CN202158851U - 一种单摄像头测距系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单摄像头测距系统，它包括摄像头，摄像头将场景成像信息转为图像数据并传输至控制器；摄像头安装在摄像头底座上，摄像头底座与直线轨道配合连接，摄像头底座上设置有一圆轴；拨动连杆一端设置有长方形槽，长方形槽套设在摄像头底座的圆轴上；拨动连杆的另一端固定在舵机的转动轴上；舵机实现平移摄像头的位置；控制器完成对摄像头图像数据信息的采集和存储，控制舵机带动摄像头移动；控制器与一通信接口进行信息交互，通信接口完成电平转换，控制器通过通信接口连接外部通信电路。本实用新型能通过单个可移动式摄像头就能实现原来两个摄像头所达到的测距效果，可以广泛应用于测距系统中。

Description

一种单摄像头测距系统

技术领域

本实用新型涉及一种测距系统，特别是关于一种单摄像头测距系统。

背景技术

立体视觉传感器在工业检测、物体识别、机器人自导引及军事等很多领域有广泛的应用，尤其是双目视觉传感器。目前，常用的双目机器视觉系统基本上是采用两个视轴平行或固定角度的摄像机来完成图像的采集。这种方式具有结构简单、测量速度快、测量和匹配的精度高等优点。但是这种系统在进行测量之前，需要对摄像机进行严格的参数标定。

如图1、图2所示，由Gary Bradski，Adrian Kaehler编著的《Learning OpenCV》中所指出的现有双摄像头测距系统：其中两个摄像头在数学上完全平行放置，其主要参数为：O_l是左摄像头，O_r是右摄像头，P为目标点，f为焦距，d为视差，T_x为摄像头水平方向间距(mm)，C_x为左侧采用图像中P点的X轴像素坐标，C_y左侧采用图像中P点的Y轴像素坐标，C′_x为右侧采用图像中P点的X轴像素坐标，C′_y为右侧采用图像中P点的Y轴像素坐标，Z为目标点P距摄像头的距离，图像左上角为坐标原点(如图2所示)。利用相似三角形原理进行坐标计算，其表达式如Q矩阵所示：

$Q=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -C_x\\ 0& 1& 0& C_y\\ 0& 0& 0& f\\ 0& 0& \frac{-1}{T_x}& \frac{C_x-C_y^{\′}}{T_x}\end{array}\right],$ $Q\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ d\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}x-C_x\\ y-C_y\\ f\\ \frac{-d-C_x-C_x^{\′}}{T_x}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\\ W\end{array}\right],$

则空间中某点的三维坐标就是(X/W，Y/W，Z/W)，进而可以得到目标点P距摄像头的距离Z为：

$Z=\frac{-T_{x}f}{d-(C_x-C_x^{\′})},$

其中，Z为目标点P距摄像头的距离；Z的量纲与T_x相同；T_x为两个摄像头水平方向间距(mm)；一般总是毫米，为了精度提高也可以设置为0.1毫米量级；f为焦距f的量纲是像素点；d为视差，d＝x_l-x_r，d的量纲是像素点数，即为摄像头水平方向间距所对应的像素点数；C_x为左侧采用图像中P点的X轴像素坐标；C′_x为右侧采用图像中P点的X轴像素坐标。

由此可知，双摄像头测距系统存在以下几个缺点：双摄像头成本高，两个摄像头参数一致性(比如焦距)要经严格筛选，双摄像头测距系统构成复杂(控制器要完成对两个摄像头图像数据的读取)，功能扩展困难(如自动变焦测距时，不易保证两个摄像头的变焦参数一致)，以及两个摄像头要多消耗电能等。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种成本较低，通过单个可移动式摄像头就能实现原来两个摄像头所达到的测距效果，克服了两个摄像有参数校准困难的单摄像头测距系统。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种单摄像头测距系统，其特征在于：它包括一控制器、一舵机、一拨动连杆、一直线轨道、一摄像头底座和一摄像头；所述摄像头将成像信息转为图像数据并传输至所述控制器；所述摄像头安装在所述摄像头底座上，所述摄像头底座与所述直线轨道配合连接，所述摄像头底座上设置有一圆轴；所述拨动连杆一端设置有长方形槽，所述长方形槽套设在所述摄像头底座的圆轴上；所述拨动连杆的另一端固定在所述舵机的转动轴上；所述舵机实现平移所述摄像头的位置；所述控制器完成对所述摄像头图像数据信息的采集和存储，控制所述舵机带动所述摄像头移动；所述控制器与一通信接口进行信息交互，所述通信接口完成电平转换，所述控制器通过所述通信接口连接外部通信电路。

