CN114489078A - 基于相位检测的移动机器人避障方法、芯片和机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于相位检测的移动机器人避障方法、芯片和机器人，该方法包括以下步骤：S1：对相位检测模块进行设置，使相位检测模块的对焦距离为设定距离；S2：通过相位检测模块获取环境信息，得到若干组相位曲线；S3：基于相位曲线的相位差来获取障碍物距离信息；S4：基于障碍物距离信息来实现避障；其中，每组相位曲线均包括两条不同的亮度曲线。本申请将图像相位检测应用于机器人距离检测，单个摄像头可以获取到相对比较稠密的3d距离信息，实现准确的障碍物检测。
Description
技术领域
本发明涉及智能机器人技术领域，涉及一种基于相位检测的移动机器人避障方法、芯片及机器人。
背景技术
移动机器人需要靠传感器来感知周围的世界，其中对于三维距离的感知，是其中最重要的部分。目前常见的技术有结构光、双目、3d-tof等，但是这些技术各自有些缺点，主要集中在价格偏高、三维信息不够稠密等问题。
发明内容
为了解决上述技术缺陷，本发明技术方案公开一种基于相位检测的移动机器人避障方法、芯片和机器人，本申请将图像相位检测应用于机器人距离检测，单个摄像头可以获取到相对比较稠密的3d距离信息，实现准确的障碍物检测。具体的技术方案如下：
一种基于相位检测的移动机器人避障方法，该方法包括以下步骤：S1：对相位检测模块进行设置，使相位检测模块的对焦距离为设定距离；S2：通过相位检测模块获取环境信息，得到若干组相位曲线；S3：基于相位曲线的相位差来获取障碍物距离信息；S4：基于障碍物距离信息来实现避障；其中，每组相位曲线均包括两条不同的亮度曲线。
进一步地，在执行步骤S1前，机器人通过光照度传感器检测环境的光照度，若环境的光照度小于或等于光照度阈值时，机器人通过补光灯为相位检测模块进行补光。
进一步地，步骤S1中，对相位检测模块进行设置，设置相位检测模块的对焦距离，包括以下步骤：使相位检测模块与障碍物之间的距离为设定距离；通过相位检测模块开启自动对焦功能来获取环境图像，然后固定相位检测模块的镜片组，当前相位检测模块的对焦距离为设定距离。
进一步地，步骤S2中，通过相位检测模块获取环境信息，得到若干组相位曲线，包括以下步骤：机器人通过相位检测模块检测环境的信息，得到若干组像素点组合。
进一步地，步骤S3中，基于其中一组相位曲线的相位差来获取障碍物距离信息，包括以下步骤：机器人随机选取一组相位曲线，比较两条不同亮度的亮度曲线之间的相位差；若两条不同亮度的亮度曲线重叠，则机器人与障碍物之间的距离为对焦距离；若两条不同亮度的亮度曲线不重叠，则根据相位检测模块的输出波形的波峰位置来确定焦点位于障碍物的前端还是后端，然后根据两条不同亮度的亮度曲线之间的相位差来得到焦点与障碍物之间的距离，然后根据焦点位于障碍物的前端或后端来将设定距离加上或减去焦点与障碍物之间的距离，得到障碍物与机器人之间的距离；其中，所述两条不同亮度的亮度曲线的偏移方向相反但偏移距离相同，所述相位差为两条不同亮度的亮度曲线相对于重叠位置的偏移距离和。
进一步地，机器人通过计算若干组相位曲线的相位差来得到若干个障碍物与机器人之间的距离，然后将若干个障碍物与机器人之间的距离的平均值作为机器人检测到的障碍物与机器人之间的距离。
进一步地，步骤S4中，基于障碍物距离信息来实现避障，包括以下步骤：机器人移动过程中通过相位检测模块检测环境的信息来更新机器人与障碍物之间的距离信息，若机器人与障碍物之间的距离信息在小于等于避障阈值时，机器人对障碍物进行沿边绕障来实现避障。
一种芯片，该芯片用于存储程序，该程序被配置为执行上述的一种基于相位检测的移动机器人避障方法。
一种机器人，装配有主控芯片，所述主控芯片为上述的芯片。
