SE523318C2 - Kamerabaserad avstånds- och vinkelmätare - Google Patents

Description

25 30 523 318 2 | ø c | no så åtgärder för att kontinuerligt bestämma avstånden reflektorerna och en referenspunkt på fordonet.

Användningen av en laser eller annan ljuskälla för att skapa en stråle som sveps över ett arbetsområde begränsar fordonets konstruktionsmöjlig- heter, eftersom ljuskällan inte bör täckas i någon riktning av föremål på for- donet. Den laseranordning som används i tidigare kända system kräver van- ligtvis ett komplicerat system speglar för att svepa runt strålen. Ett problem som föreligger med systemet speglar är att många rörliga delar används.

UPPFINNINGEN I SAMMANFATTNING Ett syfte med föreliggande uppfinning är att undanröja de problem och nackdelar som nämnts ovan. I enlighet med uppfinningen har åstadkommits en metod och en anordning för bestämning av ett vinkelläge hos en reflektor i förhållande till en vinkelreferensposition. Uppfinningen kan generellt använ- das för bestämning av ett fordons position. I synnerhet kan uppfinningen an- vändas i ett system för navigering av förarlösa fordon. l enlighet med uppfinningen upptas en bild av ett arbetsområde. En enkel och snabb algoritm bearbetar bilden för att i hög grad begränsa den mängd data som erfordras för utvärderingen av bilden. lntensitetsvärden hos bildelement i vertikala bildremsor adderas till uppsättningar kolumnsummor.

En hög summa indikerar förekomst av en reflektor i ett vinkelläge, som mot- svarar en remsa eller en uppsättning intilliggande remsor. Ett mycket exakt värde på vinkelläget till reflektorn kan bestämmas genom beräkning av tyngdpunkten hos de intilliggande remsor som är relaterade till en reflektor.

Genom användning av tyngdpunktsberäkning är det möjligt att uppnå nog- grannhet som överstiger bredden hos ett bildelement.

Genom användning av reflektorer med förutbestämd vertikal utsträck- ning är det också möjligt att beräkna avståndet från en referensposition till reflektorn. En metod för beräkning av avståndet innefattar åtgärderna att be- räkna antalet konsekutiva bildelement i en kolumn, eller vertikal remsa, med intensitetsvärden överstigande ett förutbestämt tröskelvärde. Antalet sådana 10 15 20 25 30 523 318 3 bildelement motsvarar genom ett icke linjärt förhållande till reflektorns vertika- la utsträckning.

Summorna av intensitetsvärden från varje vertikal remsa lagras före- trädesvis i en första vektor. Antalet element i den första vektorn motsvarar antalet vertikala bildremsor som kan erhållas från en bildsensor, som t ex en CCD-anordning. På liknande sätt samlas antalet bildelement med intensitets- värde överstigande ett förutbestämt värde i en andra vektor. Senare beräk- ningar för bestämning av vinkelläget hos och avståndet till en reflektor utförs sedan på basis av innehållet i nämnda första och andra vektor.

I enlighet med uppfinningen är det möjligt att använda en konventionell CCD-anordning för upptagning av en bild av det arbetsområde i vilket reflek- torerna är anordnade. Beroende på vinkelarbetsområdet hos CCD- anordningen kan det vara lämpligt att anordna en CCD-anordning i varje hörn hos ett fordon för att täcka hela cirkeln 360° runt fordonet.

Företrädesvis används s.k. retro-reflektorer. Sådana reflektorer kom- mer att reflektera en stor del av det infallande ljuset mot Ijuskällaren. Därför är ljuskällan företrädesvis anordnad nära CCD-anordningen.

Ytterligare särdrag och fördelar hos uppfinningen kommer att bli up- penbara genom följande detaljerade beskrivning och efterföljande patentkrav och ritningar.

KORT BESKRIVNING AV RlTNlNGARNA Bättre förståelse för särdrag och fördelar hos uppfinningen kan uppnås genom hänvisning till beskrivningen nedan och bifogade ritningar, på vilka Fig. 1 är en vy ovanifrån av ett förarlöst fordon i enlighet med ett utförande av uppfinningen, Fig. 2 är en sidovy av fordonet i Fig. 1, Fig. 3 är ett översiktligt kretsschema som visar ett utförande av en kolumn- summeringsdel hos uppfinningen, 10 15 20 25 30 523 318 ~ 4 Fig. 4 är ett diagram som visar resultatet av additionen i Fig. 3 i ett seg- ment av den upptagna bilden.

