CN115868858A - 扫地机器人及结构光相机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扫地机器人及结构光相机，包括机器人本体、结构光相机以及控制器模块；结构光相机设置在机器人本体的侧面上；结构光相机包括光投射器和光接收器；光投射器，用于向目标场景交替投射第一点阵结构光和第二点阵结构光，第一点阵结构光中每一光束的功率密度大于第二点阵结构光中每一光束的功率密度；光接收器，用于接收目标场景中任意物体反射后的第一点阵结构光和第二点阵结构光，并根据第一点阵结构光生成第一深度信息，根据第二点阵结构光生成第二深度信息；控制器模块，用于根据第一深度信息进行即时定位与地图构建，根据第二深度信息生成避障信息。本发明降低了产品的复杂度，而且降低了产品的造价便于产品的推广应用。

Description

扫地机器人及结构光相机

技术领域

本发明涉及智能设备，具体地，涉及一种扫地机器人及结构光相机。

背景技术

扫地机器人，是智能家用电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。一般采用刷扫和真空方式，将地面杂物先吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面清理的功能。

现有技术中的扫地机器人一般通过顶部设置的LDS(Laser Direct Structuring)激光雷达进行路径规划和地图绘制，并通过前端设置的摄像头进行避障。但是通过LDS进行路径规划和地图绘制，至少有两个缺点：一是激光雷达要频繁转动、容易坏，二是无法探测到落地窗、落地镜、花瓶等高反射率物体。而且同时路径规划和避障功能需要两套装置，不仅增加了产品的复杂度，而且提高了产品的造价，不利于产品的推广应用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种扫地机器人及结构光相机。

根据本发明提供的扫地机器人，包括机器人本体、结构光相机以及控制器模块；所述结构光相机设置在所述机器人本体的侧面上；

所述结构光相机包括光投射器和光接收器；

所述光投射器，用于向目标场景交替投射第一点阵结构光和第二点阵结构光，所述第一点阵结构光中每一光束的功率密度大于所述第二点阵结构光中每一光束的功率密度；

所述光接收器，用于接收所述目标场景中任意物体反射后的所述第一点阵结构光和所述第二点阵结构光，并根据所述第一点阵结构光生成第一深度信息，根据所述第二点阵结构光生成第二深度信息；

所述控制器模块，用于根据所述第一深度信息进行即时定位与地图构建，根据所述第二深度信息生成避障信息。

优选地，所述第一点阵结构光形成稀疏点阵图案，所述第二点阵结构光形成密集点阵图案；

所述稀疏点阵图案位于所述密集点阵图案的内部。

优选地，所述第一点阵结构光形成稀疏点阵图案，所述第二点阵结构光形成密集点阵图案；

所述稀疏点阵图案位于所述密集点阵图案的高度方向上的中间区域。

优选地，所述光投射器包括第一激光器模块和第一投影镜头；

所述第一激光器模块，包括第一激光器阵列组和第二激光器阵列组，所述第一激光器阵列组用于投射第一点阵结构光，所述第二激光器阵列组用于投射第二点阵结构光；

所述第一投影镜头，设置在所述激光器模块的出光侧，包括第一区域和第二区域，通过所述第一区域接收并投射第一点阵结构光，通过所述第二区域接收并投射第二点阵结构光。

优选地，所述光投射器包括第二激光器模块、分束器件以及第二投影镜头；

所述第二激光器模块，用于投射激光束；

所述分束器件，包括第一分束区域和第二分束区域，所述第一分束区域用于将所述激光光束分成多束激光形成第一点阵结构光，所述第二分束区域用于将所述激光光束分成多束激光形成第二点阵结构光；

所述第二投影镜头，设置在所述分束器件的出光侧，包括第一区域和第二区域，通过所述第一区域接收所述分束器件并投射第一点阵结构光，通过所述第二区域接收并投射第二点阵结构光。

优选地，所述光接收器，用于根据所述第一点阵结构光的传输时间或相位差生成第一深度信息，根据所述第二点阵结构光的传输时间或相位差生成第二深度信息。

优选地，所述光投射器包括第一激光器模块和第一投影镜头；

所述第一激光器模块，包括第一激光器阵列组和第二激光器阵列组，所述第一激光器阵列组用于投射第一点阵结构光，所述第二激光器阵列组用于投射第二点阵结构光；

所述第一投影镜头，设置在所述激光器模块的出光侧，包括第一区域、第二区域以及第三区域，所述第一区域设置在第二区域、第三区域之间，通过所述第一区域接收并投射第一点阵结构光，通过所述第二区域、所述第三区域接收并投射第二点阵结构光。

