CN117805743A - 一种基于深度相机的抗干扰方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及移动机器人技术领域，尤其涉及一种基于深度相机的抗干扰方法和装置，其中，S100、开始曝光时或开始曝光前，检测是否有外界光；若有外界光，则切换调制频率；所述外界光包括：其它深度相机光信号；S200、开始曝光时，向被测物体发射光信号；所述光信号包括：当前调制频率的调制信号；并实时接收被测物体反射的反射信号；S300、将接收到的反射信号进行解调，并判断接收到的反射信号是否为有效数据。S400、当接收到的反射信号是有效数据时，根据接收到的有效数据，获取被测物体的距离。其有益效果是，有效抑制干扰光信号对反射光信号的干扰，提升深度相机检测结果的准确率。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人技术领域，尤其涉及一种基于深度相机的抗干扰方法和装置。
背景技术
在移动机器人领域中，机器需要实现避障、对接、导航等功能。且随着工业4.0的推广，无人工厂已然成为主流。选用感知传感器去实现这些功能变成必然，目前市场主流方案中，结构光与TOF的感知方案占主导地位。其中，结构光的测距局限于baseline，3米的测距范围已是极限，且精准度随着距离的增加衰减明显。若提高精准度则需增大baseline，这会使结构光的相机体积变得很大，在车体安装方向会有很大限制。而TOF的感知方案测距范围10米以内不成问题，精准度的衰减不会像结构光那么明显。同时具有较好的时效性、高频率、三维成像的优势。在无人工厂中必然出现百台以上的车运作，TOF相机多以940纳米作为工作波长，多台在一起工作，相机会出现多机干扰(Multi-Machine Interface)影响避障、对接、导航的功能效果，会使得机器人对指令的误判，造成安全隐患。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于深度相机的抗干扰方法和装置，其解决了两台及以上的机器人一起工作时，相机之间存在干扰，使得机器人对指令产生误判，造成安全隐患的技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明实施例提供一种基于深度相机的抗干扰方法，包括：
S100、开始曝光时或开始曝光前，实时检测是否有外界光；
若有外界光，则切换发射的光信号的调制频率；
S200、开始曝光时，向被测物体发射光信号；所述光信号包括：当前调制频率的调制信号；并实时接收被测物体反射的反射信号；
S300、将接收到的反射信号进行解调，生成解调信号，并判断接收到的反射信号是否为有效数据；
S400、当接收到的反射信号是有效数据时，根据接收到的有效数据，获取被测物体的距离。
可选地，所述反射信号与解调信号具有相同的调制频率；
所述解调信号r(t)通过公式一得到，所述公式一为：
ω＝2πf；
其中，A为调制幅度，ω为角速度，为信号相位，f为调制频率；t为接收到反射信号与发射调制信号的间隔时间；
所述调制信号c(t)通过公式二得到，所述公式二为：
c(t)＝cos(ωt)；
其中，ω为角速度，t为接收到反射信号与发射调制信号的间隔时间。
可选地，所述S300包括：
S300-1、将接收到的反射信号进行解调，生成解调信号；
S300-2、将所述解调信号与调制信号进行互相关处理，生成结果信号；
S300-3、根据所述结果信号判断其是否为有效数据。
可选地，所述结果信号通过公式三得到，所述公式三为：
其中，τ为调制信号与解调信号互相关的延时相位，T为信号周期，A为调制幅度，ω为角速度，为信号相位，t为接收到反射信号与发射调制信号的间隔时间；
当调制信号与解调信号的调制频率不同时，S(t)为0，则该调制信号为干涉信号，进行舍弃。
可选地，在深度相机开始曝光前包括：所述相机曝光时刻前Tus时间的时刻。
可选地，所述深度处理模块切换调制频率包括：
切换后的调制频率与切换前的调制频率之差小于5MHz。
可选地，所述深度相机使用4快门原理进行深度测量，此时，快门角度分别为0°、90°、180°、270°，分别得到深度相机四次曝光的强度值。
第二方面，本发明实施例提供一种基于深度相机的抗干扰装置，包括：
检测单元，用于在深度相机开始曝光时或在开始曝光前，检测是否有外界光；若有外界光，则发送检测信号至所述干扰处理模块；
干扰处理单元，用于接收所述检测信号，并判断是否切换调制频率，并发送信号至所述深度处理单元；若要切换调制频率，切换前的调制频率与切换后的调制频率之差小于5MHz；
