CN1697982A - 用于探测障碍、特别用于自主导航的有源电光装置 - Google Patents

用于探测障碍、特别用于自主导航的有源电光装置 Download PDF

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Abstract

一种能够装载于移动地面或飞行单元上的电光系统，其用于确定由关于移动单元相对运动的障碍产生的光流。该系统包括辐射(5)、用于将被物体反射的辐射转换成电信号的接收器装置(1)、以及用于处理由接收器装置产生的信号的装置(8)。接收器装置(1)基于具有矩阵构造的视觉传感器。发射器装置(5，6)以通过物体反射并通过接收器装置收集的辐射撞击接收器矩阵的至少一部分的方式来成形辐射束。处理装置仅对被辐射撞击的接收器矩阵的元素计算光流。

Description

用于探测障碍、特别用于自主导航的有源电光装置
本发明涉及用于探测障碍、特别是用于具有多级自由度的地面移动或飞行单元的自主导航系统的有源电光装置。
具体地，本发明涉及用于基于光流的测量来探测障碍的装置。
自主导航系统的有效性基于它达到空间中的确定位置和/或定向的能力。这种装置的其中一个主要问题包括察觉周围的环境和以及时的方式作出反应。
已经提出了基于光流的测量用于探测障碍的电光装置。光流表示速度，由此元素以不同对比在场景中移动，作为观测者和存在于场景中的物体之间的相对运动的结果。如果认为物体以相对于观测者的相对速度v、并在相对于观测者的正交距离d处移动，则通过速度v和距离d之间的比率给出光流。
因此，光流测量取决于下面的因素：
-分辨率、视场、帧速率和接收装置的灵敏度；
-接收器装置和存在于场景中的物体之间的距离；
-接收器装置和存在于场景中的物体之间的相对速度。
例如在下面的专利文献US 5717792、US 5257209、EP 631109、US 5798796和EP 436213中描述了用于基于光流的测量来探测障碍的电光装置。
用于测量光流的算法典型地应用于无源电光装置中，也就是探测通过不包括在系统中的源(例如太阳、月亮、人造照明系统等)发射并通过场景反射的辐射的装置。为了简化计算，典型地使用少量不同传感器，于其上计算光流。使用由大量的灵敏元件(例如CCD或CMOS视觉传感器)组成的接收器装置将需要大功率的计算单元来执行人工视觉算法。必须注意：由于它包括在可以从几厘米到无穷远变化的距离处定位的物体，所以通过无源视觉传感器看到的场景常常是非常复杂的。因此，场景产生大量的关于存在物体的光流的信息。然后在空间域和频域中必须滤波通过光学传感器获得的场景的视频信息，以减小数据的数量和复杂性。只有在信息已经被方便地处理之后，它才可以用于光流计算。
本发明的目的是提供用于探测障碍的有源电光装置，其允许显著地减小用于执行障碍探测的光流算法的数据的数量。
依据本发明，通过具有在主权利要求中提出的特征的装置获得所述目的。
现在参照附图详细描述本发明，仅是通过非限制性地实例，其中：
图1是示出了依据本发明的装置的工作原理的示意图；
图2是图1的装置的框图；
图3a和3b示意性地示出了场景和依据本发明的装置探测场景的方式的示意图；
图4a、4b、5a、5b、6a、6b、7a和7b是场景和通过依据本发明的装置的一些实施例探测所述场景的方式的示意图；
图8是示出了依据本发明的用于测量相对于运动方向的正向和侧向光流的三个装置的设置的示意图；
