CN113406655B - 测距装置的测量值修正方法和测距装置 - Google Patents

测距装置的测量值修正方法和测距装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供测量值修正方法和测距装置，能减少作业者为修正测距装置的测量值进行的准备工作，并能自动生成修正式。在准备步骤中，预先在远离测距装置(1)的方向上在测量空间的地板表面(4)粘贴有由回归反射部件制成的反射带(5)的状态下，在沿反射带(5)扫描测量位置(Y)的同时，由测距装置(1)测量与反射带的内侧区域(51a)的距离(La)和与相邻于该区域的反射带的外侧区域(51b)的距离(Lb)。基于在各测量位置(Y)获得的距离(La)与距离(Lb)的关系，生成用于将距离(Lb)变换为距离(La)的修正式。在实测步骤中，用所述修正式修正由测距装置(1)测量出的其与对象物(3)的距离(实测值x)，计算测量距离的修正值(y)。

Description

测距装置的测量值修正方法和测距装置
本申请要求2020年2月28日提交的日本专利申请JP2020-033450的优先权，其内容通过引用结合于本申请中。
技术领域
本发明涉及一种用于基于光传播时间来测量与对象物的距离的测距装置的测量值的修正方法。
背景技术
已知一种利用基于光的传播时间来测量与对象物的距离的方法(在下文中称为TOF法：飞行时间法)的测距装置(在下文中也称为TOF装置)。通过将用TOF装置获取的距离数据显示为二维距离图像，并跟踪其随时间的变化，能够获得例如人物等的移动路线。
TOF装置的原理是，通过测量从光源射出的照射光被对象物反射后返回到受光部为止的时间(光路长度)，来计算与对象物的距离。此时，通过将具有使入射到对象物的光朝入射方向反射的特性的部件(所谓的回归反射部件)安装于对象物，能够可靠地检测对象物。
例如，在日本专利申请特开2019-127375号公报(以下称为专利文献1)中记载了如下内容：为了检测在桥式起重机的行进路径上的作业者，将由回归反射部件制成的标记安装在作业者的头盔上，来进行作业者的识别。
发明内容
基于TOF法的测距装置在使用于在周围的墙壁或地板等上使用了高反射率的材料的环境中时，由于墙壁和地板的不必要反射，光程看起来变得更长。这被称为多路径现象，结果，与对象物的距离被测量为大于实际距离，发生测量误差(距离误差)。
已知使用专利文献1中所记载的回归反射部件的方法来修正由多路径现象引起的距离误差。即，通过将由回归反射部件制成的反射带粘贴于对象物来测量与该对象物的距离，能够获取到该对象物的准确距离而不受多路径现象的影响。然后，在改变对象物的位置的同时，预先测量当安装反射带时和移除反射带时与对象物的距离，根据两者之间的关系生成修正式以修正距离误差。
但是，作为生成修正式的准备工作，作业者必须要进行如下工作：将反射带粘贴到对象物(例如地板表面)的预定位置(例如距离为2m，3m……等)，通过TOF装置测量到反射带的距离和移除反射带时的距离，根据两者的测量值生成修正式，这都需要大量的工作和工作时间。
本发明的目的是提供一种测量值修正方法和测距装置，能够减少作业者为修正测距装置的测量值而进行的准备工作，并且能够自动生成修正式。
本发明的第一方面是一种根据光的传播时间来测量与对象物的距离的测距装置中的测量距离的修正方法，
作为用于进行修正的准备步骤，包括：
预先在远离所述测距装置的方向上在测量空间的地板表面粘贴有由回归反射部件制成的反射带的状态下，
在沿所述反射带扫描测量位置的同时，由所述测距装置测量与所述反射带的内侧区域的距离La和与相邻于该内侧区域的所述反射带的外侧区域的距离Lb的步骤；和
基于在各测量位置获取的所述距离La与所述距离Lb的关系，生成用于将所述距离Lb变换为所述距离La的修正式的步骤，