发射单元，用于向被测物体发射激光光源；所述激光光源包括当前调制频率的调制信号；
接收单元，用于接收被测物体上激光光斑的反射信号；
深度处理单元，用于根据接收到的干扰处理单元发送的信号判断是否切换调制信号的调制频率；当所述接收单元接收到被测物体上的反射信号后，获取并解调反射信号，筛选有效数据，并根据有效数据输出图像。
可选地，所述检测单元包括PD器件或APD器件或SIPM器件；
所述接收单元包括CCD或CMOS芯片；
所述干扰处理单元包括可编程芯片；所述可编程芯片包括：CPLD或FPGA。
可选地，所述调制信号包括多个脉冲间隔相同、调制幅度变化的光脉冲；光脉冲的波长包括红外光。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明的一种基于深度相机的抗干扰方法和装置，通过判断是否存在外界光，判断是否切换调制频率的方式躲避干扰，可以有效抑制干扰光信号对反射光信号的干扰，提升深度相机检测结果的准确率，有效扩展移动机器人对台协作的技术领域。
附图说明
图1为一种基于深度相机的抗干扰方法流程图；
图2为一种基于深度相机的抗干扰方法和装置中深度相机结构图；
图3为一种基于深度相机的抗干扰方法和装置中检测单元原理图；
图4为一种基于深度相机的抗干扰方法和装置中干扰处理单元检测流程图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明实施例提出的一种基于深度相机的抗干扰方法和装置，通过判断是否存在外界光，判断是否切换调制频率的方式躲避干扰。
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1
本实施例提供一种基于深度相机的抗干扰方法，包括：
S100、开始曝光时或开始曝光前，其中开始曝光前包括所述相机曝光时刻前Tus时间的时刻，检测是否有外界光(可通过APD感应外界光)；
S150、若没有检测到外界光，则本机正常发光；
若检测到外界光，则需要将检测到的脉冲波形，做频谱转换(傅里叶变换)，得到频率信息，判断频率信息中的频率峰值数量是否大于1，即判断有外界光干扰了相机，则切换调制频率后发光；
若无外界光干扰相机或无外界光，则重复步骤S100和S150；
S200、开始曝光时，向被测物体发射光信号；(发出的光信号的波长一般为940纳米，也可以使用其它红外光)所述光信号包括：当前调制频率的调制信号；并实时接收被测物体反射的反射信号；
S300-1、将接收到的反射信号进行解调，生成解调信号；
S300-2、将所述解调信号与调制信号进行相关处理，生成结果信号；
S300-3、根据所述结果信号判断其是否为有效数据；
S400、根据接收到的有效数据，获取被测物体的距离并输出图像。
进一步地，本实施例中提到的基于深度相机的抗干扰方法，不仅局限于iTOF原理的深度相机，同样适用于dTOF、结构光相机。
以CW调制解调原理深度相机为例，CW深度相机一般使用四次曝光计算深度值，其中深度值为拍摄目标与相机的距离；每个像素点都有一个对应的深度值，该值表示物体离相机的距离。深度值越小，表示物体离相机越近；深度值越大，表示物体离相机越远。深度值通过公式四获得，公式四为：
其中，Q1、Q2、Q3、Q4为相机四次曝光的强度值，C为光速，f为深度相机调制频率。
向感兴趣的场景发射连续的光波，即光信号，(所述光信号包括：当前调制频率的调制信号)，信号在现场反射并返回相机。镜头系统用于将信号聚焦到放置在相机内的传感器上，改传感器记录反射信号。
发射的光信号在幅度和相位上进行调制，后者取决于所观察场景的3D结构，因为相移取决于信号在到达传感器之前传播的距离。然后将反射的光信号与直接从相机发出的调制信号(相关信号)进行相关(比较)。这个过程称为互相关。这两个信号将具有相同的调制频率，而接收到的输入信号将发生相移。使用正弦信号并忽略非线性效应，其中，解调信号r(t)通过公式一得到，所述公式一为：
ω＝2πf；
其中，A为调制幅度，ω为角速度，为信号相位，f为TOF相机的调制频率；t为接收到反射信号与发射调制信号的间隔时间。
调制信号c(t)通过公式二得到，所述公式二为：
c(t)＝cos(ωt)；
其中，ω为角速度，t为接收到反射信号与发射调制信号的间隔时间。
调制信号与解调信号的结果是互相关函数，且其结果信号通过公式三得到，所述公式三为：
其中，τ为调整信号与解调信号互相关的延时相位，T为信号周期，A为调制幅度，ω为角速度，为信号相位，t为接收到反射信号与发射调制信号的间隔时间；
