CN109791041A - 使用光流测量障碍物距离的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量障碍物(14)的距离的系统，其中在沿着与障碍物相交的平面中的圆周(12)旋转的同时径向测量光流；并且根据光流的幅度、圆周的半径和旋转速度确定障碍物的距离。

Description

使用光流测量障碍物距离的系统

技术领域

本发明涉及使用光流技术的障碍物检测系统，特别是用于飞机。

背景技术

在用于无人机的防撞系统中通常考虑光流技术。例如，Laurent Muratet等人的文章，"A Contribution to Vision-Based Autonomous Helicopter Flight in UrbanEnvironments"(Robotics and Autonomous Systems,Volume 50,Issue 4,Pages 195-209,March 31,2005)，和Simon Zingg等人的文章,"MAV Navigation Through IndoorCorridors Using Optical Flow"(ICRA 2010)，提出了通过均衡由在位移方向上取向的相机拍摄的图像的边带的光流来引导建筑物之间的无人机。因此，在不计算绝对速度或距离的情况下，定性地或差别地使用图像的光流。

图1A示出了根据这些文章中提出的配置，在无人机在建筑物之间的移动期间由前置相机拍摄的图像。在图像右侧可见的近处建筑物生成光流(由向右箭头表示)，该光流大于出现在图像左侧的远处建筑物的光流。对该图像的光流的瞬时观察倾向于指示需要转向左侧以减少右侧的光流。

图1B示出了当相机面对占据整个视野的平坦的前方障碍物(立面)时获得的光流。光流从中心径向增加，中心区域中的流量为零。只有当障碍物的图像充分延伸超出中心区域时，这种流场才能用于避免碰撞，使得光流可测量。如果障碍物较小且在行进轴上，则可能仍然不可检测。

为了确定与光流的距离，已知应该使用线性行进分量，而由传感器提供的原始光流值还包括应该被补偿的旋转分量。待补偿的旋转分量可以通过安装在飞机中的陀螺仪系统来测量。

因此，光流通常不用于定量测量距离。然而，在一些车辆中，光流用于以定量方式提供速度，例如飞机的地面速度。为了计算速度，系统需要距观察的物体的距离(例如飞行高度)，该值是已知的或由另一传感器(例如高度计)向系统供应。

发明内容

为了根据本发明测量障碍物的距离，可以在沿着与障碍物相交的平面中的圆周旋转的同时径向测量光流；并且根据光流的幅度、圆周的半径和旋转速度确定障碍物的距离。

这可以通过提供一种用于测量障碍物距离的装置来实现，该装置包括：安装在物体上的旋转元件，该旋转元件被配置成以可确定的旋转速度连续旋转；以及光流传感器，该光流传感器被配置成测量在旋转元件的偏心点处的光流。

光流传感器可以被配置成径向或轴向地测量光流。

该装置可以包括用于光流传感器的操作电路，其被配置成从在旋转元件的转动期间测量的光流的最大值、测量点的偏心率和旋转速度来确定障碍物的距离。

操作电路可以被配置成从旋转元件的角位置确定障碍物的取向，在该角位置处测量最大光流。

光流传感器可以是局部运动传感器。然后，光流传感器可以包括偏心地安装在旋转元件上的光学系统、在旋转元件的旋转中心附近偏移的光电传感器，以及将光学系统连接到光电传感器的光纤。

可以选择旋转速度和偏心率值，使得它们导致在装置的使用期间产生的可忽略的其他速率分量。

直升机旋翼桨叶可提供有上述类型的测量装置，光流传感器被配置成测量在桨叶远端处的光流。

附图说明

从以下仅出于示例性目的而提供的并在附图中表示的本发明特定实施例的描述中，其他优点和特征将变得更加清楚，其中：

图1A和1B是如前所述的用于利用光流的图像；

图2示出根据基于光流的距离测量系统的实施例的平面图中的直升机，包括位于桨叶端部的光流传感器；

图3是示出按照桨叶的角位置存在平坦的垂直障碍物的由图2的系统提供的光流的演变的曲线图；

图4示出可以在图2的系统中使用的局部运动传感器的示例；以及

图5示出可以在图2的系统中使用的可替代的局部运动传感器。

具体实施方式

光流与传感器观察的图像中的运动的存在是不可分离的。如果速度很高并且目标区远离行进轴，则测量会更好。到目前为止，飞机中光流的测量是基于飞机的唯一的移动。然而，某些类型的飞机(例如直升机)可能具有缓慢或静止的飞行，使得难以采用基于光流的已知技术来检测桨叶附近的障碍物，例如岩壁。

