CN110595365A - 一种减少激光三角位移传感器检测色差的自适应算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少激光三角位移传感器检测色差的自适应算法，根据半波宽度和整波宽度，计算半波宽与整波宽的比值P，再根据光斑成像大致位置确定目标比值Pgoal，通过P的调整值与积分时间的调整值之间的拟合关系式，可以迅速将积分时间调整至稳定，波形调整至理想波形。

Description

一种减少激光三角位移传感器检测色差的自适应算法

技术领域

本发明涉及CCD积分时间调节方法领域，具体地说，特别涉及到一种减少激光三角位移传感器检测色差的自适应算法。

背景技术

近年来，基于线阵CCD的三角测距传感器的发展突飞猛进，对于传感器的精度的要求也越来越高。CCD测距原理，是利用接收光线在CCD上成像，根据CCD各像素幅值进而计算光斑质心。

当目标物反射率不同时，像素幅值也会不同。检测高反射率物体时，像素幅值过高，则不能真实反映出目标物的距离信息；检测低反射率物体时，像素幅值过小，信噪比低，误差较大。并且，同一距离下不同反射率的目标物测得的距离差别较大，即色差较大。在实际应用中，目标物种类繁多，因此需要测距产品自身能够根据目标物的变化调节相关参数，减小色差，提高产品精度。

调整像素信号幅值可以通过调整CCD积分时间来实现，其原理为：

设定一个目标幅值，当信号幅值大于目标幅值，则积分时间减小；当幅值小于目标幅值，则积分时间增大，直至信号幅值与目标幅值相当，或落在目标幅值附近的规定区域内。各方法的区别在于调整过程不同。主要几种方法为：

1)粗调+细调：当幅值与目标幅值相差较大时，积分时间调整跨度大(例如以ms级别调整)，相差较小时，积分时间调整幅度较小(例如以us级别调整)。

2)按档位调整：定义几个档位，每个档位对应一个积分时间。幅值小于目标幅值时，档位增加；幅值大于目标幅值时，档位减小。

上述方法的缺陷在于：

1)粗调+细调方法调整速度很慢，需要十几帧甚至几十帧才能调整到位。

2)按档位调整对于档位的定义要求严格，档位之间相差太远，则会导致某位置积分时间突变，距离断层；档位之间相差太近，则调整速度慢，可能存在某个位置，积分时间在两档之间来回调整的情况。

另外，上述两种方法都属于基于幅值调节积分时间的方法，像素幅值受噪声、环境光等影响较大，调节并不稳定。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种减少激光三角位移传感器检测色差的自适应算法，具有以下的创新点。

1.基于波形有效区域半波宽与整波宽比值P作为积分时间调节的标准。

由于板卡颜色和材质不同，反射的光斑成像后幅值、形状也不同。将半波宽与整波宽的比值P作为积分时间调节标准，可将成像波形的形状调整至一致，进而减小对板卡颜色材质的敏感性。

2.比值P设置为波形刚刚达到饱和的位置，调整后的波形形状优美稳定。

波形刚刚达到饱和时，形状优美稳定，信噪比高。将P设置为波形刚刚达到饱和的位置，计算出的距离信息更稳定。

3.根据光斑在CCD不同位置成像宽度不同，对P值进行匹配。

目标物距离不同时，光斑在CCD上成像位置不同，成像的大小也不同。距离越近，成像光斑越大，有效区域越宽；反之距离越远，有效区域越窄。对比值P进行调整，从而更好地适应成像规律。

4.根据拟合公式进行积分时间调节，调节速度快。

半波宽度(即饱和点数)与目标点数的差值，与积分时间调整值可以建立起函数关系，根据函数关系直接进行积分时间计算，积分时间可快速调节至稳定。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种减少激光三角位移传感器检测色差的自适应算法，包括如下步骤：

1)定义光斑成像的理想波形，根据理想波形的半波宽度和整波宽度，计算半波宽与整波宽的比值P；

2)根据光斑成像的当前波形确定目标比值P_goal，通过P的调整值与积分时间的调整值之间的拟合关系式，将积分时间调整至稳定，将光斑成像的当前波形调整至光斑成像的理想波形。

进一步的，所述步骤1)的具体过程如下：

光斑成像的理想波形为：大于幅值一半的点的个数与波形宽度达到一定比例P，P＝e^(宽度^2/a)，其中a不是固定值，它与质心位置有关，如下式所示：

其中，x为质心位置，或最大值位置；

其中，wide为波形宽度，即起点终点之间的点数。

当NUM_saturated<(NUM_goal–2)，ST+；

当NUM_saturated>(NUM_goal+2)，ST-；

当达到目标波形。

进一步的，所述步骤2)的具体过程如下：

以饱和点数NUM_saturated与目标点数NUM_goal的差值ΔNUM为横坐标，积分时间调整倍数ΔST为纵坐标，建立指数关系式：

ΔST＝0.861×e^{-0.051×ΔNUM}

当ΔNUM越接近0，波形越接近目标，这时需要进行微调；

当下式情况时，进行微调，这里微调比例为1％；

当下式范围内不再调整；

其中，x为质心位置；调整后的积分时间：

ST′＝ST*ΔST

通过上述方法进行积分时间调节，不超过6帧即可调至稳定。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)以像素波形的形状为调节标准，调节后波形稳定，信噪比高。

