CN1302290C - 激光测位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光测位方法及装置，所述装置包括激光发生器、成像单元和控制单元。所述激光发生器产生三束或多束均匀间距且相互平行的激光束；所述成像单元用于获取激光束在靶上形成的三点或多点的图像；所述控制单元利用图像中三点或多个点的相邻点对之间的象素数计算其相对于靶的位置。因而，本发明的优点在于，其中采用结构简单且价格低廉的激光指示器和CCD照相机，使所述的位置测量装置在使用中既方便又经济。

Description

激光测位装置及方法

本申请要求享受于2002年6月29日在韩国工业产权局提出的韩国申请No.2002-37604的权益，这里将其公开的内容引为参考。

技术领域

一般地说，本发明涉及位置测量，具体地说，涉及运动物体相对于周围物件的位置测量。

背景技术

一般来说，为精确测距，已经采用利用电子器件的超声波测距装置、利用激光反射波的测距装置等，并已经商业化。超声波测距装置利用电磁感应现象或压电现象，并含有波发送器和波接收器。如果波发送器发出超声波，则波接收器将接收打到靶上而将要被测量的超声波，并在该处反射。此时，利用超声波的传播速度和从超声波发出到被接收所花的时间来测量靶与运动物体间的距离。利用触发器来测量从超声波发出到被接收所花的时间。当波发送器发出超声波时设定触发器，并在波接收器检测到反射回的超声波时复位，则将产生宽度为从超声波发出到返回所花的时间脉冲。通过测量这种脉冲，得到上述时间。但是，由于在弯曲表面所发生的漫反射，大大降低了超声波测距装置的精度。而且，超声波测距装置还有在噪声环境中很微弱的缺陷，且很难进行精确的实时测距。

激光测距装置分为很多种，它们是利用反射波的相位变化、脉冲和所接收到的由三角测量反射的反射光。这类利用脉冲的激光测距装置向靶发出单个脉冲或一列相干光脉冲。这些脉冲极少发散，以致于当上述光在传输几千米之后该脉冲的直径仅扩大约1米。一旦光到达靶，它将在各个方向上扩散。但是，有一些能量返回到该激光测距装置中并被测量。这种激光测距装置是通过测量脉冲从发出到返回所花的时间来确定运动物体与靶之间的距离的。

利用三角测量的激光测距装置是一种发射激光束、用激光接收传感器检测由靶反射的光、检测激光的发散角、并通过三角测量而检测运动物体与靶间距离的装置。但是，利用三角测量的激光测距装置存在激光输出必须很大、光接收传感器的灵敏度必须很高，以及光接收传感器的电路构造非常复杂，从而使产品成本增加的缺陷。另外，利用三角测量的激光测距装置还存在在操作该激光测距装置时要格外小心的缺陷，因而使其不实用。

发明内容

由此，本发明的目的在于，提出一种激光测位装置和方法，它利用廉价的器材，以相对较高的精度测量距离和角度。

在接下去的说明书部分将陈述本发明的其它目的和优点，或者通过本发明的实践可以理解它们。

本发明的前述目的和其它目的将由以下提出的激光测位装置得以实现，所述装置包括：激光发生器，用于产生三束或多束激光束，这些激光束以等间距平行传输；成像装置，用以获得激光束在靶上所形成的三点或多点的图像；以及控制单元，它利用上述图像中三点或多点的相邻点对间的象素计算相对于靶的位置。

本发明的前述目的和其他目的将由以下提出的激光测位方法得以实现，所述方法包括如下步骤：产生三束或多束激光束，使这些激光束等间隔且相互平行；获得激光束在靶上形成的三点或多点的图像；以及利用上述图像中三点或更多点的相邻点对间的象素数计算每束激光与靶间的角度，并获取上述图像的成像装置与靶间的距离。

附图说明

以下将结合附图对优选实施例进行详细描述，从这些描述中本发明的上述和其他的目的和优点将变得越为清楚。其中：

图1A是本发明一种实施例激光测位装置的平面图；

图1B是本发明激光测位装置的方框图；

图2A表示使用本发明激光测位装置进行角度测量的原理示意图；

图2B和2C表示使用本发明激光测位装置进行角度测量时所得图像的示意图；

图3A表示使用本发明激光测位装置的测距原理示意图；

图3B和3C表示使用本发明激光测位装置进行测距时所得图像的示意图；

图4是用本发明激光测位装置进行位置测量的流程图；

图5表示采用本发明激光测位装置的移动式机器人的示例示意图。

具体实施方式

现在参考附图中所列的实例对本发明的优选实施例进行详细说明，其中使用相似的附图标记来表示类似部件。

图1A是本发明的激光测位装置的平面图。如图1A所示，本发明的激光测位装置102包括：三个激光指示器104和一个电荷耦合器件(CCD)照相机106。上述三个激光指示器104均匀相间设置，并产生相互平行的激光束。所述的CCD照相机106通过拍摄三束激光在一个平面(未示出)上成的三个点的像而获得一张图片。所述CCD照相机106处的位置使上述三个激光指示器104的中间一个形成的点被显示在屏幕(未示出)的中央。所述CCD照相机106的分辨率是精确测量角度和距离的多个因素之一。根据本发明，可以根据所需精度选择该CCD照相机106的分辨率。

