CN111496845A - 一种用于机器人的tof模组的安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机器人的TOF模组的安装方法，包括：调整TOF模组的光轴与地面的倾角，使得TOF模组光心离地高度H、模组垂直方向视场角VFoV、模组最短可测距离L₂和机器人最短需求探测距离R_min之间满足相应的约束关系。本发明有效解决了地面点云下沉和被测平面误差较大的问题。

Description

一种用于机器人的TOF模组的安装方法

技术领域

本发明特别涉及一种用于机器人的TOF模组的安装方法。

背景技术

TOF(Time of flight，“飞行时间”)传感器本质上其测距原理是：通过面光源向待测量目标连续发送光信号(脉冲或者连续调制波等)，然后用接收传感器(‘相机’)接收从物体返回的光，直接测得或者间接计算出光信号的飞行(往返)时间来得到目标物体距离，参见图1。

如图2所示，一种两相脉冲式TOF传感器的深度计算过程如下所示(本发明也适用于其他类型的TOF)。

如果每个光脉冲的时间宽度为Δt，对于接收传感器的每一个像素来说，假设光信号只有单一反射路径到达该接收像素，在两个时间窗口C1，C2内累计接收的光能量(电荷)为Q1，Q2，则光的传播时间T可以由下式计算得到：

假设光速是C，那么该像素对应的物体点的距离为：

d＝0.5*C*T。

目前TOF模组安装存在如下问题：

一、地面反射的影响

TOF模组用在一些应用里，比如服务机器人和扫地机器人，其安装高度一般比较低，有时候低至离地几厘米。这种情况下，很多像素的接收光线会经历典型的多径干扰现象，特别是来自地面的漫反射光线会和待测物体的反射光线迭加在一起，由于两者的传播时延往往显著不同，导致前述的计算公式产生计算误差。

图3所示为该问题的一个示意，为了说明该问题，图中光路、像素、成像平面和多镜反射点等图示均做了简化。在实际使用环境中，每个像素都会接收到来自多条光路能量不同的反射信号。

在理想条件下，像素A、B只会接收到常规光路的反射光线，根据描述的原理，成像平面中每个像素处观测到的物理世界点的深度可以被准确测量。实际工作中，因为多径的影响，像素A会接收到常规光路和多径光路的反射光线，根据前面描述的原理，计算的深度值会在A和B的深度之间。参见图4，实际使用中表现的问题为地面点的点云高度出现下沉(低于地面实际高度)，实际待测墙面也因为多径效应导致点云精度较低(厚度变大)。

二、FOV的不充分利用

TOF模组有最短可测距离(L₂)的概念，即待测目标点距离TOF光心的连线在水平面上的投影线段长度。小于L₂的区域称为测量盲区，TOF不能准确测量该区域内的目标点深度。

TOF模组有垂直视场角(VFOV)的概念，即图像传感器、镜头和光源有效垂直视场角的交集。实际使用中，TOF模组VFOV外的目标点不能准确测量其深度。

机器人应用中有最短需求探测距离(R_min)的概念，即待测目标点距离机器人边界的连线在水平面上的投影线段长度。小于R_min的的距离不要求准确测量深度，一般通过其他辅助传感器测量或采用其他算法进行处理。一般R_min≥L₂。

在实际应用中，当TOF模组安装高度较低时(例如扫地机器人等较矮的机器人中的典型安装高度<10cm)，存在VFOV内的部分区域对应的目标点深度小于L₂的情况，因此会造成VFOV浪费；当TOF模组安装高度较高时(例如服务机器人等形体较高的机器人中的典型安装高度10～100cm)，存在VFOV不能满足R_min需求的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于机器人的TOF模组的安装方法，有效解决了地面点云下沉和被测平面误差较大的问题。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于机器人的TOF模组的安装方法，其特点是，包括：

调整TOF模组的光轴与地面的倾角，使得TOF模组光心离地高度H、模组垂直方向视场角VFoV、模组最短可测距离L₂和机器人最短需求探测距离R_min之间满足相应的约束关系。

当arctan(H/L₂)小于预设门限T₁时，配置相应的光轴仰视角度X₁，使得VFoV内小于最短可测距离的部分不存在。

所述的预设门限T₁与VFoV相关。

当arctan(H/L₂)大于预设门限T₂时，配置相应的光轴俯视角度X₂，使得位于机器人需求探测区间内的物体可以被探测到。

当0＜H＜10cm时，仰视角度X₁满足如下关系：

或，

当0＜H＜10cm时，仰视角度X₁满足如下关系：

当10＜H＜100cm，俯视角度X₂满足如下关系：

所述的预设门限T₂与VFoV相关。

所述的T₁＝0.5*VFoV。

所述的T₂＝0.5*VFoV。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明有效解决了地面点云下沉和被测平面误差较大的问题。

附图说明

图1为TOF基本原理示意图

图2为两相脉冲式TOF传感器的深度计算图；

图3为多径反射示意图；

图4为多径反射的性能影响示意图；

图5为本发明一种实施例中TOF模组的安装方法流程图；

图6为本发明一种实施例中TOF模组的安装结构示意图；

图7为本发明一种实施例中TOF模组的安装结构示意图；

图8为本发明另一种实施例中TOF模组的安装方法流程图

图9为本发明另一种实施例中TOF模组的安装结构示意图；

图10为本发明应用后改进效果图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

以下结合图5～图10，以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

实施例1：

如图5所示，一种用于机器人的TOF模组的安装方法，包括如下步骤：

S10，调整TOF模组的光轴与地面的倾角，使得TOF模组光心离地高度H、模组垂直方向视场角VFoV、模组最短可测距离L₂和机器人最短需求探测距离R_min之间满足相应的约束关系；

