CN114624717A - 一种基于机器视觉的可调焦微动云台式激光测距仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的可调焦微动云台式激光测距仪，它包括主体，所述主体上设置有激光发射模块、调焦模块、微动云台模块、液晶模块、分光模块、图像数据信息采集模块、光敏传感器模块以及控制系统；激光发射模块用于发射激光；调焦模块用于对反射光进行自动调焦和聚焦；微动云台模块用于对调焦模块进行角度微调；液晶模块用于屏蔽非目标点杂光；分光模块用于将光束传递给图像数据信息采集模块与光敏传感器模块；图像数据信息采集模块用于对光束进行感光处理；光敏传感器模块用于感知激光；控制系统用于控制各个模块以及分析计算处理数据信息。本发明应用场景广泛，操作便捷，响应快，精度高，无需多人参与，自动化程度高。

Description

一种基于机器视觉的可调焦微动云台式激光测距仪

技术领域

本发明涉及光学测控技术领域，特别是涉及一种基于机器视觉的可调焦微动云台式激光测距仪。

背景技术

目前，现有技术中的激光测距具有精度高，作用点小，响应快等诸多优点，但是对应用场景限制大，被测物体必须与激光测距仪相互平行才能测量。面对许多测点距离远、被测物体倾角较大时，反射光强度不够，且反射光会具有一定形状，此时测量到的是该形状下的某一点，这会降低测量数据精度，并且在噪声较大时，感光元件往往会被杂光干扰。现有的激光测距仪需要增加很多模块来克服上述缺陷，但势必会造成操作复杂，学习成本高，不利于技术推广，需要多人操作来调整激光测距仪的位置和角度，进行手动调焦与聚焦，较为费时费力，不利于精确高效的测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种基于机器视觉的可调焦微动云台式激光测距仪，它应用场景广泛，操作便捷，响应快，精度高，无需多人参与，自动化程度高。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种基于机器视觉的可调焦微动云台式激光测距仪，它包括主体，所述主体上设置有激光发射模块、调焦模块、微动云台模块、液晶模块、分光模块、图像数据信息采集模块、光敏传感器模块以及控制系统；

所述激光发射模块用于发射激光；

所述调焦模块用于对反射光进行自动调焦和聚焦；

所述微动云台模块用于对调焦模块进行角度微调；

所述液晶模块用于屏蔽非目标点杂光；

所述分光模块用于将光束传递给图像数据信息采集模块与光敏传感器模块；

所述图像数据信息采集模块用于对光束进行感光处理；

所述光敏传感器模块用于感知激光；

所述控制系统用于控制各个模块以及分析计算处理数据信息。

进一步，所述调焦模块包括外镜筒与内镜筒，所述外镜筒和内镜筒之间通过内外螺纹连接，所述外镜筒内设置有第一凸透镜和第二凸透镜，所述内镜筒内设置有第三凸透镜；

所述外镜筒外侧设置有第一步进电机，所述第一步进电机输出端上设置有第一齿轮，所述内镜筒端部套设有第二齿轮，所述第一齿轮与第二齿轮相啮合；

所述第一步进电机能够驱使第一齿轮转动并带动第二齿轮转动，进而带动内镜筒转动，从而使外镜筒相对内镜筒移动。

进一步，所述调焦模块还包括设置于外镜筒前端的滤光模块，所述滤光模块用于滤除杂光。

进一步，所述微动云台模块设置在调焦模块底部，所述微动云台模块包括安装在主体上的第三步进电机以及转动安装在主体上的转轴，所述第三步进电机输出端设置有第三齿轮，所述转轴上设置有第四齿轮，所述第四齿轮与第三齿轮相啮合；