图1B是本发明激光测位装置的方框图。如图1B所示，控制单元152控制上述激光指示器产生激光束，并控制所述CCD照相机106获取由激光束在平面(未示出)上形成点的图像。所述CCD照相机106获得的图像数据被储存在存储单元158中，并被用于控制单元152计算角度和距离。图像处理单元160通过过滤CCD照相机106获取的图像，从图像中仅提取由激光束形成点的位置信息。

图2A表示使用本发明激光测位装置进行角度测量的原理示意图。如图2A所示，假设所述测位装置102产生的每束激光与墙面108的法线之间所成的角为ω，当ω＝0时，每束激光都与墙面108垂直。但是，如果ω≠0，则每束光与墙面108的法线形成一定角度。所以，当ω≠0时，如果测位装置102旋转，使得满足ω＝0，则旋转的角度等于ω。因此，利用上述关系来计算角度ω。下面结合图2B来描述通过测位装置102的旋转而使ω＝0的原理。

图2B和2C表示使用本发明的激光测位装置进行角度测量所得图像的示意图。图2B中，利用CCD照相机106得到在ω≠0情况下的图像。如图2B的图像所示，由于三束激光都不垂直于墙面108，所以由激光束所产生的三点中相邻点对间的距离不相等。这就是说，以中心点为基础，左点比右点更靠近中心点。因此，图2B的图像表示出距离a′大于距离a″。在图2B的图像中，距离a′和a″是通过利用图像中的象素而获得的值。

在图2B所示的状态中，通过实现a′＝a″并使该测位装置102旋转，可使表面108与激光束垂直。图2C是通过测位装置102旋转，而使激光束垂直于表面108，从而使得a′＝a″之后所获得的图像。如果墙面108和激光束相互垂直，则墙面108与测位装置102间的距离得以被测量。

图3A是表示使用本发明的激光测位装置的测距原理示意图。如图3A所示，通过发射与墙面108相垂直的激光束，并计算由CCD照相机106所获取图像中的三点中相邻点对间的距离，而测得墙面108与CCD照相机106间的实际距离L。下面，结合图3B和3C来描述本发明的上述测位装置的测距原理。

图3B和3C是表示使用本发明的激光测位装置为测量距离而获得的图像。图3B示意了一张短距离的图像，图3C示意了一张长距离的图像。对比图3B的短距离图像和图3C的长距离图像，可以看出，图3B的短距离图像中的距离a′比图3C的长距离图像中的距离a′长。距离a′是通过利用图像中的象素而获得的。这里，如果已知每单位象素所表示的实际距离，则可以由以下方程式(1)计算出CCD照相机106与墙面108间的实际距离。

$L=k\frac{1}{x-b}---\left(1\right)$

在方程式(1)，L表示CCD照相机106与墙面108之间的距离；x表示图像中相邻点对间的距离a′+a″之和(或图像中相邻点对间的象素数之和)；k和b是常数。通过在两次或多次实验基础上计算出每单位象素所代表的实际距离得到常数k和b的值。

如上述方程式(1)所示，墙面108与CCD照相机106间的距离L与所述图像中三点的相邻点对间的距离之和a′+a″成反比。也即随着与图像中的距离a′相关的象素数减少，CCD照相机106与墙面108之间距离L变大。反之，随着与图像中的距离a′的象素数增多，CCD照相机106与墙面108之间的距离L变短。

图4是利用本发明的激光测位装置进行位置测量过程的流程图。如图4所示，为利用本发明的激光测位装置进行位置测量，在操作步骤S402，接通激光指示器104，以产生激光束。在操作步骤S404，得到由CCD照相机106在墙面108上形成的三个点的图像。在操作步骤S406，对所得的图像进行过滤，使得仅提取三个激光点的位置信息。在操作步骤S408，检测三个点的相邻点对之间的象素数，并在操作步骤S410比较相邻点之间的距离a′和a″。如果a′＝a″，则像上面所述那样，用上述的方程式(1)来计算CCD照相机106与墙面108之间的实际距离L，然后关断激光指示器104。但是，如果a′≠a″，则在步骤S412调节所述测位装置102的角度，使得满足a′＝a″。此后，在步骤S410重复比较a′和a″，直到a′＝a″，并在步骤S414计算此点的实际距离。

本发明的上述测位装置可用于工业用或家用移动式机器人，以使该移动式机器人测量它们与周围环境(建筑物、家具、机械装置等)的相对位置。图5是表示采用本发明的激光测位装置的一种移动式机器人示例的示意图。如图5所示，把激光指示器104和CCD照相机106安装在移动式机器人500上，并测量该移动式机器人500相对于墙面108的位置，由此对家用或工业用移动式机器人进行位置控制。在别的领域例如机动车(例如汽车)的防撞系统也可以采取类似的用法。