作为测量与所述对象物的距离的实测步骤，包括：
由所述测距装置测量其与所述对象物的距离而获得实测值x的步骤；和
用所述修正式修正所述实测值x，计算测量距离的修正值y的步骤。
本发明的第二方面是一种根据光的传播时间来测量与对象物的距离的测距装置，其包括：
对所述对象物出射照射光的发光部；
检测来自所述对象物的反射光的受光部；
控制所述发光部的发光控制部；
根据由所述受光部检测出的反射光的传播时间来计算与所述对象物的距离的距离计算部；
用修正式对由所述距离计算部计算出的距离进行修正的距离修正部，
存储所述修正式的修正式存储部；和
生成所述修正式的修正式生成部，
所述修正式生成部，
预先在远离所述测距装置的方向上的地板表面粘贴有由回归反射部件制成的反射带的测量空间中，
在沿所述反射带扫描测量位置的同时，由所述距离计算部测量与所述反射带的内侧区域的距离La和与相邻于该内侧区域的所述反射带的外侧区域的距离Lb，
基于在各测量位置处获取的所述距离La和所述距离Lb的关系，生成用于将所述距离Lb变换为所述距离La的修正式。
根据本发明，作业者通过简单地将反射带粘贴到地板表面上就可以自动生成修正式，这大大减少了作业者的工作量和工作时间。
附图说明
通过以下结合附图的说明，本发明的这些和其他特征、目的和优点将变得更加明显，其中：
图1是示出本实施例的测距装置的结构的图。
图2说明通过TOF法进行距离测量的原理的图。
图3是用于解释多路径现象的图。
图4是说明在准备步骤中距离误差的测量方法的图。
图5是示出距离误差的测量结果的示例的图。
图6是说明修正式的生成例的图。
图7是示出了修正式的生成顺序的流程图。
具体实施方式
下面将说明本发明的实施方式。但是，本发明不应解释为限于以下所示的实施方式的记载内容。本领域技术人员容易理解，在不脱离本发明的思想或精神的范围内，能够改变具体的结构。
在以下说明的本发明的结构中，相同的附图标记在不同的附图中通用于相同的部分或具有相同功能的部分，可以省略重复的说明。
本实施例的测距装置(TOF装置)具有用修正式来修正距离测量值的功能，并且还具有自身生成用于修正的修正式的功能。以下，将预先生成修正式的步骤称为“准备步骤”，将使用修正式修正实测值的步骤称为“实测步骤”。在准备步骤中，将反射带用作测量对象物，以获取用于生成修正式的数据。
图1是表示本实施例的测距装置的结构的图。测距装置(TOF装置)1作为实测步骤的结构包括：从激光二极管(LD)或发光二极管(LED)等光源对对象物照射脉冲光的发光部11；用CCD传感器或CMOS传感器等接收从对象物反射的脉冲光的受光部12；用于进行发光部11的点亮/熄灭和发光量控制的发光控制部13；根据受光部12的检测信号(受光数据)计算与对象物的距离的距离计算部14；和用于修正从距离计算部14输出的距离数据的距离修正部15，用于修正的修正式被预先存储在修正式存储部16中。
此外，在本实施例中，作为用于生成要存储在修正式存储部16中的修正式的准备步骤，由距离计算部14获取以反射带作为对象物的距离数据。此时，包括：基于受光数据中的亮度数据来判断对象物的测量区域(在反射带内侧还是在反射带外侧)的区域判断部17；和使用来自距离计算部14的距离数据与来自区域判断部17的区域信息生成修正式的修正式生成部18。所生成的修正式存储在修正式存储部16中，并在实测步骤中使用。
稍后将描述准备步骤的细节，在远离TOF装置1的方向上在测量空间的地板表面上粘贴由回归反射部件制成的反射带。然后，在沿着反射带扫描测量位置的同时，在规定位置处测量到反射带的内侧区域的距离和到与其相邻的反射带的外侧区域的距离。修正式生成部18使用各位置处的测量值来生成用于修正两者之间的差(距离误差)的修正式。这些一系列动作由存储在TOF装置1中的用于生成修正式的专用程序自动执行。