优选地，所述光投射器包括第二激光器模块、分束器件以及第二投影镜头；

所述第二激光器模块，用于投射激光束；

所述分束器件，包括第一分束区域和第二分束区域，所述第一分束区域用于将所述激光光束分成多束激光形成第一点阵结构光，所述第二分束区域用于将所述激光光束分成多束激光形成第二点阵结构光；

所述第二投影镜头，设置在所述分束器件的出光侧，包括第一区域、第二区域以及第三区域，所述第一区域设置在第二区域、第三区域之间，通过所述第一区域接收并投射第一点阵结构光，通过所述第二区域、所述第三区域接收并投射第二点阵结构光。

优选地，所述结构光相机的视场角在100°至110°之间。

根据本发明提供的结构光相机，包括光投射器和光接收器；

所述光投射器，用于向目标场景交替投射第一点阵结构光和第二点阵结构光，所述第一点阵结构光中每一光束的功率密度大于所述第二点阵结构光中每一光束的功率密度；

所述光接收器，用于接收所述目标场景中任意物体反射后的所述第一点阵结构光和所述第二点阵结构光，并根据所述第一点阵结构光生成第一深度信息，根据所述第二点阵结构光生成第二深度信息。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明中扫地机器人装载有结构光相机，结构光相机的光投射器用于向目标场景交替投射第一点阵结构光和第二点阵结构光，光接收器能够接收所述目标场景中任意物体反射后的所述第一点阵结构光和所述第二点阵结构光，并根据功率密度较高的第一点阵结构光生成第一深度信息，根据功率密度较低的第二点阵结构光生成第二深度信息，使得所述控制器模块能够照射距离较远的第一点阵结构光生成第一深度信息进行即时定位与地图构建，根据近距离的第二点阵结构光生成的第二深度信息生成避障信息，实现扫地机器人通过一个结构光相机模组便能够实现即时定位与地图构建和避障，降低了产品的复杂度，而且降低了产品的造价便于产品的推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例中扫地机器人的工作原理示意图；

图2为本发明实施例中结构光相机的一种光场视野示意图；

图3为本发明实施例中结构光相机的另一种光场视野示意图；

图4为本发明实施例中结构光相机的一种结构示意图；以及

图5为本发明实施例中结构光相机的另一种结构示意图。

图中：100为机器人本体；200为物体；1为光投射器；2为光接收器；201为第一区域；202为第二区域；203为第三区域；3为驱动电路；101为边发射激光器；102为准直镜头；103为分束器件；104为投影镜头；105为衍射器件；106为激光器阵列。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面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。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。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中不再赘述。下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。

图1为本发明实施例中扫地机器人的工作原理示意图，如图1所示，本发明提供的扫地机器人，包括机器人本体100、结构光相机以及控制器模块；所述结构光相机设置在所述机器人本体100的侧面上；

所述结构光相机包括光投射器1和光接收器2；

所述光投射器1，用于向目标场景交替投射第一点阵结构光和第二点阵结构光，所述第一点阵结构光中每一光束的功率密度大于所述第二点阵结构光中每一光束的功率密度；

所述光接收器2，用于接收所述目标场景中任意物体200反射后的所述第一点阵结构光和所述第二点阵结构光，并根据所述第一点阵结构光生成第一深度信息，根据所述第二点阵结构光生成第二深度信息；

所述控制器模块，用于根据所述第一深度信息进行即时定位与地图构建(SLAM)，根据所述第二深度信息生成避障信息。

在本发明实施例中，所述第一点阵结构光中每一光束具有较高的功率密度，投射距离较远，能够获得室内距离扫地机器人较远处的物体的分布，便于扫地机器人进行即时定位与地图构建，所述第二点阵结构光光中每一光束具有较低的功率密度和光束密度较高，投射距离较近，能够获得室内距离扫地机器人较近处的物体200分布，光束密集较高能够获得物体200的表面轮廓，便于扫地机器人进行避障运行。