公式三可简化为公式五，所述公式五为：
通过改变ωt的结果，即角度，就可以得到多个结果。TOF相机一般以4快门原理(4快门原理：通过在深度相机中使用4个时钟相位来进行深度测量的原理。这种原理基于飞行时间(Time ofFlight)原理，通过测量光从相机发射到物体上反射后返回相机的时间来计算物体的深度。具体来说，TOF相机在进行深度测量时，会依次发射4个激光脉冲，每个脉冲都具有不同的相位。当激光脉冲照射到物体上时，部分光会被物体反射回来，经过TOF相机接收端的探测器接收到。通过对这4个相位的光信号进行处理和计算，可以得到物体的深度信息。这种4快门的原理可以提高深度相机的测量精度和抗干扰能力)最多，即ωt分别等于0°、90°、180°、270°，相机得到的强度值分别为Q1、Q2、Q3、Q4。通过公式四计算深度值。
当场景中相同调制频率的相机相互之间会接收彼此的光强，会造成信号的信噪比降低，测距有波动。如果它们的调制频率不同，则干涉信号的表达式为公式六，公式六为：
将其代入公式四中，即
即解调信号只会响应自身发射的调制频率。
TOF相机中，要经过一系列矫正后，才可以真正的测距。如：相机使用的调制频率为f，当检测单元(CPLD)检测到有外界光干扰，则将调制频率切换至f1。其中：
|f-f1|＜5MHz；
其中，f1未经过系统矫正，但f1与f的差异是足够小的，二者的精准度测距表现是差不多的，在移动机器人领域中是可以接收的。
本实施例提供的一种基于深度相机的抗干扰方法，通过判断是否存在外界光，判断是否切换调制频率的方式躲避干扰，可以有效抑制干扰光信号对反射光信号的干扰，提升深度相机检测结果的准确率，有效扩展移动机器人对台协作的技术领域。
实施例2
本实施例提供一种基于TOF相机的抗干扰装置，如图2所示，包括：检测单元、发射单元、接收单元、深度处理单元和干扰处理单元。其中：
检测单元，用于在深度相机开始曝光时或在开始曝光前(开始曝光前包括提前Tus时间，其Tus时间为预先设置)，检测PD器件检测是否有外界光(所述外界光包括其它深度相机光信号)；若有外界光，则发送检测信号至所述干扰处理模块。其可以使用PD(PhotoDiode)器件或APD(Avalanche Photo Diode)或SIPM(Siliconphotomultiplier)，根据实际场景选择不同器件，器件的原理均为将外界的光信号转换成电压信号，只是它们的增益有大小之分。(增益是指输入信号与输出信号之间的放大倍数。在光电二极管、雪崩光电二极管和硅光电倍增管中，增益可以理解为输入光信号被放大的程度。较高的增益意味着输入光信号可以被放大到更大的幅度，从而提高了信号的检测灵敏度和测量精度)以APD为例，检测单元的检测信号的原理如图3所示，APD检测的信号经过运算放大器放大后，经比较器输出0或1的脉冲信号。
干扰处理单元，用于接收所述检测信号，并判断是否开启多机工作模式，即是否切换调制频率，并发送信号至所述深度处理单元。当存在外界光时，开启多机功能，发送信号至深度处理单元切换调制频率至临近的频率。其一般使用CPLD(Complex ProgrammableLogic Device)或者FPGA等其他可编程芯片，根据实际硬件条件进行选配，整个检测流程如图3所示。当深度相机发射光信号后，也可以通过干扰处理单元重复检测是否出现干扰，当出现干扰时，也可以通知深度处理单元切换调制频率。发射单元，用于向被测物体发射激光光源；所述激光光源包括当前调制频率的调制信号。
接收单元，用于接收被测物体上激光光斑的反射信号，其可以使用CCD或CMOS芯片。其可以使用电荷耦合元件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、单光子雪崩二极管(SPAD)等组成的图像传感器。
深度处理单元，用于根据接收到的干扰处理单元发送的信号判断是否切换调制信号的调制频率；切换前的调制频率与切换后的调制频率之差小于5MHz；当所述接收单元接收到被测物体上的反射信号后，获取并解调反射信号，筛选有效数据，并根据有效数据输出图像。
举例说明，TOF深度相机开始曝光时或提前Tus时间检测单元的检测PD检测是否有外界光；
若没有外界光，则深度相机正常发光；
若检测到外界光，则需要将检测到的脉冲波形送入干扰处理单元中的CPLD或FPGA等具有可编程的芯片中，做频谱转换即傅里叶变换，可以得到频率信息，在频谱中可以找到峰值较大的频率，当找到的峰值数量大于1时，即判定有外界光干扰了相机，则干扰处理单元发送信号至深度处理单元切换发射的调制信号的调制频率。
若没有外界光或没有外界光干扰相机，则重复上述步骤。