在实测步骤中，由TOF装置1的距离修正部15修正的距离数据被发送到外部处理装置2。外部处理装置2例如由个人计算机构成，基于距离修正数据，执行用于改变对象物的每个部分的色相的着色处理，生成距离图像，并将其输出至显示器以进行显示。此外，通过基于距离数据跟踪对象物的位置的变化，能够获取人物等的移动路线。
图2是用于说明通过TOF法进行距离测量的原理的图。TOF装置1具有发光部11和受光部12，从发光部11朝向对象物3(例如人物)发射用于距离测量的照射光31。受光部12用二维传感器12a接收由对象物3反射的反射光32。二维传感器12a是诸如CCD传感器等的多个像素的二维排列而构成的传感器，能够从每个像素的受光数据获得二维距离数据。
对象物3位于与发光部11和受光部12相距距离L的位置处。在此，假设光的速度为c，从发光部11出射照射光31到受光部12接收反射光32的时间差为t，则到对象物3的距离L可用L＝c×t/2求取。而且，在由距离计算部14执行的实际距离测量中，代替时间差t，发出具有规定宽度的照射脉冲，在与二维传感器12a的曝光快门的定时错开的同时接收照射脉冲，根据不同定时的受光量(累积量)的值来计算距离L。
图3是用于说明多路径现象的图。从发光部11发射的照射光被对象物3反射而返回受光部12，通常具有由实线30表示的光路，这是最短的路径。将该光路上的光称为“直接光”。然而，在周围存在由具有高反射率的材料制成的墙壁或地板表面4的环境中，一部分照射光被墙壁或地板表面4等反射，而沿着由虚线40表示的光路返回受光部12。该现象称为“多路径现象”，将该光路上的光称为“间接光”。由于间接光不是在发光部11与对象物3之间或在对象物3与受光部12之间具有最短光路的直线，而是折线状，因此间接光的光路40与直接光的光路30相比光路长度较长。由于直接光和间接光混合地入射到受光部12上，因此在由TOF装置1测量出的距离中发生误差。
当发生多路径现象时，通常不仅存在一个间接光的光路，而是存在多个间接光路，间接光与直接光的强度比也各种各样。直射光和与其相比具有时间延迟的多个间接光入射于受光部12。在曝光快门方式的情况下，在规定的快门期间检测到的受光量与仅直接光时的本来的受光量发生偏离，从而在距离计算中表现为误差。
如果由于多路径现象而导致测量误差，则到对象物的距离将被计算为大于实际距离，从而导致各种问题。例如，假设设置多个TOF装置，以获取室内的对象物(人物)的移动路径的情况。在诸如电梯门厅这样的的将具有高反射率的大理石用于周围的墙壁和地板的环境中，由于多路径现象，从每个TOF装置到人物的距离测量值中容易发生误差。结果，当从距离测量值确定人物的坐标、并且通过继承坐标来跟踪移动路径时，一个人物的路径被分为两个路径，或者在TOF装置之间的接头处不能连接坐标，从而出现路径中断的问题。
为了应对这种多路径现象，在本实施例中，将TOF装置设置在测量环境中，预先将对象物(反射带)粘贴在规定位置上，以测量在实际环境中发生的距离误差。然后，根据所产生的距离误差，生成用于对其进行修正的修正式。该准备步骤的工作是自动化的，以减轻作业者的负担。在下文中，将详细描述准备步骤。
图4是用于说明在准备步骤中测量距离误差的方法的图。首先，作业者将TOF装置1设置在实际使用环境中，并将反射带作为测量对象物粘贴在测量空间的地板表面上。这里，假定室内为测量空间，但是在室外的情况下，可以将反射带粘贴在路面等上。
在图4中，(a)是测量环境的侧视图，(b)是测量环境的平面图，(c)是示出包括反射带的测量区域的平面图。在此，作为用于进行说明的坐标轴，设从TOF装置1观察的前方方向是Y轴，左右方向是X轴，上下方向是Z轴，TOF装置1的位置是坐标原点(X＝Y＝Z＝0)。