图9是利用依据本发明的电光装置的自主导航系统的框图。
图1和图2示出了依据本发明的装置的工作原理。所述装置包括辐射发射器装置5、收集通过位于视场(FOV)中的物体反射的辐射的辐射接收器装置1、以及用于处理由接收器装置1产生的电信号的装置8。辐射接收器装置1例如可以是CMOS或具有像素矩阵构造的CCD光学传感器。辐射发射器装置5例如可以是半导体激光器或具有集中于可视、红外线或紫外线区域中的波长的窄带辐射的LED。通过参考数字7表示由发射器装置5产生的辐射，并且通过数字4表示由存在于视场中的物体反射的辐射。依据本发明的一个特征，以通过接收器装置1收集的反射辐射4仅撞击接收器矩阵的预定部分的方式来成形由发射器装置5产生的辐射束7。
例如，依据本发明的装置可以利用产生矩形形状光束7的柱面透镜6，如此符合使得通过物体反射、并通过图像形成透镜3聚焦在光传感器矩阵之上的辐射撞击单个行(和/或列)的相邻像素或一组相邻的行(和/或列)。可以使用衍射光栅(未示出)与柱面透镜6结合以产生一组矩形束，其相互平行和有角度地隔开，或形成复杂几何图形的射束。
为了使电光装置免受通过背景发射和反射的宽带辐射的损害，该装置可以配备具有窄带的带通光学滤波器2，使得透射比波峰集中于发射器装置5的发射波峰。
通过发射器装置5发射的辐射的强度(并因此通过产生的光束的发射功率)、通过被辐射撞击的物体的反射率和通过接收器装置1的灵敏度来确定有助于被接收器装置1探测的光流的物体的最大距离。
对处理装置8执行光流算法，以确定障碍在场景中相对于移动单元以什么速度发展。
通过接收器装置获得的图像的焦平面的点(x，y)中的两维光流(F.O.)是在方向x和方向y上光流的矢量和，也就是：
F . O . = ( F . O . ) x x ^ + ( F . O . ) y y ^
其中，
Figure A20048000059200072
和 分别是在x和y方向上的相反值。
利用各种数学近似方法(梯度法、基于相关性的方法、空间-时间法等)可以测量光流。具体地，梯度法基于对与获得图像的每个点相关的空间导数Ix(x，y)、Iy(x，y)和时间导数It(x，y)的估计，并基于根据发光度守恒方程的光流分量的计算：
Ix(O.F)x+Iy(O.F.)y+It＝0
在一维光流的情况下，例如如果(O.F.)y＝0，则等式仅将未知的(O.F.)x计算为：
( O . F . ) x = - I t I x
在二维光流的情况下，以允许计算两个分量(O.F.)y和(O.F.)x的迭代技术来求解具有两个未知量的方程。
图3a和3b示出了依据本发明的电光装置的操作的实例。图3a示意性示出了具有在其中存在两个附近的物体的在无穷远处的背景的场景，这两个物体一个具有矩形形状，另一个具有圆形形状。以这种方式获得依据本发明的装置，从而照明接收器装置的视场中单个行的像素。图3a中的条带对应于被发射器装置照明的视场。
图3b示出了通过接收器装置获得的信息。在被发射器装置照明的视场处，接收器装置随着时间探测附近障碍的存在。
处理装置8仅基于被辐射撞击的接收器矩阵的元素(像素)提供的信号来计算光流。在图3示出的实例中，通过物体反射并集中于传感器矩阵上的辐射能够撞击传感器的单个行(像素)或彼此相邻的一束行。
