CN206556590U - 一种基于激光投射技术的移动设备测距装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于激光投射技术的移动设备测距装置，包括带摄像头的移动设备、定制支架和点激光器；所述带摄像头的移动设备通过定制支架与点激光器固定连接；本实用新型基于几何光学原理，可根据两次标定数据与自动提取到的当前激光点位置完成当前目标的距离计算。整个计算过程需要用到的数据包括相机焦距、标定距离、标定激光点坐标和当前激光点的坐标。根据本实用新型完成的设备经测试在4m的测量范围内误差可控制在2mm以内。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种测距装置，具体为一种基于激光投射技术的移动设备测距装置。
背景技术
光测距技术现已广泛应用于测量相关的各行业。测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。然而这种技术的缺陷在于体积大和成本较高。基于图像处理的激光测距技术在近些年也陆续发展起来，在这种技术的实现过程中，激光主要是用于对不同距离的标记。考虑到该技术需要使用到摄像头，基于图像处理的激光测距技术尤其在自带摄像头的移动设备上应用可大幅度降低测距设备生产成本。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于激光投射技术的移动设备测距装置，它能有效的解决背景技术中存在的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于激光投射技术的移动设备测距装置，包括带摄像头的移动设备、定制支架和点激光器；所述带摄像头的移动设备通过定制支架与点激光器固定连接。
进一步，所述点激光器的波长为650nm，显色为红色。
进一步，所述定制支架使得点激光器的投射方向和摄像头的光轴方向存在一定的夹角，夹角约为30度。
进一步，所述点激光器的位置需要与摄像头保持一定的距离，距离约为移动设备的纵向长度。
进一步，所述点激光器由移动设备供电，点激光器的工作电压为3-6V。
进一步，所述点激光器激光束在3m直径内小于2mm。
进一步，所述定制支架与点激光器之间采用螺纹孔固定。
进一步，所述摄像头视场角一般不小于60度。
进一步，所述移动设备的相机焦距典型值为3mm，照片分辨率为1936*2952；移动设备的相机焦距实际值需要通过相机标定算法进行标定。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型基于几何光学原理，可根据两次标定数据与自动提取到的当前激光点位置完成当前目标的距离计算。整个计算过程需要用到的数据包括相机焦距、标定距离、标定激光点坐标和当前激光点的坐标。根据本实用新型完成的设备经测试在4m的测量范围内误差可控制在2mm以内。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构示意图；
图2为本实用新型的系统图；
图3为本实用新型的标定过程；
图4为本实用新型的图像激光点提取的原理；
图5为本实用新型的距离计算方法；
附图标记中：1.移动设备；2.定制支架；3.点激光器；4.摄像头。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1和图2所示，本实用新型装置包含带有摄像头4的移动设备1、定制支架2与点激光器3；定制支架2用于固定带有摄像头4的移动设备1和点激光器3，保证带有摄像头4的移动设备1和点激光器3之间的相对位置不发生改变；定制支架2使得该点激光器3的投射方向和设备摄像头4光轴方向存在一定的夹角，夹角约为30度；一旦两者之间的相对位置发生改变，标定工作需要重新进行。
上述提到的点激光器3采用了波长为650nm的红色激光器，并且由带摄像头4的移动设备1供电，工作电压为3-6V；点激光器3的发散角不能太大，需保证在3m范围内光斑直径小于2mm。
为了使测量效果较好，本实用新型对工作距离和相机的视场大小也做出一些限制；装置工作距离一般在0.2-7m，两次标定工作的距离设置为1m和4m，具体数据需要由高精度测量工具给出；相机视场角不做严格要求，但考虑到实际测量中工作距离的变化可能会造成激光点不在视场范围内，视场角一般不小于60度。
该装置测量原理是将激光点发射器的位置与测量设备的相对位置固定，构成光学测量三角形；进而基于标定的标准距离和激光点的相对位置计算当前目标的距离。
首先需要进行的工作是距离标定；如图3所示，标定工作需要经过两次，分别在不同的位置(即标准平面一和标准平面二)处拍摄包含激光点位置信息的图像；由点激光器3发出的激光光斑经过镜头成像于CMOS图像传感器上，并由CMOS图像传感器完成光电信号转换；标定过程需要手动将图像(即CMOS传感器)中激光点的位置(即PN1和PN2)标记出来；程序将存储两次标定的激光点(PN1和PN2)位置坐标和标定距离(LN1和LN2)，用于后续距离计算。
然后，在距离标定完即可使用该装置进行目标测距，测距过程分成两个部分：激光点位置自动搜索和距离计算。
若从整个图像中自动搜索激光点难度较大，不仅运算时间长，而且图像中的噪声点太多，正确提取激光点位置的概率较低；考虑到激光发射器与设备的相对位置已经固定，根据几何光学的知识，每次测量过程中的激光点位置在图像上表现在同一条直线上，因此在标定两个点所构成直线上搜索激光点即可；当确定好搜索范围后，将图像上的二维信号转化为一维信号；如图4所示，测距过程中，每次的激光点的位置必在标定激光点位置PN1和PN2的连线Lsea上。
首先对一维信号进行高斯滤波，滤波窗口大小与采样频率有关；再根据信号的一阶导数初步确定激光点的位置；由于数字信号为不连续信号，本实用新型采用了差分代替微分的处理；可综合考虑亮度极大值和亮度信号宽度(从差分的窗口中体现)得到一个或者几个准激光点位置；对这一个或者几个准激光点位置的周围信号再次做差分处理，根据二阶导数的幅值(二阶差分近似)对激光点位置进行最终的确定；实验表明，实用该算法搜索激光点的位置，概率近似能达到百分之百。