如图4中的(a)和(b)所示，TOF装置1安装在天花板上，并且以斜下方向为测量空间。此时，假定由测量空间的地板表面4和侧壁6的光反射产生间接光，因此受到多路径的影响。因此，就从TOF装置1到地板表面4上的位置P的距离而言，与没有多路径时的测量值La(实线)相比，受多路径影响时的测量值Lb(虚线)具有较大的值。换句话说，由于多路径现象，地板表面4的位置P似乎沉到地板表面4'的位置P'。两个测量值La、Lb之差(Lb-La)为距离误差，但是由于间接光的产生程度根据测量空间内的位置而变化，因此距离误差会随着测量位置而变化。
为了在改变测量位置的同时有效地测量距离误差，在本实施例中，将反射带5用作测量对象物。反射带5由具有使入射的光朝入射方向反射的特性的回归反射部件制成，因此不易产生间接光并且不易受到多路径影响。
如图4的(b)所示，反射带5沿着Y轴方向粘贴到TOF装置1的测量方向上的地板表面4(XY面)。反射带5的形状例如是宽度5cm、长度10m左右。TOF装置1的测量范围50是在中央包括反射带5的矩形区域，设置成：距TOF装置1在Y轴上的距离在Y1至Yn(例如2m至8m)的范围内，以及能覆盖与反射带5相邻的地板表面4的区域的宽度Xw(例如1m)。
图4的(c)示出了放大的测量区域。在相对于测量范围50在Y轴方向上扫描测量窗51的同时，测量到在Y轴上的每个位置Yi(i＝1、2，……n)处的测量窗51内的区域的距离。关于测量窗51的尺寸，在X方向上等于测量范围50的宽度Xw，在Y方向上的宽度Yw例如设为2cm。测量窗51由在反射带5的内侧的区域51a和与区域51a相邻的、在反射带5的外侧的区域51b构成，可以从这两个区域获得距离数据。可以通过选择性地扫描受光部12的二维传感器12a内的相应像素区域来执行测量窗51的扫描动作。
距测量窗51内的距离数据被分成到反射带5的内侧的区域51a的距离数据和到反射带5的外侧的区域51b的距离数据。为了分离距离数据，区域判断部17使用来自受光部12的亮度数据来判断测量位置是在区域51a内还是在区域51b内。即，在测量窗51内比较每个像素的受光量(亮度)，并且分离具有高亮度的像素组和具有低亮度的像素组。然后，将高亮度像素组对应于反射带5的内侧的区域51a，对每个像素的距离数据取平均值以获得测量值La。另一方面，将低亮度像素组对应于反射带5的外侧(即地板表面4)的区域51b，对每个像素的距离数据取平均值以获得测量值Lb。
以此方式，在相同的测量位置Yi处，能够同时获取不受多路径影响的反射带5的内侧区域51a中的测量值La和受多路径影响的反射带5的外侧区域51b中的测量值Lb，因此能够大幅提高测量效率。
在测量范围50内，反射光的强度根据距TOF装置1的距离(测量窗51的位置Yi)而变化。当测量位置近时，受光部12的传感器12a饱和，而当测量位置远时，受光不足。因此，发光控制部13基于来自受光部12的亮度数据，来调节来自发光部11的照射光的强度，并将亮度水平控制在规定范围内。
图5是示出距离误差的测量结果的示例的图。横轴绘制测量位置(Y坐标)，纵轴绘制反射带内侧的测量值La(〇标记)和反射带外侧的测量值Lb(x标记)。反射带内侧的测量值La不受多路径影响，但是反射带外侧的测量值Lb受多路径影响，因此比测量值La大。
还可以看出，由于多路径引起的距离误差(Lb-La)不是一定的，而是随着测量位置(Y)而变化的。这意味着测量环境的影响(在地板或墙壁上反射的间接光的程度)随着测量位置而变化。
当这样获取有无多路径的测量值La和Lb时，修正式生成部18基于两者之间的关系生成修正式。修正式是用于将测量值Lb转换为测量值La的近似式，能够通过诸如最小二乘法的公知方法自动求取。