2)根据成像位置自动调整目标波形比例，并利用波形比例与积分时间的拟合关系进行调节，调节速度快。

3)能够将不同材质和颜色的目标物成像波形调整至一致，有效降低了因目标物不同导致的距离差异大的问题。

附图说明

图1a为本发明所述的信号过饱和示意图。

图1b为本发明所述的信号过弱示意图。

图1c为本发明所述的理想波形示意图。

图2为本发明所述的指数关系式示意图。

图3为本发明所述的信号过饱和调整为理想波形示意图。

图4为本发明所述的信号过弱调整为理想波形示意图。

图5为本发明所述的不同目标物调整为理想波形示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

基于线阵CCD器件的激光测距产品，接收光在CCD上成像，像素幅值形成接近高斯分布的波形。参见图1a，当目标物反射率高，接收信号强，波形过饱和；参见图1b，当目标反射率低，接收信号过低。适当调整积分时间，可以将波形调整至如图1c所示的理想形状。

理想波形为最大幅值临近饱和状态的波形。本发明根据半波宽度和整波宽度，计算半波宽与整波宽的比值P，再根据光斑成像大致位置确定目标比值Pgoal，通过P的调整值与积分时间的调整值之间的拟合关系式，可以迅速将积分时间调整至稳定，波形调整至理想波形。

实施例

1.积分时间调整思路

光斑成像的理想波形为：大于幅值一半的点的个数与波形宽度达到一定比例，将其定义为P，P＝e^(宽度^2/a)，其中a不是固定值，它与质心位置有关，如下所示：

其中，x为质心位置，或最大值位置。

其中，wide为波形宽度，即起点终点之间的点数。

当NUM_saturated<(NUM_goal–2)，ST+；

当NUM_saturated>(NUM_goal+2)，ST-；

当认为达到目标波形。

2.积分时间调整过程

参见图2，以饱和点数NUM_saturated与目标点数NUM_goal的差值ΔNUM为横坐标，积分时间调整倍数ΔST为纵坐标，建立指数关系式(数据综合黑白卡不同距离的情况，进行绘图拟合)以50mm产品为例：

ΔST＝0.861×e^{-0.051×ΔNUM}

当ΔNUM越接近0，波形越接近目标，这时需要进行微调；

当下式情况时，进行微调，这里微调比例为1％；

当下式范围内不再调整；

其中，x为质心位置；调整后的积分时间：

ST′＝ST*ΔST

通过上述方法进行积分时间调节，不超过6帧即可调至稳定。

采用上述方法调整信号过饱和信号过弱的结果如图3和图4所示。

另外，针对不同目标物进行波形记录如图5所示，可以看出，波形基本一致。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种减少激光三角位移传感器检测色差的自适应算法，其特征在于，包括如下步骤：

1)定义光斑成像的理想波形，根据理想波形的半波宽度和整波宽度，计算半波宽与整波宽的比值P；

2)根据光斑成像的当前波形确定目标比值P_goal，通过P的调整值与积分时间的调整值之间的拟合关系式，将积分时间调整至稳定，将光斑成像的当前波形调整至光斑成像的理想波形。

2.根据权利要求1所述的减少激光三角位移传感器检测色差的自适应算法，其特征在于，所述步骤1)的具体过程如下：

光斑成像的理想波形为：大于幅值一半的点的个数与波形宽度达到一定比例P，P＝e^(宽度^2/a)，其中a不是固定值，它与质心位置有关，如下式所示：

其中，x为质心位置，或最大值位置；

其中，wide为波形宽度，即起点终点之间的点数。

当NUM_saturated<(NUM_goal–2)，ST+；

当NUM_saturated>(NUM_goal+2)，ST-；

当达到目标波形。

3.根据权利要求1所述的减少激光三角位移传感器检测色差的自适应算法，其特征在于，所述步骤2)的具体过程如下：

以饱和点数NUM_saturated与目标点数NUM_goal的差值ΔNUM为横坐标，积分时间调整倍数ΔST为纵坐标，建立指数关系式：

ΔST＝0.861×e^{-0.051×ΔNUM}

当ΔNUM越接近0，波形越接近目标，这时需要进行微调；

当下式情况时，进行微调，这里微调比例为1％；

当下式范围内不再调整；

其中，x为质心位置；调整后的积分时间：

ST′＝ST*ΔST

通过上述方法进行积分时间调节，不超过6帧即可调至稳定。