所述第三步进电机能够驱使第三齿轮转动并带动第四齿轮转动，进而带动转轴转动以控制调焦模块水平旋转。

进一步，所述微动云台模块还包括固接于转轴上的连接杆，安装在连接杆底部的第二步进电机，转动安装在连接杆端部的螺纹伸缩杆，以及转动连接在螺纹伸缩杆顶端的滑块；

所述第二步进电机输出端设置有第二锥齿轮，所述螺纹伸缩杆底端设置有第一锥齿轮，所述第一锥齿轮与第二锥齿轮相啮合；

所述转轴顶端还设置有U形支撑架，所述调焦模块转动安装在U形支撑架上，所述调焦模块底端还设置有滑轨，所述滑块滑动卡接在滑轨上；

所述第二步进电机能够驱使第二锥齿轮转动并带动第一锥齿轮转动，进而带动螺纹伸缩杆下半部转动转化为上半部上下伸缩移动，从而控制调焦模块上下旋转。

进一步，所述控制系统包括终端控制器以及共同受控于终端控制器的图像数据接收及分析单元、电机控制单元、液晶选择单元、时间计算单元、数据信息显示单元；

当激光反射回来时，所述图像数据信息采集模块能够将光信号转换为电信号传输给图像数据接收及分析单元，所述图像数据接收及分析单元将对像素点进行分析，解析出激光强度与激光在被测物表面形状数据；所述电机控制单元能够控制微动云台模块工作，进而对调焦模块进行微调；微调结束后，所述电机控制单元能够控制调焦模块进行调焦和聚焦，使其焦距从最短延伸至最长，并记录激光强度随焦距长度变化的数据，选择数据中激光强度最大的焦距，然后控制调焦模块调回到该焦距位置；根据所述图像数据接收及分析单元解析出的激光在被测物表面形状数据，捕捉该形状的近似中心，随后控制液晶模块选择该中心区域透光，其余面积的液晶均成黑色遮光；上述工作完成后，所述时间计算单元将控制激光发射模块发射激光脉冲，并接收光敏传感器模块的电平变化，记录激光发射到光敏传感器模块感知到激光的时间，多次重复操作，取平均值。

进一步，所述分光模块位于调焦模块后方，所述分光模块采用分光片，能够将聚焦的光线分成两份，一份沿直线照射到所述图像数据信息采集模块，另一份折射到所述光敏传感器模块。

进一步，所述图像数据信息采集模块位于分光模块后方，所述图像数据信息采集模块采用能够感光的电荷耦合器感光器件，所述电荷耦合器感光器件能够根据被测量目标反射的光线成像并将成像结果传输到控制系统进行判断。

进一步，所述光敏传感器模块位于分光模块侧方，所述光敏传感器模块采用雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管能够感知被测量目标反射的光线并将感知结果通过高低电平的形式传输到控制系统进行判断。

采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

1.本发明通过调焦模块和微动云台模块来增大反射光强度，并通过滤光模块来过滤杂光，通过液晶模块来定位光线照射物体表面的边界或中点，利用机器视觉技术构建光线强度与色谱分布的三维场景图并传输到终端控制器上，终端控制器自主规划并执行调焦长度与云台微动路径，整个距离测量过程不需要遮光板和人工复杂操作，不管被测物表面形状弯曲或者阳光强烈等情况均可作业，整个测量过程无需多人参与，自动化程度高，大大降低了人力成本，实现了自动高效且精确的距离测量。

2.本发明通过对调焦模块和微动云台模块的设计，可以自动完成对激光测距仪进行云台微动，最大限度的调节角度，并通过调焦模块自动进行调焦与聚焦，最大限度的接受漫反射光，进而实现对非平行面或者倾斜角度物体的距离测量。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中调焦模块的外部结构示意图；

图3为本发明实施例中调焦模块的内部结构示意图；

图4为本发明实施例中微动云台模块的结构示意图；

图5为本发明实施例的整体系统原理框图；

图6为本发明实施例的控制系统原理框图；

其中，100.主体；200.调焦模块；300.微动云台模块；400.液晶模块；500.分光模块；600.图像数据信息采集模块；700.控制系统；800.光敏传感器模块；900.激光发射模块；211.第一步进电机；212.第一齿轮；213.第二齿轮；214.内镜筒；215.外镜筒；220.滤光模块；231.第一凸透镜；232.第二凸透镜；233.第三凸透镜；310.滑轨；311.滑块；312.第一铰点；313.螺纹伸缩杆；314.第一锥齿轮；315.第二锥齿轮；316.第二步进电机；320.连接杆；321.转轴；331.第三步进电机；332.第三齿轮；333.第四齿轮；334.U形支撑架；335.第二铰点；710.终端控制器；720.图像数据接收及分析单元；730.电机控制单元；740.液晶选择单元；750.时间计算单元；760.数据信息显示单元。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

如图1-6所示，在本实施例中，提供一种基于机器视觉的可调焦微动云台式激光测距仪，它包含主体100、激光发射模块900、调焦模块200、微动云台模块300、液晶模块400、分光模块500、图像数据信息采集模块600、光敏传感器模块800以及控制系统700。激光发射模块900设置在主体100前端，用于发射激光；调焦模块200也设置在主体100前端，用于对反射光进行自动调焦和聚焦；微动云台模块300设置在主体100上且安装在调焦模块200底部，微动云台模块300用于对调焦模块200进行角度微调；液晶模块400设置在主体100上且位于调焦模块200后方，液晶模块400用于屏蔽非目标点杂光；分光模块500设置在主体100上且位于液晶模块400后方，分光模块500用于将光束传递给图像数据信息采集模块600与光敏传感器模块800；图像数据信息采集模块600设置在主体100后端且位于分光模块500后方，图像数据信息采集模块600用于对光束进行感光处理；光敏传感器模块800设置在主体100上并位于分光模块500一侧，光敏传感器模块800用于感知激光；控制系统700设置在主体100后端且位于图像数据信息采集模块600后方，控制系统700用于控制各个模块以及分析计算处理数据信息。