所述第一点阵结构光与所述第二点阵结构光存在重叠区域。本实施例通过将第一点阵结构光和第二点阵结构光交替投射，使得光接收器只接收到第一点阵结构光和第二点阵结构光中的一种，使得各自信号保持独立，保证数据的质量。

图4为本发明实施例中结构光相机的一种结构示意图，如图4所示，所述光投射器1包括第一激光器模块和第一投影镜头104；

所述第一激光器模块，包括第一激光器阵列组和第二激光器阵列组，所述第一激光器阵列组用于投射第一点阵结构光，所述第二激光器阵列组用于投射第二点阵结构光；

所述第一投影镜头104，设置在所述激光器模块的出光侧，包括第一区域201和第二区域202，所述第一区域201、所述第二区域202均为透明区域，通过所述第一区域201接收所述第一点阵结构光并投射第一点阵结构光，通过所述第二区域202接收所述第一点阵结构光并投射第二点阵结构光。

在本发明一实施例中，所述第一点阵结构光形成稀疏点阵图案，所述第二点阵结构光形成密集点阵图案；

所述稀疏点阵图案位于所述密集点阵图案的上侧区域，如图2所示。

在本发明一实施例中，所述光投射器1包括第一激光器模块和第一投影镜头104；

所述第一激光器模块，包括第一激光器阵列组和第二激光器阵列组，所述第一激光器阵列组用于投射第一点阵结构光，所述第二激光器阵列组用于投射第二点阵结构光；

所述第一投影镜头104，设置在所述激光器模块的出光侧，包括第一区域201、第二区域202以及第三区域203，所述第一区域201设置在第二区域202、第三区域203之间，所述第一区域201、所述第二区域202、所述第三区域203均为透明区域，通过所述第一区域201接收所述第一点阵结构光并投射第一点阵结构光，通过所述第二区域202、所述第三区域203接收所述第一点阵结构光并投射第二点阵结构光。

所述第一点阵结构光形成稀疏点阵图案，所述第二点阵结构光形成密集点阵图案；所述稀疏点阵图案位于所述密集点阵图案的高度方向上的中间区域，如图3所示。

在本发明一实施例中，所述第一点阵结构光中光束的数量在两束和几千束之间，如2束至1千束；所述第二点阵结构光中光束的数量在几千束和几万束之间，如1万束至5万束。

所述第一激光器模块可以采用多个垂直腔面发射激光器(Vertical CavitySurface Emitting Laser，VCSEL)或者多个边发光激光器(Edge Emitting Laser，EEL)形成的激光器阵列106。多束激光经过准直镜头102后可以成为高度平行的准直光束，实现第一点阵结构光的投射。

图5为本发明实施例中结构光相机的另一种结构示意图，如图5所示，所述光投射器1包括第二激光器模块、分束器件以及第二投影镜头104；

所述第二激光器模块，用于投射激光束；

所述分束器件103，包括第一分束区域和第二分束区域，所述第一分束区域用于将所述激光光束分成一组多束激光形成第一点阵结构光，所述第二分束区域用于将所述激光光束分成另一组多束激光形成第二点阵结构光；

所述第二投影镜头104，设置在所述分束器件103的出光侧，包括第一区域201和第二区域202，所述第一区域201、所述第二区域202为透明区域，通过所述第一区域201接收并投射第一点阵结构光，通过所述第二区域202接收并投射第二点阵结构光。

在本发明一实施例中，所述第一点阵结构光形成稀疏点阵图案，所述第二点阵结构光形成密集点阵图案；

所述稀疏点阵图案位于所述密集点阵图案的上侧区域，如图2所示。

在本发明一实施例中，所述光投射器1包括第二激光器模块、分束器件以及第二投影镜头104；

所述第二激光器模块，用于投射激光束；

所述分束器件103，包括第一分束区域和第二分束区域，所述第一分束区域用于将所述激光光束分成一组多束激光形成第一点阵结构光，所述第二分束区域用于将所述激光光束分成另一组多束激光形成第二点阵结构光；

所述第二投影镜头104，设置在所述分束器件103的出光侧，包括第一区域201、第二区域202以及第三区域203，所述第一区域201设置在第二区域202、第三区域203之间，所述第一区域201、所述第二区域202、所述第三区域203为透明区域，通过所述第一区域201接收并投射第一点阵结构光，通过所述第二区域202、所述第三区域203接收并投射第二点阵结构光。