图6是示出生成修正式的示例的图。横轴是反射带外侧(有多路径)的测量值Lb，纵轴是反射带内侧(无多路径)的测量值La。图5中的两者的测量值用●标记绘制。虚线表示使用二次方程式(y＝ax2+bx+c)作为通过这些测量点的近似表达式来进行非线性近似的情况。在修正式中，变量x对应于测量值Lb，变量y对应于测量值La。近似式不限于此，还可以是组合了高阶多项式或函数的式子。
在准备步骤中生成的修正式或修正式的系数(a，b，c)被存储在图1中的TOF装置1内的修正式存储部16中。然后，在实测步骤中，距离修正部15使用修正式将由距离计算部14计算出的距离数据x修正为距离修正数据y。结果，即使在多路径环境中，也可以修正与对象物的距离误差并高精度地跟踪人物的移动路径等。
根据上述用于生成修正式的准备步骤，作为测量由多路径现象引起的距离误差的方法，可以在一次测量中获取无多路径状态和具有多路径状态的数据。即，作业者只需将反射带粘贴在地板表面上，就可以通过专用程序自动地执行用于生成修正式的一系列准备工作，这大大减轻了作业者的负担。
图7是示出在该实施例中用于生成修正式的顺序的流程图。作为生成修正式的准备，作业者将TOF装置1设置在实际使用环境中，设置成将反射带粘贴在测量方向的地板表面上的状态。以下，使用图4的附图标记进行说明。
S101：操作TOF装置1，并且对包括反射带5的测量范围50开始距离和亮度的测量。测量范围50例如是Y＝Y1(2m)～Yn(8m)，测量间隔ΔY例如是1m。针对受光部的二维传感器12a的每个像素获取距离数据，并且获取每个像素位置处的亮度数据。
S102：将测量窗51移动到测量范围50的起点位置(Y＝Y1)。这是通过选择二维传感器12a的读取位置来进行的。测量窗51的尺寸设为：在Y方向上的宽度Yw(＝±1cm)，在X方向上的宽度Xw(＝±0.5m)。
S103：读取当前测量位置处的亮度数据，并调节发光部11的照射光强度，使得亮度水平落入规定范围内。因此，例如，可以监视从反射带5的区域51a反射的光，并通过发光控制部13来调节。
S104：获取测量窗51内的距离数据和亮度数据。即，获取包括在Y方向上的宽度Yw的范围和X方向上的宽度Xw的范围内的每个像素。
S105：根据测量窗51内的亮度数据的分布，对于其中包括的每个像素，分离成：检测反射带的内侧并呈现高亮度的像素组，和检测反射带的外侧并呈现低亮度的像素组。
S106：在所获取的距离数据中，将高亮度像素组的距离数据平均为La(Y)，并将其存储在修正式生成部18的存储器中。
S107：在所获取的距离数据中，将低亮度像素组的距离数据平均为Lb(Y)，并将其存储在修正式生成部18的存储器中。
S108：使测量窗51的位置移动测量间隔ΔY(＝1m)(Y＝Y+ΔY)。
S109：判断测量窗51的位置Y是否超过测量范围50的终点位置Yn(＝8m)。如果超过(是)，则步骤进入S110。如果不超过(否)，则步骤返回到S103，并且反复以上处理。
S110：从存储器中读取在S106和S107中求取的La(Y)和Lb(Y)，并且判断在相同位置Y处的两者之间的差是否小于在所有位置Y处的阈值。该阈值例如是3％。如果小于阈值(是)，则步骤进入S111，而如果大于或等于阈值(否)，则步骤进入S112。
S111：判断测量误差处于能够忽略的水平，并且不存在多路径影响，不修正测量值。
S112：根据La(Y)与Lb(Y)之间的关系，生成用于将测量值Lb(Y)转换为测量值La(Y)的修正式。修正式是通过诸如最小二乘法的公知方法自动生成的。
S113：生成的修正式(例如，y＝ax2+bx+c)或其系数(a，b，c)被存储在修正式存储部16中。
这样就完成了生成修正式的准备步骤。此后，距离修正部15使用该修正式修正在实测步骤中获得的实测距离值，并输出修正后的值。
上面的说明描述了一个TOF装置，但是当设置多个TOF装置时，可以使用反射带为每个TOF装置生成修正式。