依据本发明的装置允许限定有助于光流计算的物体的最大距离。通过由发射器装置发射的辐射的强度、通过被辐射撞击的物体的反射率和通过接收器装置的灵敏度来确定所述距离。因此可以以这种方式校准依据本发明的装置，从而将有助于测量光流的物体的最大距离限定至预定值。以这种方式，光学滤波关于场景(包括背景)的其它物体的信息。这允许大大地减小用于确定障碍探测的光流的算法执行的数据的数量。换句话说，该系统获得场景的简化信息，其中仅增亮定位在视场的确定部分中(通过发射束的形状限定)并且在通过发射束功率、通过物体的反射率和通过接收器装置的灵敏度来限定的距离范围内部的物体。
在图4a和4b示出的实例中，以通过物体反射并集中于传感器矩阵之上的辐射撞击彼此分离的多行的方式来成形通过发射器产生的辐射束。每一行可以撞击矩阵的单个传感器阵列(像素)或一束相互邻近的传感器。
在图3a和4b示出的实例中，通过物体反射并集中于传感器矩阵之上的辐射撞击单线(图3b)或一组相互平行的线(图4b)，其平行于通过图3b和4b中箭头10指示的运动方向。
可以以通过物体反射并集中于传感器矩阵之上的辐射撞击传感器矩阵的单个列或一束相互邻近的列的方式来成形通过发射器产生的辐射束。在图5a和5b示出的实例中，以通过物体反射并集中于传感器矩阵之上的辐射撞击多个相互分离的列的方式来成形通过发射器产生的辐射束。每列可以撞击传感器的单个阵列或一束相互邻近的传感器阵列。在图5b示出的实例中，集中于传感器矩阵上的辐射也撞击一条或多条线，其平行于通过箭头10指示的主运动方向。
在图6a和6b示出的实例中，集中于传感器矩阵上的辐射撞击依据通常的格栅结构的多个行和多个列。每一行和每一列能够照明传感器矩阵的单个像素阵列或一束相互邻近的像素阵列。在图6b中，行平行于运动方向的第一分量10′，并且列平行于运动方向的第二分量10″。
在图7a和图7b示出的附加实例中，通过物体反射并集中于传感器矩阵上的辐射撞击单独的多条倾斜线，其平行于运动方向10。作为进一步的变形，集中于传感器矩阵上的辐射能够撞击一组斜线，每一条斜线平行于其中一个主运动方向。
也可以以通过物体反射并集中于传感器矩阵之上的辐射撞击一组线束的方式来成形通过发射器产生的辐射，其中每束线相互平行并且并行于其中一个运动分量，同时各束彼此不平行。不同的束可以由同样数量的不同辐射源产生。用于不同束的辐射源可以具有相互不同的峰值波长。此外，通过不同的接收器可以收集不同束的具有不同波长的线。
依据本发明的一个或多个有源电光装置可被用作在自主导航系统中用于探测障碍的装置。图8示出了具有三个电光装置9的系统的实例，所述电光装置用于测量具有以箭头10表示的运动方向的移动单元的两个侧面图的前部区域的光流。在图8的实例中，各个电光装置9的视场不重叠。可替代地，可以以各自的视场相互至少部分重叠的方式来定位装置9。
可将依据本发明的一个或多个电光装置与惯性测量和定位装置集成，以获得用于自主稳定和导航地面移动或飞行平台的集成系统。图9示意性示出了自主导航系统，包括微处理器计算单元14、惯性测量装置11、航向指示(course indicating)装置13、卫星定位装置12和上面描述类型的一个或多个电光装置9。惯性测量装置11可以是具有六个自由度并由其轴在三个正交方向上取向的三个陀螺仪和三个加速计组成的“捷联(strap-down)”类型。航向指示装置13可以采用测量地球磁场的三轴磁力计。卫星定位装置12可以由GPS(或伽利略)接收器和天线组成。
当然，在不改变本发明的原理的情况下，结构细节和实施例可以相对于在此仅通过举例进行描述和说明的内容发生很大的改变，而不脱离在下面的权利要求中限定的本发明的范围。