所述拨动连杆一端的长方形槽的宽度大于所述摄像头底座上的圆轴直径。

所述控制器采用由可编程器件和存储器构成，所述可编程器件与所述存储器进行信息交互。

所述可编程器件采用xilinx Spartant 3E 500系列的XC3S500E-4PQG208C。

所述存储器采用IS61WV51216。

所述控制器采用单片机。

所述单片机采用Freescale MC9S12XS128型号的单片机。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型由于采用由控制器、舵机、拨动连杆、直线轨道、摄像头底座和摄像头构成的测距系统，摄像头通过摄像头底座与直线轨道相配合，拨动连杆一端与摄像头底座连接，另一端与舵机连接，由控制器控制舵机，进而实现摄像头进行平移，因此，实现了通过单个可移动式摄像头就能实现原来两个摄像头所达到的测距效果。2、本实用新型由于采用单个摄像头代替原有的两个摄像头进行测距功能，解决了单个摄像头无法测距的问题，大大节约了成本。3、本实用新型由于采用单个摄像头即能实现两个摄像头才可以达到的测距效果，因此，进一步克服了两个摄像头参数校准困难的问题。本实用新型可以广泛应用于测距系统中。

附图说明

图1是现有技术中双摄像头测距系统的俯视图；

图2是现有技术中双摄像头测距系统的立体图；

图3是本实用新型的整体结构示意图；

图4是本实用新型的摄像头底座与直线轨道连接示意图；

图5是本实用新型的控制器与摄像头、舵机和通信接口电连接结构示意图；

图6是本实用新型的工作过程示意图；

图7是本实用新型的单摄像头测距方法流程示意图；

图8是本实用新型实施例一中控制器采用FPGA的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型采用一个可移动式的摄像头代替两个固定式摄像头，实现对物体进行测距功能。下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

如图3所示，本实用新型包括一摄像头1、一摄像头底座2、一直线轨道3、一拨动连杆4、一舵机5和一控制器6。

摄像头1完成场景成像，将成像信息转为图像数据，并将图像数据传输到控制器6。摄像头1安装在摄像头底座2上，摄像头底座2与直线轨道3配合连接(如图4所示)，摄像头底座2上设置有一圆轴(图中未示出)。直线轨道3上设置有与摄像头底座2相配合使之不易脱出又能实现平移的凹凸配合结构，直线轨道3的长度与摄像头1平移的距离T_x相对应，使之满足摄像头1平移的距离T_x的要求。

拨动连杆4采用长方形拨动连杆，其一端部设置有长方形槽，长方形槽的宽度与摄像头底座2上的圆轴直径略大，使得长方形槽刚好能套在摄像头底座的圆轴上，并能活动。长方形槽的长度与摄像头1平移的距离T_x相对应，使之满足摄像头1平移的距离T_x的要求。拨动连杆4的另一端固定在舵机5的转动轴上，当舵机5的转动轴转动时，拨动连杆4跟着转动，进而带动摄像头1沿着直线轨道3平行移动。

舵机5实现平移摄像头1的位置。当舵机5的转动轴转动时，通过拨动连杆4的拨动，摄像头1沿着直线轨道3平行移动，达到平移的距离T_x。

如图5所示，控制器6完成对摄像头1图像数据信息的采集和存储，并控制舵机5带动拨动连杆4在直线轨道3内移动，进而带动摄像头1移动，完成对目标物体测距相关计算和通信。控制器6还与一通信接口7进行信息交互，通信接口7完成电平转换，控制器6通过通信接口7可以连接外部各种型式的通信电路(如红外通信电路、蓝牙通信电路、无线射频通信电路等)，完成本实用新型的单摄像头测距系统与其他系统(应用测距结果的系统)的数据通信。

本实用新型在使用时，如图6所示，其中实线为被测目标起始点O_l点状态，虚线为被测目标终点O_r点状态，通过舵机5保持摄像头1平行移动，分别采集O_l点和O_r点处图像，从而达到两个摄像头测距的效果。摄像头1通过水平移动位置，会在O_l点先采集图像l，通过图像识别得到C_x；再通过舵机5平移摄像头位置T_x，将摄像头1移动到O_r再采集图像r，通过图像识别得到C′_x，最后综合处理图像l和图像r，用摄像头1的焦距f、平移摄像头位置T_x和视差d，计算出物体P与摄像头1平移线的垂直距离Z。