如上所述，本发明提供一种激光测位装置和方法，通过测量相对于目标，例如墙面的角度和距离，而获得汽车与目标间的相对位置。于是，本发明利用结构简单且价格低廉的激光指示器和CCD照相机，使该测位装置在使用起来既方便又经济。另外，本发明的优点在于，由于这种测位装置的测位步骤简单，所以降低了整个测位系统的负荷。另外，由于负荷降低，而使测位时间缩短，进而使得可进行实时的位置测量。再有，本发明的优点还在于，由于是对通过拍摄激光点获得的图像进行过滤确定点的位置，所以使得可在夜间进行测位过程。此外，虽然以上所公开的激光束是相互平行的，但是，也可以理解，与中心激光束相邻的激光束不必与该中心激光束相平行，而是成一个近乎相等的角度，这种方式使得旋转和实际相距过程是等效实施的。

虽然已示出并描述本发明的一些实施例，但对于那些熟悉本领域的人而言将是清楚的，对这些实施例做多种改型而不致脱离本发明的原理和精髓；所附各权利要求及其等效用语限定本发明请求保护的范围。

Claims (12)

1.一种测位装置，包括：

激光发生单元，包含多个激光指示器，它们被放置得使三点或多点位于一条直线上，用于产生相互平行且等间距的三束或多束激光束；

由所述各激光指示器的中心指示器形成的点被显示在所述测位装置的屏幕中央位置；

成像单元，用于获取所述激光束在靶上形成的三点或多点的图像；和

控制单元，它利用所述图像中的三点或多点中相邻点对间的象素数计算其相对于所述靶的位置。

2.一种如权利要求1所述的测位装置，其中，所述控制单元检测所述三点或多个点中相邻点对之间的象素数，并且，若各象素数相同，利用检测到的象素数计算所述靶与成像单元之间的实际距离。

3.一种如权利要求2所述的测位装置，其中，所述靶与成像单元间的实际距离由以下方程式计算：

$L=k\frac{1}{x-b}$

其中L表示所述靶与成像单元之间的实际距离；x表示图像的三点中相邻点对间的象素数之和；k和b是常数。

4.一种如权利要求1所述的测位装置，其中，还包括：

图像处理单元，它通过对所述图像进行过滤而检测所述各点的位置信息，其中所述控制单元利用所述图像处理单元测得的位置信息测量所述相对位置。

5.一种如权利要求1所述的测位装置，其中，所述测位装置被安装在移动式机器人上，用于检测所述移动式机器人与周围物体间的相对位置。

6.一种位置测量方法，其中，所述方法包括如下步骤：

由包含多个激光指示器的激光发生单元产生三束或多束均匀间隔且相互平行的激光束，所述多个激光指示器被放置得使三点或多点位于一条直线上，且由各激光指示器的中心指示器形成的点被显示在所述测位装置的屏幕中央位置；

利用成像单元获得所述激光束在靶上形成的三点或多点的图像；以及

利用上述图像中三点或多点的相邻点对间的象素数计算每束激光与靶间的角度，以及得到上述图像之成像装置与靶间的距离。

7.一种如权利要求6所述的位置测量方法，其中，所述计算步骤包括：

检测所述三点或更多点的各相邻点对之间的象素数；

若所述象素数相同，利用检测到的象素数计算所述靶与成像装置之间的距离。

8.一种如权利要求7所述的位置测量方法，其中，所述靶与成像装置之间的距离由以下方程式计算：

$L=k\frac{1}{x-b}$

其中L表示所述成像单元与靶之间的实际距离；x表示图像的三点中相邻点对间的的象素数之和；k和b是常数。

9.一种如权利要求6所述的位置测量方法，其中，实行所述计算步骤，以便通过过滤所述图像利用检测所述各点的位置信息实现位置测量。

10.一种位置测量方法，其中，所述方法包括如下步骤：

利用成像单元获取由包含多个激光指示器的激光发生单元产生的激光所照射靶的图像，所述多个激光指示器被放置得使三点或多点位于一条直线上，且由各激光指示器的中心指示器形成的点被显示在所述测位装置的屏幕中央位置；和

利用所述图像，相对于移动物体和靶的相对角度和距离测量移动物体的位置。

11.一种如权利要求10所述的方法，其中，实时进行所述移动物体的位置测量。

12.一种装置，包括：

可控发动机，它使所述装置移动；

多个用于产生激光束的激光指示器，它们被放置得使三点或多点位于一条直线上；

由各激光指示器的中心指示器形成的点被显示在所述测位装置的屏幕中央位置；

成像单元，用于获取所述激光束在靶上形成的激光点图像；和

控制单元，它利用所述图像中表示的激光点计算所述装置相对于所述靶的位置，并按照计算的位置控制所述发动机，以使所述装置移动。