Claims (25)

1、一种能够装载于地面移动或飞行单元上的电光系统，其用于确定由关于移动单元相对移动的障碍产生的光流，其特征在于：它包括辐射发射器装置(5)、用于将被物体反射的辐射转换成电信号的接收器装置(1)、和用于处理由所述接收器装置(1)产生的信号的装置(8)，其中所述接收器装置(1)包括具有接收器矩阵构造的至少一个视觉传感器，并且其中所述发射器装置(5，6)使辐射束符合这样一种方式，即通过物体反射并通过接收器装置收集的辐射撞击接收器矩阵的至少一部分，并且其中所述处理装置仅对被辐射撞击的接收器矩阵的元素计算光流。
2、如权利要求1所述的系统，其特征在于：在预定距离范围内确定光流。
3、如权利要求2所述的系统，其特征在于：通过由发射器装置(5)发射的辐射的强度、通过被辐射撞击的物体的反射率和通过接收器装置(1)的灵敏度来确定有助于光流的物体的最大距离。
4、如权利要求1所述的系统，其特征在于：矩阵内部接收器的分布和形状连接至由发射器装置(5)发射的辐射束的形状。
5、如权利要求1所述的系统，其特征在于：它包括具有窄带(2)的带通光学滤波器，其透射率波峰集中于发射器装置(5)的发射波峰处。
6、如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述传感器装置(1)包括CCD或CMOS传感器的矩阵。
7、如权利要求1所述的系统，其特征在于：以通过物体反射并集中于传感器矩阵(1)之上的辐射(4)撞击单个传感器阵列或一束相邻的传感器阵列的方式来成形通过发射器装置(5)产生的辐射束(7)。
8、如权利要求1所述的系统，其特征在于：以通过物体反射并集中于传感器矩阵(1)之上的辐射(4)撞击一组相互分离的行的方式来成形通过发射器装置(5，6)产生的辐射束(7)。
9、如权利要求1所述的系统，其特征在于：以通过物体反射并集中于传感器矩阵(1)之上的辐射(4)撞击一组行束的方式来成形通过所述发射器装置(5，6)产生的辐射束(7)，其中每束的行相互邻近，并且各束彼此分离。
10、如权利要求1所述的系统，其特征在于：以通过物体反射并集中于传感器矩阵(1)之上的辐射(4)撞击单个列或一束相邻的列的方式来成形通过所述发射器装置(5，6)产生的辐射束(7)。
11、如权利要求1所述的系统，其特征在于：以通过物体反射并集中于传感器矩阵(1)之上的辐射(4)撞击多个相互分离的列的方式来成形通过所述发射器装置(5，6)产生的辐射束(7)。
12、如权利要求1所述的系统，其特征在于：以通过物体反射并集中于传感器矩阵(1)之上的辐射(4)撞击一组列束的方式来成形通过所述发射器装置(5，6)产生的辐射束(7)，其中每束的列相互邻近，并且各束彼此分离。
13、如权利要求1所述的系统，其特征在于：以通过物体反射并集中于传感器矩阵(1)之上的辐射(4)撞击单个线或一组平行于主运动方向(10)的相互平行的线的方式来成形通过所述发射器装置(5，6)产生的辐射束(7)。
14、如权利要求1所述的系统，其特征在于：以通过物体反射并集中于传感器矩阵(1)之上的辐射(4)撞击一组每一条均平行于其中一个主运动方向的倾斜线的方式来成形通过所述发射器装置(5，6)产生的辐射束(7)。
15、如权利要求1所述的系统，其特征在于：以通过物体反射并集中于传感器矩阵(1)之上的辐射(4)撞击一组线束的方式来成形通过所述发射器装置(5，6)产生的辐射束(7)，其中每束线彼此平行，并且平行于其中一个运动分量，同时，射束彼此不平行。
16、如权利要求15所述的系统，其特征在于：不同的线束由同样数量的不同辐射源产生。
17、如权利要求16所述的系统，其特征在于：用于不同束的辐射源具有不同的峰值波长。
18、如权利要求17所述的系统，其特征在于：通过不同的接收器收集具有不同波长的不同线束。
19、一种自主导航装置，其包括依据一个或多个前述权利要求的多个系统，每个系统以不同的空间方向取向、彼此有角度地隔开，从而使各个电光系统的视场不重叠。
20、一种用于探测障碍的装置，其包括依据权利要求1-18的一个或多个的多个系统，每个系统以不同的空间方向取向、彼此有角度地隔开，从而使各个电光系统的视场相互至少部分地重叠。
21、一种用于移动单元的防撞系统或自主导航系统，其特征在于：它包括依据权利要求1-18的一个或多个、用于测量光流的电光系统。
22、如权利要求21所述的系统，其特征在于：它包括“捷联”惯性导航装置。
23、如权利要求22所述的系统，其特征在于：惯性导航装置包括三个陀螺仪、三个加速计和/或用作航向指示器和/或卫星定位系统的具有三个轴的磁力计。
24、如权利要求1所述的电光系统，其中在利用VLST(超大规模集成电路)技术的处理器上执行用于确定光流的算法。
25、如权利要求1所述的电光系统，其特征在于：它包括用于测量障碍的距离的光学装置。
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