增大。

第二控制处理模块21根据障碍物30相对于所述TOF深度相机10的方位和距离可以得到障碍物30在避障装置1的探测范围内对应的探测距离、水平探测角及垂直探测角，第二控制处理模块21根据障碍物30在避障装置1的探测范围内对应的探测距离、水平探测角及垂直探测角可以判断障碍物30是否处于任意一个响应区域内；若障碍物30处于保护区域，第二控制处理模块21得到第一判断结果，并根据第一判断结果确定移动载体20的避障措施为停止移动载体20运行，第二控制处理模块21还根据移动载体20的速度信息及障碍物30相对于TOF深度相机10的距离确定移动载体20停止运行的加速度信息；若障碍物30处于告警区域一，第二控制处理模块21得到第二判断结果，并根据第二判断结果确定移动载体20的避障措施为减速运行，第二控制处理模块21还根据移动载体20的速度信息及障碍物30相对于TOF深度相机10的距离确定移动载体20减速运行的加速度信息；若障碍物30处于告警区域二，第二控制处理模块21得到第三判断结果，并根据第三判断结果确定移动载体20的避障措施为预警提示。

进一步地，在本实施例中，移动载体20上可以安装两台或两台以上的TOF深度相机10，采用视场组合的方式，可以增大避障装置1的探测范围。

请参考图4，,为本发明实施例提供的一种测距避障方法的流程图，该测距避障方法应用与上述的TOF深度相机10，该测距避障方法包括：

步骤S1，所述光源11提供光信号。

步骤S2，所述传感器模块12在所述光信号被障碍物30反射后接收反射光信号，并将所述反射光信号转换为电信号以传输至所述第一控制处理模块13。

步骤S3，所述第一控制处理模块13根据所述电信号得到探测结果，并将所述探测结果传输至所述移动载体20以控制所述移动载体20执行避障措施。

在本实施例中，第一控制处理模块13还用于将所述避障装置1的探测范围根据所述避障装置1的探测距离和探测角度分成多个响应区域。第一控制处理模块13根据所述电信号得到所述障碍物30相对于所述TOF深度相机10的方位和距离，所述第一控制处理模块13根据所述方位和所述距离判断所述障碍物30是否处于任意一个所述响应区域内，并得到对应的探测结果；第一控制处理模块13将探测结果发送至第二控制处理模块21，第二控制处理模块21根据探测结果和移动载体20的速度信息确定移动载体20的避障措施。

请参考图5，为本发明实施例提供的另一种测距避障方法的流程图，该测距避障方法应用与上述的移动载体20，该测距避障方法包括：

步骤S4，接收所述TOF深度相机10发送的探测结果；其中所述探测结果依据所述TOF深度相机10发射的光信号被障碍物30反射后的反射光信号转换获得。

步骤S5，根据所述探测结果和所述移动载体20的速度信息确定所述移动载体20的避障措施。

在本实施例中，探测结果包括所述障碍物30相对于所述TOF深度相机10的方位和距离；第二控制处理模块21还用于将所述避障装置1的探测范围根据所述避障装置1的探测距离和探测角度分成多个响应区域。第二控制处理模块21根据所述方位和所述距离判断所述障碍物30是否处于任意一个所述响应区域内并得到对应的判断结果，所述第二控制处理模块21根据所述判断结果和所述移动载体20的速度信息确定所述移动载体20的避障措施。

综上所述，本发明实施例提供的测距避障方法及避障装置，通过TOF深度相机的光源主动照明，使得避障装置在低光照度条件下也能正常工作，且具有较强的抗背景光干扰能力；由于TOF深度相机的传感器模块为面阵传感器且具有高帧频特性，TOF深度相机能够对视场范围内所有障碍物同时测距，有效提高了避障装置的实时性；TOF深度相机安装在移动载体上，无任何机械旋转部件，保证了避障装置的可靠性和稳定性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (10)

1.一种避障装置，其特征在于，包括TOF深度相机和移动载体，所述TOF深度相机安装在所述移动载体上，所述TOF深度相机包括光源、传感器模块和第一控制处理模块，所述移动载体包括第二控制处理模块，所述第一控制处理模块与所述光源、所述传感器模块和所述第二控制处理模块均电连接；

所述光源用于提供光信号；

所述传感器模块用于在所述光信号被障碍物反射后接收反射光信号，并将所述反射光信号转换为电信号以传输至所述第一控制处理模块；

所述第一控制处理模块用于根据所述电信号得到探测结果，并将所述探测结果传输至所述第二控制处理模块；

所述第二控制处理模块用于根据所述探测结果和所述移动载体的速度信息确定所述移动载体的避障措施。

2.如权利要求1所述的避障装置，其特征在于，所述第一控制处理模块还用于将所述避障装置的探测范围根据所述避障装置的探测距离和探测角度分成多个响应区域。

3.如权利要求2所述的避障装置，其特征在于，所述第一控制处理模块用于根据所述电信号得到所述障碍物相对于所述TOF深度相机的方位和距离，所述第一控制处理模块根据所述方位和所述距离判断所述障碍物是否处于任意一个所述响应区域内，并得到对应的探测结果。

4.如权利要求1所述的避障装置，其特征在于，所述第二控制处理模块还用于将所述避障装置的探测范围根据所述避障装置的探测距离和探测角度分成多个响应区域。

5.如权利要求4所述的避障装置，其特征在于，所述探测结果包括所述障碍物相对于所述TOF深度相机的方位和距离，所述第一控制处理模块用于根据所述电信号得到所述方位和所述距离，并将所述方位和所述距离传输至所述第二控制处理模块；

所述第二控制处理模块用于根据所述方位和所述距离判断所述障碍物是否处于任意一个所述响应区域内并得到对应的判断结果，所述第二控制处理模块根据所述判断结果和所述移动载体的速度信息确定所述移动载体的避障措施。

6.如权利要求1所述的避障装置，其特征在于，所述TOF深度相机安装在所述移动载体上的高度根据所述避障装置的探测距离和垂直视场角得到。

7.如权利要求1所述的避障装置，其特征在于，所述传感器模块还用于在所述光信号通过标定目标反射后接收标定目标反射光信号，并根据所述标定目标反射光信号得到所述标定目标的方位信息；

所述第一控制处理模块还用于根据所述方位信息判断所述TOF深度相机是否处于第一位置。

8.如权利要求1所述的避障装置，其特征在于，所述TOF深度相机安装在所述移动载体靠近所述障碍物的一端。

9.一种测距避障方法，其特征在于，应用于TOF深度相机，所述TOF深度相机安装在移动载体上，所述TOF深度相机包括光源、传感器模块和第一控制处理模块，所述第一控制处理模块与所述光源、所述传感器模块和第二控制处理模块均电连接，所述避障方法包括：

所述光源提供光信号；

所述传感器模块在所述光信号被障碍物反射后接收反射光信号，并将所述反射光信号转换为电信号以传输至所述第一控制处理模块；

所述第一控制处理模块根据所述电信号得到探测结果，并将所述探测结果传输至所述移动载体以控制所述移动载体执行避障措施。

10.一种测距避障方法，其特征在于，应用于移动载体，所述移动载体上安装有TOF深度相机，所述避障方法包括：

接收所述TOF深度相机发送的探测结果；其中所述探测结果依据所述TOF深度相机发射的光信号被障碍物反射后的反射光信号转换获得；

根据所述探测结果和所述移动载体的速度信息确定所述移动载体的避障措施。