本文提出使具有相对于车辆的恒定移动的光流传感器在即使在车辆静止时也提供可用的光流的配置中有效，。更具体地，提出了在沿着圆周旋转的同时测量光流，例如在直升机的旋翼桨叶的端部处。

原则上，旋转在光流中是不可用的，因为这些旋转引入了与观察距离无关的分量。实际上，这仅对于“纯”旋转适用，也就是说，当流量传感器在旋转轴上时。流量传感器相对于旋转轴的偏移产生切向速率，该切向速率在光流中引入可用的线性行进分量。

图2示出在直升机中的该系统的示例性实施。从上方观察，直升机8包括例如具有三个桨叶10的旋翼。在每个桨叶的远端安装有径向向外取向的光流传感器12。因此，由虚线箭头示出的每个传感器的观察轴是径向的。

旋翼以角速率Ω旋转，产生传感器的切向速率Vt，该切向速率Vt等于ΩR，其中R是传感器距旋转中心的距离。每个传感器产生总流量，以每秒弧度来表示：

ω_tot＝ω_rot+ω_trans

其中，ω_rot是旋转的一个分量，其等于旋翼的角速率Ω，并且ω_trans是线性行进分量，其取决于切向速率Vt＝ΩR。对于桨叶10的任何角位置θ，行进分量由如下来表示：

ω_trans＝Vt/D＝ΩR/D

其中，D是桨叶端部与桨叶延伸中(在对应的流量传感器12的光轴上)最近的物体之间的距离。

所以

ω_tot＝Ω(1+R/D)

这允许根据测量的总流量表达距离：

D＝RΩ/(ω_tot-Ω)

在直升机的情况下，角速率Ω基本上是恒定和已知的，对于具有三个桨叶和直径为10m的旋翼，其为每秒40弧度的量级。通过改变桨叶的桨距来调整推进动力。桨叶的长度是5米的量级，切向速率Vt是显著的，在200m/s的量级。该速度非常高，以至于大多数其他移动，特别是直升机在障碍物中飞行的期间发生的移动，对光流的影响可忽略不计，使得它们的补偿可能是多余的。

直升机的巡航速度可以达到100m/s，可能会对测量的光流产生影响。然而，这种巡航速度仅用于开阔地形，原则上不需要障碍物监测。

将这些测量原理应用于具有反向旋转旋翼的直升机，克服了与飞行速度相关的最终问题。实际上，两个旋翼的桨叶以相反的方向扫描地形，使得在给定的角位置θ处，飞行速度加到一者并从另一者减去。因此，在计算由第一旋翼的桨叶产生的流量和由第二旋翼的桨叶在相同的角位置θ处产生的流量的平均值中，消除飞行速度。

在任何情况下，通常都会测量直升机的飞行速度。如果需要的话，该飞行速度的测量可以用于在知道光流测量的角位置的情况下补偿光流测量。

桨叶的桨距理论上对流量测量有影响，因为对桨距的修改修改了流量传感器相对于其位移轴的倾斜度。然而，由于桨距在约5度的幅度范围内调整，该影响仅为0.4％(1-cos5°)，因此也可以不需要补偿。