如上所述，在本实施例的准备步骤中，作为测量由多路径现象引起的距离误差的方法，作业者只需将反射带粘贴在地板表面上，即可通过一次测量而获取无多路径状态下的数据和有多路径状态下数据。由此，可自动生成修正式，并且大大减少作业者的工作量和工作时间。

Claims (6)

1.一种根据光的传播时间来测量与对象物的距离的测距装置中的测量距离的修正方法，其特征在于：
作为用于进行修正的准备步骤，包括：
预先在远离所述测距装置的方向上在测量空间的地板表面粘贴有由回归反射部件制成的反射带的状态下，
在沿所述反射带扫描测量位置的同时，由所述测距装置测量与所述反射带的内侧区域的距离La和与相邻于该内侧区域的所述反射带的外侧区域的距离Lb的步骤；和
基于在各测量位置获取的所述距离La与所述距离Lb的关系，生成用于将所述距离Lb变换为所述距离La的修正式的步骤，
作为测量与所述对象物的距离的实测步骤，包括：
由所述测距装置测量其与所述对象物的距离而获得实测值x的步骤；和
用所述修正式修正所述实测值x，计算测量距离的修正值y的步骤。
2.根据权利要求1所述的测量距离的修正方法，其特征在于，
所述测距装置出射照射光并用二维地排列的多个像素接收来自所述对象物的反射光，
所述准备步骤中的距离测量，是通过扫描包括所述反射带的内侧区域和与该内侧区域相邻的所述反射带的外侧区域的测量窗，同时用多个像素接收来自所述测量窗的反射光来进行的，
比较各像素接收到的光的亮度数据，判断为高亮度区域是所述反射带的内侧区域，低亮度区域是所述反射带的外侧区域，
分别对高亮度区域的各像素的距离数据和低亮度区域的各像素的数据求平均，以获得所述距离La和所述距离Lb。
3.根据权利要求2所述的测量距离的修正方法，其特征在于，
在所述准备步骤中的距离测量中，以使来自所述测量窗的反射光的亮度数据落入规定范围内的方式调节照射光的强度。
4.根据权利要求1所述的测量距离的修正方法，其特征在于，
作为所述准备步骤中的距离测量的结果，当在各测量位置处获得的所述距离La与所述距离Lb之差小于阈值时不生成所述修正式，
在所述实测步骤中，直接使用所述实测值x而不对其进行修正。
5.一种根据光的传播时间来测量与对象物的距离的测距装置，其特征在于，包括：
对所述对象物出射照射光的发光部；
检测来自所述对象物的反射光的受光部；
控制所述发光部的发光控制部；
根据由所述受光部检测出的反射光的传播时间来计算与所述对象物的距离的距离计算部；
用修正式对由所述距离计算部计算出的距离进行修正的距离修正部，
存储所述修正式的修正式存储部；和
生成所述修正式的修正式生成部，
所述修正式生成部，
预先在远离所述测距装置的方向上的地板表面粘贴有由回归反射部件制成的反射带的测量空间中，
在沿所述反射带扫描测量位置的同时，由所述距离计算部测量与所述反射带的内侧区域的距离La和与相邻于该内侧区域的所述反射带的外侧区域的距离Lb，
基于在各测量位置处获取的所述距离La和所述距离Lb的关系，生成用于将所述距离Lb变换为所述距离La的修正式。
6.根据权利要求5所述的测距装置，其特征在于，
所述受光部用二维地排列的多个像素接收来自所述对象物的反射光，
所述修正式生成部进行的距离测量，是通过扫描包括所述反射带的内侧区域和与该内侧区域相邻的所述反射带的外侧区域的测量窗，同时用所述受光部的多个像素接收来自所述测量窗的反射光来进行的，
所述测距装置具有区域判断部，该区域判断部比较各像素接收到的光的亮度数据，判断为高亮度区域是所述反射带的内侧区域，低亮度区域是所述反射带的外侧区域，
分别对高亮度区域的各像素的距离数据和低亮度区域的各像素的数据求平均，以获得所述距离La和所述距离Lb。
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