该工作是在一维信号上做出处理，相对方便，并且定位精度较高；最后由一维信号定位反推出二维图像信号上的激光点坐标，至此完成激光点位置的自动提取。
当完成对当前激光点位置的提取后，需要根据两次标定的数据与此时激光点的坐标计算当前移动设备与目标之间的距离。
如图5所示，根据几何光学的理论，可得到以下推导公式用于当前目标距离的计算：
其中Ln1和Ln2是两次标定的标准距离，(xn1,yn1)和(xn2,yn2)分别为两次标定时激光点的位置坐标，(xc,yc)为光心位置坐标，f为相机焦距；由光学成像系统是针孔模型，成像的过程可看做是点投影的过程；由世界坐标系到图像坐标系的过程无法看做是简单的线性缩放；将两者之间的非线性关系转换为线性关系，需要做几何空间的转换，即上述的计算过程；至此完成了由(xn1,yn1)和(xn2,yn2)向(x'n1,y'n1)和(x'n2,y'n2)的坐标转换。
最后使用两个方向计算得到距离值的平均值用于最终的距离：其中x和y分别为当前激光点的横坐标和纵坐标；所求的Lx和Ly分别表示由横坐标和纵坐标计算得到的当前目标距离。
之所以同时采用横向和纵向坐标来计算的原因是一般相机镜头会有一定的畸变，并且横向与纵向的畸变大小也有所差异；为了消除畸变等因素造成的误差，同时采用两个方向的坐标计算当前目标距离，并去两者的平均值。
最后需要指出的是，计算过程中使用到的相机焦距需要标定，标定方法采用的是张正友棋盘格相机标定方法；相机标定过程需要不少于15张从不同方向不同距离对大小为11*11的棋盘格的拍摄照片；
本实用新型的基于激光投射技术的移动设备测距装置使用点激光器投射的激光斑作为距离的标记，搭配了移动设备自带的相机，完成了对目标距离的精密测量；根据本实用新型实现的测距装置可以在4m的测量范围内保证2mm的测量精度。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种基于激光投射技术的移动设备测距装置，其特征在于：包括带摄像头(4)的移动设备(1)、定制支架(2)和点激光器(3)；所述带摄像头(4)的移动设备(1)通过定制支架(2)与点激光器(3)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光投射技术的移动设备测距装置，其特征在于：所述点激光器(3)的波长为650nm，显色为红色。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光投射技术的移动设备测距装置，其特征在于：所述定制支架(2)使得点激光器(3)的投射方向和摄像头(4)的光轴方向存在一定的夹角，夹角约为30度。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光投射技术的移动设备测距装置，其特征在于：所述点激光器(3)的位置需要与摄像头(4)保持一定的距离，距离约为移动设备(1)的纵向长度。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光投射技术的移动设备测距装置，其特征在于：所述点激光器(3)由移动设备(1)供电，点激光器(3)的工作电压为3-6V。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光投射技术的移动设备测距装置，其特征在于：所述点激光器(3)激光束在3m直径内小于2mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光投射技术的移动设备测距装置，其特征在于：所述定制支架(2)与点激光器(3)之间采用螺纹孔固定。
8.根据权利要求1所述的一种基于激光投射技术的移动设备测距装置，其特征在于：所述摄像头(4)视场角一般不小于60度。
9.根据权利要求1所述的一种基于激光投射技术的移动设备测距装置，其特征在于：所述移动设备(1)的相机焦距典型值为3mm，照片分辨率为1936*2952；移动设备(1)的相机焦距实际值需要通过相机标定算法进行标定。
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| CN201720263394.9U CN206556590U (zh) | 2017-03-17 | 2017-03-17 | 一种基于激光投射技术的移动设备测距装置 |
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| CN201720263394.9U CN206556590U (zh) | 2017-03-17 | 2017-03-17 | 一种基于激光投射技术的移动设备测距装置 |
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Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN206556590U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109143253A (zh) * | 2018-08-17 | 2019-01-04 | 哈尔滨拓思科技有限公司 | 一种激光测距模块及测距方法 |
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2017
- 2017-03-17 CN CN201720263394.9U patent/CN206556590U/zh active Active
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