进一步地，所述机器人还包括相位检测模块、光照度传感器和补光灯，所述相位检测模块包括CMOS传感器，所述补光灯设置在相位传感器的上方。
与现有的技术相比，本申请将图像相位检测应用于机器人距离检测，通过将相位检测模块的对焦距离固定设置，然后通过相位检测模块获取到的左右图像之间的相位差来获取机器人与障碍物之间的距离，单个摄像头可以获取到相对比较稠密的3d距离信息，实现准确的障碍物检测。
附图说明
图1是本发明一种实施例的一种基于相位检测的移动机器人避障方法的流程图；
图2是本发明一种实施例的相位检测模块的镜片组结构示意图；
图3是本发明一种实施例的亮度曲线与焦点的关系的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
如图1和图2所示，一种基于相位检测的移动机器人避障方法，相位检测目前广泛应用于相机对焦上，采用相位对焦，相位对焦，英文为:"Phase Detection Auto Focus"，简称:PDAF。字面意思就是"相位检测自动对焦"，可以快速感知对焦物体在焦平面的前面还是后面，可以实现快速对焦。本发明是将这个技术应用于机器人避障中，实现单摄像头相对准确的障碍物检测，相比相机的应用，本发明的技术方案最大的不同在于，相机采用这个原理图是通过控制对焦镜片来实现特定物体的对焦，此时，物体是不动的，动的是镜片。而本发明是借用这个原理，镜片不动，检测移动物体的距离。该方法包括以下步骤：
步骤S1：机器人对相位检测模块进行设置，使相位检测模块的对焦距离为设定距离。步骤S1中，机器人对相位检测模块进行设置，设置相位检测模块的对焦距离，包括以下步骤：机器人使相位检测模块与障碍物之间的距离为设定距离；通过相位检测模块开启自动对焦功能来获取环境图像，然后固定相位检测模块的镜片组，当前相位检测模块的对焦距离为设定距离。相位检测模块在获取环境图像时，会根据获取到的两条不同的亮度曲线之间的偏移量和偏移方向（或获取到的图像的清晰度）来调整镜片组的位置，相位检测模块向前或向后调整镜片组的位置，使两条不同的亮度曲线重叠（或获取到的图像最清晰），然后固定镜片组的位置，使镜片组不在移动。使相位检测模块的对焦距离为设定距离，通过两条不同亮度的亮度曲线之间的偏移量和偏移方向来调整镜片组的位置，使相位检测模块的对焦距离为设定距离，为相位检测模块根据数据的自动对焦功能，可以通过软件来实现换算，换算比例也根据相位检测模块不同而不同，具体的实现方法，软件计算出两者的相位差，通过查询table表（table表为相位传感器在自动对焦时，对焦距离与镜片组移动距离和方向的关系表），计算出马达所要到达的理想位置，直接驱动马达，实现快速对焦。其中，若对焦距离和相位检测模块与障碍物之间的距离均为设定距离，相位检测模块获取的两条不同的亮度曲线重叠（或获取到的图像最清晰）。机器人使相位检测模块与障碍物之间的距离为设定距离，将能够清晰对焦的距离设置比较近，一般设置为15cm，在设置对焦距离时，可以通过上述方法检测设定距离处的障碍物使相位检测模块自动对焦或者直接通过设置相位检测模块的参数来设置对焦距离，然后固定对焦距离，使对焦距离不在变化，通过相位检测模块进行数据检测。
步骤S2：机器人通过相位检测模块获取环境信息，得到若干组相位曲线。步骤S2中，通过相位检测模块获取环境信息，得到若干组相位曲线，包括以下步骤：机器人通过相位检测模块检测环境的信息，得到若干组像素点组合，每组像素点组合具有两种不同亮度的像素点；相位检测模块会将每组像素点组合中相对应的像素点分别组合成形状相同的亮度曲线，得到两条不同亮度但形状相同的亮度曲线。相位检测模块的感光元件上面一半的位置加了金属遮盖，这样，感光元件被遮住左边一半，感光元件上的像素点就只能接受左边来的光，同理，另一感光元件的被遮住右边一半，感光元件上的像素点就只能接受右边来的光。一般在相位检测模块中，遮住左边和遮住右边后，获取的图像中，像素点是在相邻位置会成对出现，类似于人眼，得到左环境图像和右环境图像。如果被检测物体在焦点上，则左环境图像和右环境图像上的不同亮度的像素点会重合，如果被测物体不在焦点上，则左环境图像和右环境图像上的不同亮度的像素点均会出现一定程度的偏移，且偏移方向相反，偏移距离相同，这个偏移方向可以是左右方向上的偏移，或者上下方向上的偏移，或者是对角线上的偏移，这个偏移的方向并不限定。