如图7所示，根据本实用新型的单摄像头测距系统，本实用新型的单摄像头测距方法包括如下步骤：

1)首先初始化本实用新型的单摄像头测距系统；

2)由控制器6输出控制信号，控制舵机5运行，使摄像头1移动至被测目标起始点O_l点后，摄像头1进行图像采集；

3)摄像头1将采集到的图像数信息发送至控制器6内，控制器6对采集到的图像进行处理，确定目标点，并保存目标点坐标；

4)舵机5在控制器6的控制下再次运行，使摄像头1移动至被测目标终点O_r点后，摄像头1再次进行图像采集，并将图像信息发送至控制器6内；

5)控制器6对步骤4)中的图像信息处理后，去除干扰信息，确认目标点，并获取该目标点坐标；

6)由步骤3)和步骤5)两次获得的目标点坐标值，计算得到目标位置距离数据，并根据需要由控制器6经通信接口7将目标位置距离数据输出结果。

上述各步骤中，需要O_l、O_r两点在三维空间内保持水平，安装直线轨道3时要保证摄像头1水平，根据舵机5的角度调整摄像头1的位置，来改变O_l、O_r两点间的距离d，做到视距的调整。

下面通过具体实施例对本实用新型作进一步的描述。

实施例一：

如图8所示，本实用新型的控制器6采用由FPGA(可编程器件)8和存储器9构成，FPGA8与存储器9进行信息交互。通过FPGA8控制摄像头1采集图像，并将图像发送至存储器9内储存，FPGA8输出舵机5控制信号，控制舵机5及摄像头1位置平移T_x，摄像头1再次进行图像采集，FPGA8控制存储器9储存图像，并处理两幅图像及计算出目标点位置距离的数据，再通过通信接口输出结果数据。

在本实施例中，FPGA8采用xilinx Spartant 3E 500系列的XC3S500E-4PQG208C，存储器9采用IS61WV51216，摄像头采用C3188a(图像大小为664*492)，通信接口7的电平转换采用MAX3232。

实施例二：

本实用新型的控制器6采用由单片机构成。单片机采用FreescaleMC9S12XS128或其它型号的单片机，摄像头1采用c3188a，通信接口7的电平转换采用MAX3232。

通过单片机控制摄像头1采集图像，并将图像存在单片机内存储器9里，单片机再输出舵机5控制信号，控制舵机5及摄像头1位置平移T_x，摄像头1再次进行图像采集，得到另一图像，单片机控制存储器9储存该图像，单片机处理两幅图像及计算出目标点位置距离的数据，再通过通信接口输出结果数据。

在本实施例中，将一目标P放到距摄像头1的15cm处。设舵机5位移后摄像头1平行间距为50mm，即T_x＝50mm；视差d与选取的摄像头1的参数及摄像头1移动间距有关，为一定值，根据所采用的摄像头c3188a所得到d＝-141.73；焦距f＝6mm；根据O_l先采集图像1，测得目标点P坐标为(220，100)，在O_r点测得目标点P坐标为(280，100)。则由现有目标点P距摄像头的距离Z的公式可以得到：

$Z=\frac{-T_{x}f}{d-(C_x-C_x^{\′})}=149\mathrm{mm}.$

由此可知，其精确度与机械安装及设备参数有关。

上述各实施例仅用于说明本实用新型，各部件的结构和连接都是可以有所变化的，在本实用新型技术方案的基础上，凡根据本实用新型原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种单摄像头测距系统，其特征在于：它包括一控制器、一舵机、一拨动连杆、一直线轨道、一摄像头底座和一摄像头；所述摄像头将成像信息转为图像数据并传输至所述控制器；所述摄像头安装在所述摄像头底座上，所述摄像头底座与所述直线轨道配合连接，所述摄像头底座上设置有一圆轴；所述拨动连杆一端设置有长方形槽，所述长方形槽套设在所述摄像头底座的圆轴上；所述拨动连杆的另一端固定在所述舵机的转动轴上；所述舵机实现平移所述摄像头的位置；所述控制器完成对所述摄像头图像数据信息的采集和存储，控制所述舵机带动所述摄像头移动；所述控制器与一通信接口进行信息交互，所述通信接口完成电平转换，所述控制器通过所述通信接口连接外部通信电路。

2.如权利要求1所述的一种单摄像头测距系统，其特征在于：所述拨动连杆一端的长方形槽的宽度大于所述摄像头底座上的圆轴直径。

3.如权利要求1或2所述的一种单摄像头测距系统，其特征在于：所述控制器采用由可编程器件和存储器构成，所述可编程器件与所述存储器进行信息交互。

4.如权利要求3所述的一种单摄像头测距系统，其特征在于：所述可编程器件采用xilinx Spartant 3E 500系列的XC3S500E-4PQG208C。

5.如权利要求3所述的一种单摄像头测距系统，其特征在于：所述存储器采用IS61WV51216。

6.如权利要求1或2所述的一种单摄像头测距系统，其特征在于：所述控制器采用单片机。

7.如权利要求6所述的一种单摄像头测距系统，其特征在于：所述单片机采用Freescale MC9S12XS128型号的单片机。

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