当距离过远时，激光会在待测物表面留下一个较大的斑点，激光测距仪所接收到的光线有可能是该斑点中任意一区域反射回来的，当待测物平整且与激光垂直时误差是极小的，但是若待测物不够平整或与激光不是十分垂直时，误差将会变大，因此为了减小误差，液晶模块400就至关重要。利用液晶模块400在电压控制下可以变色的功能，将待测点以外区域光线进行阻挡，进一步可以缩小目标点面积，使得测量更精确。

具体地，为了实现自动调焦和聚焦，本实施例中的调焦模块200包含外镜筒215与内镜筒214，其中外镜筒215和内镜筒214之间通过内外螺纹连接，即旋转内镜筒214可以驱使外镜筒215前后移动。在外镜筒215内设置有第一凸透镜231和第二凸透镜232，且第一凸透镜231位于第二凸透镜232前方，第一凸透镜231用于大范围聚焦光线，在内镜筒214内中部设置有第三凸透镜233，通过外镜筒215和内镜筒214之间的相对移动，可以带动两镜筒上的凸透镜相对移动，进而达到调节焦距的目的。同时，在外镜筒215外侧设置有第一步进电机211，第一步进电机211输出端上设置有第一齿轮212，内镜筒214后端套设有第二齿轮213，且第一齿轮212与第二齿轮213相啮合。如此，当第一步进电机211受到控制工作时，能够驱使第一齿轮212转动并带动第二齿轮213转动，进而带动内镜筒214转动，使外镜筒215相对内镜筒214移动，从而实现自动调节焦距的目的。

由于待测量物表面的色彩、形状和吸光度无法预知以及室外光线会不断变化，因此，为了防止激光测距仪在室外作业时被噪声干扰，为了更好地过滤杂光，在本实施例的外镜筒215前端还增设有滤光模块220，滤光模块220能够滤除杂光。

具体地，为了自动实现对调焦模块200的角度微调，本实施例中的微动云台模块300包含安装在主体100上的第三步进电机331以及转动安装在主体100上的转轴321，其中第三步进电机331输出端朝上，转轴321呈竖向设置，在第三步进电机331输出端设置有第三齿轮332，转轴321中部设置有第四齿轮333，且第四齿轮333与第三齿轮332相啮合。同时在转轴321顶端还设置有U形支撑架334，而调焦模块200转动铰接在U形支撑架334上。如此，当第三步进电机331受到控制工作时，能够驱使第三齿轮332转动并带动第四齿轮333转动，进而带动转轴321转动以控制调焦模块200水平旋转，以实现水平自动微调角度。

当然，为了实现俯仰微调角度，本实施例中的微动云台模块300还包含固接于转轴321上的连接杆320、安装在连接杆320底部的第二步进电机316、转动安装在连接杆320前端的螺纹伸缩杆313以及转动铰接在螺纹伸缩杆313顶端的滑块311。其中连接杆320固接在转轴321前侧，第二步进电机316横向安装，螺纹伸缩杆313呈竖向设置且具体分为螺纹连接的上下两截，当旋转下半截时，上半截在限制转动的情况下可以实现上下伸缩移动。同时，第二步进电机316输出端设置有第二锥齿轮315，螺纹伸缩杆313底端设置有第一锥齿轮314，且第一锥齿轮314与第二锥齿轮315相啮合。在调焦模块200底端还设置有前后方向的燕尾滑轨310，滑块311滑动卡接在滑轨310上，由此既限制了螺纹伸缩杆313上半截转动，又能保证顺利上下移动。通过滑块311与螺纹伸缩杆313之间的铰接，即图上第一铰点312的存在，以及U形支撑架334与调焦模块200之间的铰接，即图上第二铰点335的存在，可以确保流畅驱动调焦模块200完成俯仰运动。如此，当第二步进电机316受到控制工作时，能够驱使第二锥齿轮315转动并带动第一锥齿轮314转动，进而带动螺纹伸缩杆313下半部转动转化为上半部上下伸缩移动，从而控制调焦模块200上下旋转，以实现俯仰微调角度。