步骤S3：基于相位曲线的相位差来获取障碍物距离信息。步骤S3中，基于相位曲线的相位差来获取障碍物距离信息，包括以下步骤：机器人随机选取一组相位曲线，比较两条不同亮度的亮度曲线之间的相位差；若两条不同亮度的亮度曲线重叠，则机器人与障碍物之间的距离为对焦距离；若两条不同亮度的亮度曲线不重叠，则根据相位检测模块的输出波形的波峰位置来确定焦点位于障碍物的前端还是后端，然后根据两条不同亮度的亮度曲线之间的相位差来得到焦点与障碍物之间的距离，然后根据焦点位于障碍物的前端或后端来将设定距离加上或减去焦点与障碍物之间的距离，得到障碍物与机器人之间的距离；其中，所述两条不同亮度的亮度曲线的偏移方向相反但偏移距离相同，所述相位差为两条不同亮度的亮度曲线相对于重叠位置的偏移距离的和。焦点在障碍物之前时，设定距离加上焦点与障碍物之间的距离，得到障碍物与机器人之间的距离；焦点在障碍物之后时，设定距离减去焦点与障碍物之间的距离，得到障碍物与机器人之间的距离。不管是焦点的位置确定还是焦点与障碍物之间的距离确定，都可以通过相位检测模块或机器人控制器根据相位检测模块的参数来自动计算得到。
如图3所示，根据相位检测模块的输出波形的波峰位置来确定焦点位于障碍物的前端还是后端为，在功能为相位检测模块本身具备的功能，在相位检测模块进行检测后就可以确定，不需要额外计算。还可以根据根据两条不同亮度的亮度曲线的偏移方向来确定焦点位于障碍物的前端还是后端，包括以下步骤：基于对焦距离来确定两条不同亮度的亮度曲线的重叠位置，对焦距离和重叠位置是相对应的，当相位检测模块的对焦距离确定时，则可以知道所拍摄的物体在图像中的重叠位置。若第一亮度曲线向所述重叠位置的左边偏移且第二亮度曲线向重叠位置的右边偏移，则焦点位于障碍物的前端；若第一亮度曲线向重叠位置的右边偏移且第二亮度曲线向重叠位置的左边偏移，则焦点位于障碍物的后端；其中，所述两条不同亮度的亮度曲线包括第一亮度曲线和第二亮度曲线，所述第一亮度曲线为左环境图像的亮度曲线，所述第二亮度曲线为右环境图像的亮度曲线。在计算两条不同亮度的亮度曲线之间的距离时，可以通过计算两条不同亮度的亮度曲线的相对应的像素点之间的距离来得到两条不同亮度的亮度曲线之间的距离，即计算两条不同亮度的亮度曲线最左边像素点之间的距离，或者计算两条不同亮度的亮度曲线最顶端的像素点之间的距离等等。
步骤S4：基于障碍物距离信息来实现避障。步骤S4中，基于障碍物距离信息来实现避障，包括以下步骤：机器人移动过程中通过相位检测模块检测环境的信息来更新机器人与障碍物之间的距离信息，若机器人与障碍物之间的距离信息在小于等于避障阈值时，机器人对障碍物进行沿边绕障来实现避障。
一种芯片，该芯片用于存储程序，该程序被配置为执行上述的一种基于相位检测的移动机器人避障方法。
一种机器人，装配有主控芯片，所述主控芯片为上述的芯片。所述机器人还包括相位检测模块、光照度传感器和补光灯，所述相位检测模块包括CMOS传感器，所述补光灯设置在相位传感器的上方。图2为相位检测模块的镜片组结构示意图，101为镜片组，102为焦点，103为被检测物体，104为物体到镜头的光线示意，105为感光元件上的遮盖，106为感光元件，由于遮盖会进行一半的遮挡，相反遮挡（上对应下，左对应右），感光元件会接收到不同的光，得到两种相反遮挡的不同亮度的像素点，进而会得到两种不同的亮度曲线。