所述第一点阵结构光形成稀疏点阵图案，所述第二点阵结构光形成密集点阵图案；所述稀疏点阵图案位于所述密集点阵图案的高度方向上的中间区域，如图3所示。

所述分束器件103实现更多的准直激光光束。所述分束器件103可以采用衍射光栅(DOE)、波导器件、编码结构光掩膜或空间光调制器(SLM)等。

在本发明一实施例中，所述光接收器2，用于根据所述第一点阵结构光的传输时间或相位差生成第一深度信息，根据所述第二点阵结构光的传输时间或相位差生成第二深度信息。

所述驱动电路3，驱动电路3用于控制光投射器1和光接收器2同时开启或关闭。所述驱动电路3可以是独立的专用电路，比如专用SOC芯片、FPGA芯片、ASIC芯片等等，也可以包含通用处理器，比如当该结构光相机被集成到如扫地机器人等智能终端中去，终端中的处理器可以作为该处理电路的至少一部。

所述结构光相机的视场角在100°至110°之间。

所述光接收器2包括光学成像镜头、光探测器阵列以及驱动电路3；所述光探测器阵列包括多个呈阵列分布的光探测器；

所述光学成像镜头，用于接收经目标场景中任意物体反射后的所述第一点阵结构光和所述第二点阵结构光，将所述第一点阵结构光和所述第二点阵结构光投射至所述光探测器；

所述光探测器，用于接收所述第一点阵结构光和所述第二点阵结构光；

所述驱动电路3，用于测量所述第一点阵结构光和所述第二点阵结构光的传播时间或相位差而生成所述目标物体表面的深度数据。

为了过滤背景噪声，所述光学成像镜头内通常还装有窄带滤光片，使得所述光探测器阵列1仅能通过预设的波长的入射准直光束。所述预设的波长可以为入射准直光束的波长，也可以为小于入射准直光束50纳米和大于入射准直光束50纳米之间。所述光探测器阵列可以呈周期或者非周期性排列。每个光探测器与辅助电路配合可以实现对准直光束的飞行时间进行测量。根据离散准直光束数量的需求，光探测器阵列可以是多个单点光探测器的组合或者是一个集成了多个光探测器的传感器芯片。为了进一步优化光探测器的灵敏度，一个离散准直光束在目标物体上的照射光斑可以对应一个或者多个光探测器。在多个光探测器对应同一个照射光斑时，每个探测器的信号可以通过电路连通，从而在能够合并为一个探测面积更大的光探测器。

所述光探测器采用CMOS光传感器、CD光传感器或SPAD光传感器。

在本发明一实施例中，本发明提供的结构光相机，包括光投射器1和光接收器2；

所述光投射器1，用于向目标场景交替投射第一点阵结构光和第二点阵结构光，所述第一点阵结构光中每一光束的功率密度大于所述第二点阵结构光中每一光束的功率密度；

所述光接收器2，用于接收所述目标场景中任意物体反射后的所述第一点阵结构光和所述第二点阵结构光，并根据所述第一点阵结构光生成第一深度信息，根据所述第二点阵结构光生成第二深度信息。

本发明中扫地机器人装载有结构光相机，结构光相机的光投射器，用于向目标场景交替投射第一点阵结构光和第二点阵结构光，光接收器能够接收所述目标场景中任意物体反射后的所述第一点阵结构光和所述第二点阵结构光，并根据功率密度较高的所述第一点阵结构光生成第一深度信息，根据功率密度较低的所述第二点阵结构光生成第二深度信息，使得所述控制器模块能够照射距离较远的第一点阵结构光生成第一深度信息进行即时定位与地图构建，根据近距离的第二点阵结构光生成的第二深度信息生成避障信息，实现扫地机器人通过一个结构光相机模组便能够实现即时定位与地图构建和避障，降低了产品的复杂度，而且降低了产品的造价便于产品的推广应用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种扫地机器人，其特征在于，包括机器人本体、结构光相机以及控制器模块；所述结构光相机设置在所述机器人本体的侧面上；