S20，当arctan(H/L₂)小于预设门限T₁时，配置相应的光轴仰视角度X₁，使得VFoV内小于最短可测距离的部分不存在，所述的预设门限T₁与VFoV相关，例如T₁＝0.5*VFoV。

当0＜H＜10cm，R_min＝L₂时，仰视角度X₁满足如下关系：

或，

当0＜H＜10cm时，R_min>L₂时，仰视角度X₁满足如下关系：

如图6所示，考虑一种ToF模组安装在机器人上的应用场景，该ToF模组安装高度较低，即光心离地高度H小于10cm。所用ToF模组有最短可测距离(L₂)的概念。受限于原理和实现，每一款ToF模组的近距测量误差在待测物距离小于L₂时，大于某个阈值以至于不适合实际应用。另外，机器人一般有最短需求探测距离R_min的约束。一般而言，R_min≥L₂。图6中，TOF接收相机的光心离地高度为H，垂直方向的视场角为VFov，接收相机的光轴与地面形成一个仰角(图中用X表示)。给定一个上仰角X(若X小于0°，则意味着俯视)，视场角及光能量覆盖的有效区间的下边界与模组光心连线的长度记为L₁，在地面上的投影长度为d。在X＝0°的特殊情形下，

若d₀<L₂，意味着相应的光能量和传感器感知区域浪费在测量误差过大区域。在d₀<L₂这种情况下，也即

要说明的是，

是个用来示例的典型值，但是一般而言这个阈值可以是别的和VFoV相关的数值。

当R_min＝L₂时

本发明提出把ToF模组整体上倾至d非常接近于L₂，即Δ≈0或者Δ>0。

等价的，即X满足：

或

当R_min＞L₂时

为了进一步抑制的地面反射问题，俯仰角X可在满足R_min的前提下进一步增大，如图7所示。

这样一方面光能量和感知区域(几乎)没有浪费在测量误差过大区域，同时由于模组上的光源部分上倾导致打到地面上的光能量减少，地面(尤其是近地面)的漫反射也会减弱，可以有效的抑制地面反射的影响。这种情况下，机器人有最短需求探测距离R_min的约束，那么X的选取应该满足

在如下区间内：

X越大，即上仰越显著，一般而言可以更有效的抑制地面反射的影响，当然也要综合考虑垂直视场角下边界处附近的测量精度的要求，来选取X角度值。上式在d₀>L₂时依然有效。

实施例2：

如图8所示，一种用于机器人的TOF模组的安装方法，包括如下步骤：

S30，调整TOF模组的光轴与地面的倾角，使得TOF模组光心离地高度H、模组垂直方向视场角VFoV、模组最短可测距离L₂和机器人最短需求探测距离R_min之间满足相应的约束关系；

S40，当arctan(H/L₂)大于预设门限T₂时，配置相应的光轴俯视角度X₂(若X₂小于0°，则意味着仰视)，使得位于机器人需求探测区间内的物体可以被探测到，在具体实施例中，T₂＝0.5*VFoV；

当10＜H＜100cm，俯视角度X₂满足如下关系：

在具体实施例中，比如ToF模组安装在机器人较高的高度，以至于d₀>R_min，则可以考虑选择X₂>0的一个俯视角度，使得离地一定高度、距离在机器人需求探测区间内的物体可以被探测到，如图9所示。

这种情况下

且X₂的选取应该满足

图10为本发明应用后改进效果图，如图10所示，根据本发明进行优化之后，地面点云下沉和被测平面误差较大的问题均得到了有效解决。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于机器人的TOF模组的安装方法，其特征在于，包括：

调整TOF模组的光轴与地面的倾角，使得TOF模组光心离地高度H、模组垂直方向视场角VFoV、模组最短可测距离L₂和机器人最短需求探测距离R_min之间满足相应的约束关系。

2.如权利要求1所述的用于机器人的TOF模组的安装方法，其特征在于，当arctan(H/L₂)小于预设门限T₁时，配置相应的光轴仰视角度X₁，使得VFoV内小于最短可测距离的部分不存在。

3.如权利要求2所述的用于机器人的TOF模组的安装方法，其特征在于，所述的预设门限T₁与VFoV相关。

4.如权利要求1所述的用于机器人的TOF模组的安装方法，其特征在于，当arctan(H/L₂)大于预设门限T₂时，配置相应的光轴俯视角度X₂，使得位于机器人需求探测区间内的物体可以被探测到。

5.如权利要求2所述的用于机器人的TOF模组的安装方法，其特征在于，当0＜H＜10cm时，仰视角度X₁满足如下关系：

或，

6.如权利要求2所述的用于机器人的TOF模组的安装方法，其特征在于，当0＜H＜10cm时，仰视角度X₁满足如下关系：

7.如权利要求4所述的用于机器人的TOF模组的安装方法，其特征在于，当10＜H＜100cm，俯视角度X₂满足如下关系：

8.如权利要求4所述的用于机器人的TOF模组的安装方法，其特征在于，所述的预设门限T₂与VFoV相关。

9.如权利要求3所述的用于机器人的TOF模组的安装方法，其特征在于，所述的T₁＝0.5*VFoV。

10.如权利要求4所述的用于机器人的TOF模组的安装方法，其特征在于，所述的T₂＝0.5*VFoV。

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