相机发光后，发射单元向被测物体发射光信号；所述光信号包括：当前调制频率的调制信号；并实时接收被测物体反射的反射信号；
接收单元接收到反射信号后发送至深度处理单元，深度处理单元将接收到的反射信号进行解调，生成解调信号，并判断接收到的反射信号是否为有效数据；
当接收到的反射信号是有效数据时，根据接收到的有效数据，获取被测物体的距离，并生成图像。
本实施例提供的一种基于深度相机的抗干扰装置，通过判断是否存在外界光，判断是否切换调制频率的方式躲避干扰，可以有效抑制干扰光信号对反射光信号的干扰，提升深度相机检测结果的准确率，有效扩展移动机器人对台协作的技术领域。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于深度相机的抗干扰方法，其特征在于，包括：
S100、开始曝光时或开始曝光前，实时检测是否有外界光；
若有外界光，则切换发射的光信号的调制频率；
S200、开始曝光时，向被测物体发射光信号；所述光信号包括：当前调制频率的调制信号；并实时接收被测物体反射的反射信号；
S300、将接收到的反射信号进行解调，生成解调信号，并判断接收到的反射信号是否为有效数据；
S400、当接收到的反射信号是有效数据时，根据接收到的有效数据，获取被测物体的距离。
2.根据权利要求1所述的基于深度相机的抗干扰方法，其特征在于，
所述反射信号与解调信号具有相同的调制频率；
所述解调信号r(t)通过公式一得到，所述公式一为：
ω＝2πf；
其中，A为调制幅度，ω为角速度，为信号相位，f为调制频率；t为接收到反射信号与发射调制信号的间隔时间；
所述调制信号c(t)通过公式二得到，所述公式二为：
c(t)＝cos(ωt)；
其中，ω为角速度，t为接收到反射信号与发射调制信号的间隔时间。
3.根据权利要求2所述的基于深度相机的抗干扰方法，其特征在于，所述S300包括：
S300-1、将接收到的反射信号进行解调，生成解调信号；
S300-2、将所述解调信号与调制信号进行互相关处理，生成结果信号；
S300-3、根据所述结果信号判断其是否为有效数据。
4.根据权利要求3所述的基于深度相机的抗干扰方法，其特征在于，
所述结果信号通过公式三得到，所述公式三为：
其中，τ为调制信号与解调信号互相关的延时相位，T为信号周期，A为调制幅度，ω为角速度，为信号相位，t为接收到反射信号与发射调制信号的间隔时间；
当调制信号与解调信号的调制频率不同时，S(t)为0，则该调制信号为干涉信号，进行舍弃。
5.根据权利要求1所述的基于深度相机的抗干扰方法，其特征在于，在深度相机开始曝光前包括：所述相机曝光时刻前Tus时间的时刻。
6.根据权利要求1所述的基于深度相机的抗干扰方法，其特征在于，所述深度处理模块切换调制频率包括：
切换后的调制频率与切换前的调制频率之差小于5MHz。
7.根据权利要求1所述的基于深度相机的抗干扰方法，其特征在于，所述深度相机使用4快门原理进行深度测量，此时，快门角度分别为0°、90°、180°、270°，分别得到深度相机四次曝光的强度值。
8.一种基于深度相机的抗干扰装置，其特征在于，包括：
检测单元，用于在深度相机开始曝光时或在开始曝光前，检测是否有外界光；若有外界光，则发送检测信号至所述干扰处理模块；
干扰处理单元，用于接收所述检测信号，并判断是否切换调制频率，并发送信号至所述深度处理单元；若要切换调制频率，切换前的调制频率与切换后的调制频率之差小于5MHz；
发射单元，用于向被测物体发射激光光源；所述激光光源包括当前调制频率的调制信号；
接收单元，用于接收被测物体上激光光斑的反射信号；
深度处理单元，用于根据接收到的干扰处理单元发送的信号判断是否切换调制信号的调制频率；当所述接收单元接收到被测物体上的反射信号后，获取并解调反射信号，筛选有效数据，并根据有效数据输出图像。
9.根据权利要求8所述的基于深度相机的抗干扰装置，其特征在于，
所述检测单元包括PD器件或APD器件或SIPM器件；
所述接收单元包括CCD或CMOS芯片；
所述干扰处理单元包括可编程芯片；所述可编程芯片包括：CPLD或FPGA。
10.根据权利要求8所述的基于分频的抗干扰装置，其特征在于，所述调制信号包括多个脉冲间隔相同、调制幅度变化的光脉冲；光脉冲的波长包括红外光。
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| PB01 | Publication | ||
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