所述结构光相机包括光投射器和光接收器；

所述光投射器，用于向目标场景交替投射第一点阵结构光和第二点阵结构光，所述第一点阵结构光中每一光束的功率密度大于所述第二点阵结构光中每一光束的功率密度；

所述光接收器，用于接收所述目标场景中任意物体反射后的所述第一点阵结构光和所述第二点阵结构光，并根据所述第一点阵结构光生成第一深度信息，根据所述第二点阵结构光生成第二深度信息；

所述控制器模块，用于根据所述第一深度信息进行即时定位与地图构建，根据所述第二深度信息生成避障信息。

2.根据权利要求1所述的扫地机器人，其特征在于，所述第一点阵结构光形成稀疏点阵图案，所述第二点阵结构光形成密集点阵图案；

所述稀疏点阵图案位于所述密集点阵图案的内部。

3.根据权利要求1所述的扫地机器人，其特征在于，所述第一点阵结构光形成稀疏点阵图案，所述第二点阵结构光形成密集点阵图案；

所述稀疏点阵图案位于所述密集点阵图案的高度方向上的中间区域。

4.根据权利要求1所述的扫地机器人，其特征在于，所述光投射器包括第一激光器模块和第一投影镜头；

所述第一激光器模块，包括第一激光器阵列组和第二激光器阵列组，所述第一激光器阵列组用于投射第一点阵结构光，所述第二激光器阵列组用于投射第二点阵结构光；

所述第一投影镜头，设置在所述激光器模块的出光侧，包括第一区域和第二区域，通过所述第一区域接收并投射第一点阵结构光，通过所述第二区域接收并投射第二点阵结构光。

5.根据权利要求1所述的扫地机器人，其特征在于，所述光投射器包括第二激光器模块、分束器件以及第二投影镜头；

所述第二激光器模块，用于投射激光束；

所述分束器件，包括第一分束区域和第二分束区域，所述第一分束区域用于将所述激光光束分成多束激光形成第一点阵结构光，所述第二分束区域用于将所述激光光束分成多束激光形成第二点阵结构光；

所述第二投影镜头，设置在所述分束器件的出光侧，包括第一区域和第二区域，通过所述第一区域接收所述分束器件并投射第一点阵结构光，通过所述第二区域接收并投射第二点阵结构光。

6.根据权利要求1所述的扫地机器人，其特征在于，所述光接收器，用于根据所述第一点阵结构光的传输时间或相位差生成第一深度信息，根据所述第二点阵结构光的传输时间或相位差生成第二深度信息。

7.根据权利要求1所述的扫地机器人，其特征在于，所述光投射器包括第一激光器模块和第一投影镜头；

所述第一激光器模块，包括第一激光器阵列组和第二激光器阵列组，所述第一激光器阵列组用于投射第一点阵结构光，所述第二激光器阵列组用于投射第二点阵结构光；

所述第一投影镜头，设置在所述激光器模块的出光侧，包括第一区域、第二区域以及第三区域，所述第一区域设置在第二区域、第三区域之间，通过所述第一区域接收并投射第一点阵结构光，通过所述第二区域、所述第三区域接收并投射第二点阵结构光。

8.根据权利要求1所述的扫地机器人，其特征在于，所述光投射器包括第二激光器模块、分束器件以及第二投影镜头；

所述第二激光器模块，用于投射激光束；

所述分束器件，包括第一分束区域和第二分束区域，所述第一分束区域用于将所述激光光束分成多束激光形成第一点阵结构光，所述第二分束区域用于将所述激光光束分成多束激光形成第二点阵结构光；

所述第二投影镜头，设置在所述分束器件的出光侧，包括第一区域、第二区域以及第三区域，所述第一区域设置在第二区域、第三区域之间，通过所述第一区域接收并投射第一点阵结构光，通过所述第二区域、所述第三区域接收并投射第二点阵结构光。

9.根据权利要求1所述的扫地机器人，其特征在于，所述结构光相机的视场角在100°至110°之间。

10.一种结构光相机，其特征在于，包括光投射器和光接收器；

所述光投射器，用于向目标场景交替投射第一点阵结构光和第二点阵结构光，所述第一点阵结构光中每一光束的功率密度大于所述第二点阵结构光中每一光束的功率密度；

所述光接收器，用于接收所述目标场景中任意物体反射后的所述第一点阵结构光和所述第二点阵结构光，并根据所述第一点阵结构光生成第一深度信息，根据所述第二点阵结构光生成第二深度信息。

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