随着桨叶10旋转，流量传感器12在包括桨叶的平面内扫描直升机周围的所有障碍物。位于直升机的行进轴上的前方障碍物，甚至很小，可以与其他障碍物一样精确地检测到。近处障碍物的存在的特征在于由给定传感器12测量的光通量的局部最大值，并且障碍物相对于直升机纵轴的取向由桨叶的角位置提供，在该角位置处测量局部最大值。桨叶的角位置如果不是由直升机中存在的传感器来提供，则桨叶的角位置可以从旋翼的角速率和直升机上的地标推断出来，该地标位于由流量传感器扫描的场中，例如尾翼或反作用转矩旋翼。

图2还示出了特定的障碍物，即垂直墙壁14，例如悬崖或建筑物立面。在一些直升机操作中，希望尽可能靠近墙壁。然而，难以评估墙壁相对于桨叶尖端的距离，特别是难以在操纵直升机时保持足够的距离。在长墙壁上，也很难识别最近的点。

流量传感器12具有圆形轨迹的事实在这种情况下是有用的。实际上，线性行进流量不是像直线轨迹的情况那样几乎恒定，该线性行进流量由如下来表示：

其中θ是桨叶10的相对于直升机纵轴考虑的角度，θ₀是当桨叶的端部最靠近墙壁时(例如图2中的右桨叶)桨叶相对于直升机纵轴的角度，并且D_min是对于θ＝θ₀测量的距离(最短距离)。

图3是示出对于R＝5m，D_min＝10m和Vt＝200m/s，按照桨叶角位置的平移光流ω_trans的演变的曲线图。平移流具有对于θ＝θ₀的明显的局部最大值。因此，对距墙壁的距离的评估和墙壁的取向的确定遵循与用于检测孤立障碍物相同的方法，即在测量样本中搜索局部最大值，并确定达到该局部最大值的桨叶角度。

由于光流测量基于观察到的物体的对比度，因此提出了专用光流传感器，其比具有图像后处理算法的相机简单得多。这种传感器被称为局部运动传感器(LMS)，其灵感来自昆虫视觉。这种传感器也非常适合于高速实施，例如在直升机桨叶端部的200m/s的量级。实际上，这种传感器的简单性意味着低计算资源，这使得可以以与高速运动兼容的比率提供测量。这种传感器也很轻，因此在直升机桨叶端部遇到离心力时不会受到压力。例如，由Fabien Expert等人在文章“Outdoor Field Performances of Insect-Based VisualMotion Sensors”(Journal of Field Robotics 2011)中描述了LMS传感器。

图4示意性地表示朝向墙壁14的基本LMS传感器的示例，这里通过一系列对比来示出。传感器包括一对光电二极管40，所述光电二极管40在此根据切向速率Vt在待测量的位移方向上对准。透镜42被布置成使得两个光电二极管从相差较小值(1°的量级)的角度来观察场景。

简言之，光流被确定为角差与在由两个光电二极管对相同对比图案的检测之间所经过的时间之间的比率。

来自两个光电二极管的信号通常相等但在时间上偏移。它们经历带通滤波，然后在44处进行相关，这提供了两个信号之间的时间差的测量。光流是该时间差的倒数乘以角度差。最后，距离D在46处从半径R和角速率Ω获得，该半径R和角速率Ω是已知的参数。

为了改善测量，LMS传感器可以被配置成使得每个光电二极管具有基本上高斯角灵敏度，由被称为Δρ的半高角度表征。例如，可以通过使透镜42稍微散焦来获得该高斯角灵敏度。这特别是实现了限制错误光流测量的低通空间滤波。例如，在[F.L.Roubieu,F.Expert,M.Boyron,B.Fuchslock,S.Viollet,F.Ruffier(2011)"A Novel 1-gram InsectBased Device Measuring Visual Motion Along 5Optical Directions",IEEE Sensors2011Conference,Limerick,Ireland,pp.687-690]中，描述了该配置。这种技术倾向于使LMS传感器“短视(short-sighted)”。