与现有的技术相比，本申请将图像相位检测应用于机器人距离检测，通过将相位检测模块的对焦距离固定设置，然后通过相位检测模块获取到的左右图像之间的相位差来获取机器人与障碍物之间的距离，单个摄像头可以获取到相对比较稠密的3d距离信息，实现准确的障碍物检测。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而己，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于相位检测的移动机器人避障方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：对相位检测模块进行设置，使相位检测模块的对焦距离为设定距离；
S2：通过相位检测模块获取环境信息，得到若干组相位曲线；
S3：基于相位曲线的相位差来获取障碍物距离信息；
S4：基于障碍物距离信息来实现避障；
其中，每组相位曲线均包括两条不同的亮度曲线。
2.根据权利要求1所述的基于相位检测的移动机器人避障方法，其特征在于，在执行步骤S1前，机器人通过光照度传感器检测环境的光照度，若环境的光照度小于或等于光照度阈值时，机器人通过补光灯为相位检测模块进行补光。
3.根据权利要求1所述的基于相位检测的移动机器人避障方法，其特征在于，步骤S1中，对相位检测模块进行设置，设置相位检测模块的对焦距离，包括以下步骤：
使相位检测模块与障碍物之间的距离为设定距离；
通过相位检测模块开启自动对焦功能来获取环境图像，然后固定相位检测模块的镜片组，当前相位检测模块的对焦距离为设定距离。
4.根据权利要求1所述的基于相位检测的移动机器人避障方法，其特征在于，步骤S2中，通过相位检测模块获取环境信息，得到若干组相位曲线，包括以下步骤：
机器人通过相位检测模块检测环境的信息，得到若干组像素点组合。
5.根据权利要求4所述的基于相位检测的移动机器人避障方法，其特征在于，步骤S3中，基于相位曲线的相位差来获取障碍物距离信息，包括以下步骤：
机器人随机选取一组相位曲线，比较两条不同亮度的亮度曲线之间的相位差；
若两条不同亮度的亮度曲线重叠，则机器人与障碍物之间的距离为对焦距离；
若两条不同亮度的亮度曲线不重叠，则根据相位检测模块的输出波形的波峰位置来确定焦点位于障碍物的前端还是后端，然后根据两条不同亮度的亮度曲线之间的相位差来得到焦点与障碍物之间的距离，然后根据焦点位于障碍物的前端或后端来将设定距离加上或减去焦点与障碍物之间的距离，得到障碍物与机器人之间的距离；
其中，所述两条不同亮度的亮度曲线的偏移方向相反但偏移距离相同，所述相位差为两条不同亮度的亮度曲线相对于重叠位置的偏移距离的和。
6.根据权利要求5所述的基于相位检测的移动机器人避障方法，其特征在于，机器人通过计算若干组相位曲线的相位差来得到若干个障碍物与机器人之间的距离，然后将若干个障碍物与机器人之间的距离的平均值作为机器人检测到的障碍物与机器人之间的距离。
7.根据权利要求5所述的基于相位检测的移动机器人避障方法，其特征在于，步骤S4中，基于障碍物距离信息来实现避障，包括以下步骤：
机器人移动过程中通过相位检测模块检测环境的信息来更新机器人与障碍物之间的距离信息，若机器人与障碍物之间的距离信息在小于等于避障阈值时，机器人对障碍物进行沿边绕障来实现避障。
8.一种芯片，该芯片用于存储程序，其特征在于，该程序被配置为执行权利要求1至7任一项所述的一种基于相位检测的移动机器人避障方法。
9.一种机器人，装配有主控芯片，其特征在于，所述主控芯片为权利要求8所述的芯片。
10.根据权利要求9所述的机器人，其特征在于，所述机器人还包括相位检测模块、光照度传感器和补光灯，所述相位检测模块包括CMOS传感器，所述补光灯设置在相位传感器的上方。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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