具体地，本实施例中的分光模块500采用分光片，能够将聚焦的光线分成两份，一份沿直线照射到图像数据信息采集模块600，另一份90度折射到光敏传感器模块800。图像数据信息采集模块600采用能够感光的电荷耦合器感光器件(CCD)，电荷耦合器感光器件能够根据被测量目标反射的光线成像并将成像结果传输到控制系统700进行判断。光敏传感器模块800采用雪崩光电二极管，雪崩光电二极管能够感知被测量目标反射的光线并将感知结果通过高低电平的形式传输到控制系统700进行判断

本实施例在使用过程中是这样完成控制处理工作的，具体控制系统700又包含终端控制器710(即CPU)以及共同受控于终端控制器710的图像数据接收及分析单元720、电机控制单元730、液晶选择单元740、时间计算单元750、数据信息显示单元760，另外，调焦模块200、微动云台模块300、液晶模块400、分光模块500、图像数据信息采集模块600、控制系统700、光敏传感器模块800、激光发射模块900均受控于终端控制器710。

工作使用时，首先由激光发射模块900发射激光，当激光发射模块900发射激光后，激光到达待测点后反射回激光测距仪，经过滤光模块220过滤杂光、调焦模块200中的第一凸透镜231、第二凸透镜232以及第三凸透镜233的聚焦，激光增强后继续前进到达分光模块500；分光模块500将聚焦的光线分成两份，一份90度折射到光敏传感器模块800，此时光敏传感器模块800还未工作，另一份沿直线照射到图像数据信息采集模块600；图像数据信息采集模块600感光后，将采集到的激光强度、激光分布特点等图像相关信息以电信号传输到图像数据接收及分析单元720；图像数据接收及分析单元720将对像素点进行分析，解析出激光强度与激光在被测物表面形状数据，并确定待测物体中心点，为微动云台模块300规划微动路线；随后受控于终端控制器710的电机控制单元730驱动第二步进电机316、第三步进电机331按照规划路线工作，使得测量正中心正对于图像数据信息采集模块600中心；微调结束后，电机控制单元730再次驱动第一步进电机211，控制调焦模块200进行调焦和聚焦，使其焦距从最短延伸至最长，并记录激光强度随焦距长度变化的数据，选择数据中激光强度最大的焦距，然后控制调焦模块200调回到该焦距位置；根据图像数据接收及分析单元720解析出的激光在被测物表面形状数据，捕捉该形状的近似中心，随后控制液晶模块400选择该中心区域透光，其余面积的液晶均成黑色遮光。当上述工作完成后，此时被测点的处理已经达到最优，受控于终端控制器710的时间计算单元750将控制激光发射模块900发射激光脉冲，并接收光敏传感器模块800的电平变化，记录从激光发射模块900发射激光到光敏传感器模块800感知到激光时所消耗的时间，时间计算单元750对时间数据进行计算，进而得到仪器与被测物之间的距离，多次重复操作，取平均值。当本实施例作业至电量不足时，位于终端控制器710上的数据信息显示单元760会显示电量，提醒使用者及时充电。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于机器视觉的可调焦微动云台式激光测距仪，其特征在于：包括主体(100)，所述主体(100)上设置有激光发射模块(900)、调焦模块(200)、微动云台模块(300)、液晶模块(400)、分光模块(500)、图像数据信息采集模块(600)、光敏传感器模块(800)以及控制系统(700)；

所述激光发射模块(900)用于发射激光；

所述调焦模块(200)用于对反射光进行自动调焦和聚焦；

所述微动云台模块(300)用于对调焦模块(200)进行角度微调；

所述液晶模块(400)用于屏蔽非目标点杂光；

所述分光模块(500)用于将光束传递给图像数据信息采集模块(600)与光敏传感器模块(800)；

所述图像数据信息采集模块(600)用于对光束进行感光处理；

所述光敏传感器模块(800)用于感知激光；

所述控制系统(700)用于控制各个模块以及分析计算处理数据信息。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的可调焦微动云台式激光测距仪，其特征在于：所述调焦模块(200)包括外镜筒(215)与内镜筒(214)，所述外镜筒(215)和内镜筒(214)之间通过内外螺纹连接，所述外镜筒(215)内设置有第一凸透镜(231)和第二凸透镜(232)，所述内镜筒(214)内设置有第三凸透镜(233)；

所述外镜筒(215)外侧设置有第一步进电机(211)，所述第一步进电机(211)输出端上设置有第一齿轮(212)，所述内镜筒(214)端部套设有第二齿轮(213)，所述第一齿轮(212)与第二齿轮(213)相啮合；