换句话说，传感器超过一定距离不起作用。在直升机桨叶中实施的LMS传感器可以被设计成具有20至30米的范围，这对于许多情况是足够的，包括在垂直墙壁附近悬停。

性能更好的LMS传感器包括几对对准的光电二极管，通常是三对。

图4的所有元件可以安装在直升机的每个桨叶的端部。然而，在一些应用中，这种设置对于桨叶的尺寸而言可能太重或太庞大，尤其是在它是无人机旋翼桨叶的情况下。

图5示出了图4的可以安装在小桨叶上的传感器的变体。图4的传感器分为两部分。仅传感器的光学系统42安装在桨叶10的远端，例如安装在桨叶中的为此目的提供的壳体中。光电二极管40在桨叶的近端处靠近旋翼的中心偏移，其中所述光电二极管40可以与其控制电路安装在较庞大的模块上。束50将光学系统42连接到光电二极管40。该光纤束50可以在桨叶的模制期间嵌入桨叶的主体中或者滑入先前在桨叶中形成的通道中。束50可包括许多单独的光纤，这些光纤提供光流的朝向两个光电二极管的独立引导。

如此布置在直升机的主旋翼的桨叶中的测量系统检测在包含桨叶的平面中的障碍物，以及取决于所使用的传感器的视角的在该平面外面的障碍物。如果还希望在垂直平面中检测障碍物，则测量系统可以在直升机的反作用转矩旋翼中实施，如果它不在后尾螺旋翼中的话。

而且，对于自动地形监测和对于需要对飞机和移动着陆平台之间的距离进行测量的登陆程序，可以使光流传感器垂直于包含飞机桨叶的平面进行取向，也就是说轴向取向。在这种情况下，与旋翼旋转相关的旋转分量ω_rot从由光流传感器提供的原始测量中消失，但是可能需要考虑桨叶桨距的变化。

本文描述的实施例的许多变化和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。尽管已经基本上描述了与直升机相关的距离测量系统，但是该系统可以用在具有或没有桨叶的任何车辆中。如果车辆最初没有桨叶，则可以在车辆上、在待监测的平面中为此目的来安装旋转元件，例如，盘或环。

已经结合车辆描述了距离测量装置，并且已经示出了该距离测量装置的有效性，尤其在车辆静止时。测量装置还可以集成在配备有例如风力涡轮机的旋转元件的静止物体内，以检测飞行元件的接近并且如果这些飞行元件太靠近桨叶，则采取安全措施(例如使桨叶减慢)。

Claims (10)

1.一种用于测量障碍物与物体(8)的距离的装置，包括：

安装在所述物体上的旋转元件(10)，其被配置成以可确定的旋转速度连续旋转；以及

光流传感器(12)，其被配置成测量所述旋转元件的偏心点处的光流，由此所述测量点的偏心率在所测量的光流中引入线性行进速率分量，其即使在所述物体是静止时也可利用于确定距离。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光流传感器被配置成径向测量所述光流。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光流传感器被配置成轴向测量所述光流。

4.根据权利要求2所述的装置，包括用于所述光流传感器的操作电路(44、46)，所述操作电路被配置成从所述旋转元件的转动期间测量的所述光流的最大值(ω_tot)、所述测量点的偏心率(R)和所述旋转速度(Ω)来确定所述障碍物的所述距离(D)。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述操作电路被配置成从所述旋转元件的角位置确定所述障碍物的取向，在所述角位置处测量所述最大光流。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光流传感器是局部运动传感器。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述光流传感器包括：

偏心地安装在所述旋转元件上的光学系统(42)，

在所述旋转元件的旋转中心附近偏移的光电传感器(40)，以及

将所述光学系统连接到所述光电传感器的光纤(50)。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述旋转速度和偏心率值使得它们导致在所述装置的使用期间产生可忽略的其他速率分量。

9.一种直升机旋翼桨叶，其形成根据权利要求8所述的测量装置的所述旋转元件，所述光流传感器(12)被配置成测量所述桨叶的远端处的光流。

10.一种用于测量障碍物的距离的方法，包括以下步骤：

在沿着与所述障碍物相交的平面中的圆周旋转的同时径向测量光流，所述圆周的半径在所测量的光流中引入线性行进速度分量；以及

根据所述光流的幅度、所述圆周的所述半径和所述旋转速度确定所述障碍物的距离。