所述第一步进电机(211)能够驱使第一齿轮(212)转动并带动第二齿轮(213)转动，进而带动内镜筒(214)转动，从而使外镜筒(215)相对内镜筒(214)移动。

3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的可调焦微动云台式激光测距仪，其特征在于：所述调焦模块(200)还包括设置于外镜筒(215)前端的滤光模块(220)，所述滤光模块(220)用于滤除杂光。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的可调焦微动云台式激光测距仪，其特征在于：所述微动云台模块(300)设置在调焦模块(200)底部，所述微动云台模块(300)包括安装在主体(100)上的第三步进电机(331)以及转动安装在主体(100)上的转轴(321)，所述第三步进电机(331)输出端设置有第三齿轮(332)，所述转轴(321)上设置有第四齿轮(333)，所述第四齿轮(333)与第三齿轮(332)相啮合；

所述第三步进电机(331)能够驱使第三齿轮(332)转动并带动第四齿轮(333)转动，进而带动转轴(321)转动以控制调焦模块(200)水平旋转。

5.根据权利要求4所述的基于机器视觉的可调焦微动云台式激光测距仪，其特征在于：所述微动云台模块(300)还包括固接于转轴(321)上的连接杆(320)，安装在连接杆(320)底部的第二步进电机(316)，转动安装在连接杆(320)端部的螺纹伸缩杆(313)，以及转动连接在螺纹伸缩杆(313)顶端的滑块(311)；

所述第二步进电机(316)输出端设置有第二锥齿轮(315)，所述螺纹伸缩杆(313)底端设置有第一锥齿轮(314)，所述第一锥齿轮(314)与第二锥齿轮(315)相啮合；

所述转轴(321)顶端还设置有U形支撑架(334)，所述调焦模块(200)转动安装在U形支撑架(334)上，所述调焦模块(200)底端还设置有滑轨(310)，所述滑块(311)滑动卡接在滑轨(310)上；

所述第二步进电机(316)能够驱使第二锥齿轮(315)转动并带动第一锥齿轮(314)转动，进而带动螺纹伸缩杆(313)下半部转动转化为上半部上下伸缩移动，从而控制调焦模块(200)上下旋转。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于机器视觉的可调焦微动云台式激光测距仪，其特征在于：所述控制系统(700)包括终端控制器(710)以及共同受控于终端控制器(710)的图像数据接收及分析单元(720)、电机控制单元(730)、液晶选择单元(740)、时间计算单元(750)、数据信息显示单元(760)；

当激光反射回来时，所述图像数据信息采集模块(600)能够将光信号转换为电信号传输给图像数据接收及分析单元(720)，所述图像数据接收及分析单元(720)将对像素点进行分析，解析出激光强度与激光在被测物表面形状数据；所述电机控制单元(730)能够控制微动云台模块(300)工作，进而对调焦模块(200)进行微调；微调结束后，所述电机控制单元(730)能够控制调焦模块(200)进行调焦和聚焦，使其焦距从最短延伸至最长，并记录激光强度随焦距长度变化的数据，选择数据中激光强度最大的焦距，然后控制调焦模块(200)调回到该焦距位置；根据所述图像数据接收及分析单元(720)解析出的激光在被测物表面形状数据，捕捉该形状的近似中心，随后控制液晶模块(400)选择该中心区域透光，其余面积的液晶均成黑色遮光；上述工作完成后，所述时间计算单元(750)将控制激光发射模块(900)发射激光脉冲，并接收光敏传感器模块(800)的电平变化，记录激光发射到光敏传感器模块(800)感知到激光的时间，多次重复操作，取平均值。

7.根据权利要求1-5任一项所述的基于机器视觉的可调焦微动云台式激光测距仪，其特征在于：所述分光模块(500)位于调焦模块(200)后方，所述分光模块(500)采用分光片，能够将聚焦的光线分成两份，一份沿直线照射到所述图像数据信息采集模块(600)，另一份折射到所述光敏传感器模块(800)。

8.根据权利要求1-5任一项所述的基于机器视觉的可调焦微动云台式激光测距仪，其特征在于：所述图像数据信息采集模块(600)位于分光模块(500)后方，所述图像数据信息采集模块(600)采用能够感光的电荷耦合器感光器件，所述电荷耦合器感光器件能够根据被测量目标反射的光线成像并将成像结果传输到控制系统(700)进行判断。

9.根据权利要求1-5任一项所述的基于机器视觉的可调焦微动云台式激光测距仪，其特征在于：所述光敏传感器模块(800)位于分光模块(500)侧方，所述光敏传感器模块(800)采用雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管能够感知被测量目标反射的光线并将感知结果通过高低电平的形式传输到控制系统(700)进行判断。

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