Fig. 5 är ett översiktligt blockschema som visar ett utförande av en tröskel- värdes- och additionsdel hos uppfinningen, Fig. 6 är ett diagram som visar resultatet av additionen enligt Fig. 5 i ett segment hos den upptagna bilden, och Fig. 7 är ett översiktligt blockschema som visar ett utförande av lämplig hårdvara i enlighet med uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING I det utförande som visas i Fig. 1 innefattar ett förarlöst fordon (AGV) 10 en drivenhet 11 och en lyftgaffel 12. Drivenheten 11 innefattar de elektro- niska och hydrauliska organ som erfordras för att manövrera lyftgaffeln.

Drivenheten 11 är rektangulär och i varje hörn är anordnat ett bildavkännan- de organ 13, som tex en CCD-kamera. Kamerornas 13 bildvinkel är ungefär 90°, som indikeras genom streckade linjer. Var och en av kamerorna 13 är förbunden med bildbehandlingsorgan 14, som ytterligare kommer att beskri- vas med hänvisning till Fig. 3 - 6. Bildbehandlingsorganet 14 är operativt för- bundet med beräkningsorgan 15, som t ex en dator.

Det förarlösa fordonet 10 är utfört att arbeta i ett arbetsområde. På väggar 16, som omger arbetsområdet, och på andra lämpliga föremål inuti arbetsområdet är anordnade ett flertal reflektorer 17. Reflektorerna 17 är fö- reträdesvis s.k. retro-reflektorer, dvs de reflekterar ljus effektivt i riktning mot en ljuskälla. Reflektorerna har företrädesvis mindre utsträckning horisontellt än vertikalt, som framgår av Fig. 2.

Riktningen mot en reflektor 17 definieras i förhållande till en referens- riktning D på fordonet. Som framgår av Fig. 1 definieras en vinkel or mellan referensriktningen D och riktningen till en reflektor 17.

Som framgår av Fig. 2 är kamerorna 13 monterade i en vertikalt låg position. Om det förarlösa fordonet 10 uppbär last 18, som indikeras genom prickstreckade linjer, kommer en låg position hos kamerorna att medge fri 10 15 20 25 30 523 318 5 - - - » n sikt under lasten. Det är också möjligt att arrangera kamerorna 13 på en an- nan vertikal position samt tätare tillsammans, för att på så sätt åstadkomma en mer komplett synvinkel.

Varje reflektor 17 har en väl definierad vertikal höjdutsträckning, vilket kan användas för att bestämma avståndet mellan reflektorn och det förarlösa fordonet 10, som kommer att beskrivas utförligare nedan. Kamerorna 13 alst- rar en videosignal, vilken utgör insignal till en krets som visas i Fig. 3 och Fig. 5. Videosignalen omvandlas i en analog-digitalomvandlare 19 för att åstad- komma en digital signal för vidare behandling. Det ska noteras, att också di- gitala kameror kan användas. I sådana fall kan omvandlaren 19 utgå. Om en PAL-videosignal används, innefattar Videosignalen 625 linjer och varje bild uppdateras 25 gånger per sekund. l en NTSC-videosignal finns 525 linjer, vilka uppdateras 30 gånger per sekund. För att erhålla vertikala remsor av den bild som uppfattats av videokamerorna 13 är det möjligt att använda en bildfångare för att producera en bild som innehåller 512x512 bildelement. En linje hos Videosignalen varar 52 us. Det finns ett behov av 512 mätpunkter över varje linje. Varje mätpunkt över en linje motsvarar ett bildelement.

Analog-digitalomvandlaren 19 är operativt förbunden med en adderare 20, vilken i sin tur är operativt förbunden med ett första minnesorgan 21. ln- tensitetsvärdet i varje position hos en matris som omfattar 512x512 bildele- ment adderas till motsvarande intensitetsvärden hos andra linjer i bilden.

Följaktligen åstadkoms en vektor, varvid varje element i vektorn innehåller summan av intensitetsvärdena hos en vertikal remsa i bilden. Hela bildinfor- mationen kondenseras till en en-dimensionell vektor. De positioner i den en- dimensionella vektorn som motsvarar en vertikal remsa hos bilden av en re- flektor kommer att ha ett högre kolumnsummavärde CS än andra vertikala remsor. En hög kolumnsumma CS indikerar följaktligen närvaro av en reflek- tor i en riktning som motsvarar positionen för elementet i vektorn.

Fig. 4 är ett diagram, som visar kolumnsumman CS hos ett segment i bilden från bildelementposition (PP) 250 till bildelementposition 270. I ungefär 10 bildelementpositioner, från 253 till 263, föreligger en topp i kolumnsum- man. Toppen indikerar närvaro av en reflektor i ett vinkelläge som motsvarar dessa bildelementpositioner PP. Toppens bredd illustrerar att bredden för en 10 15 20 25 30 523 318 6 a a n o | ao reflektor överskrider bredden av ett bildelement. Detta är naturligtvis också relaterat till avståndet mellan reflektorn och kameran 13. Genom beräkning av tyngdpunkten hos toppen, som visas i Fig. 4, är det möjligt att bestämma vinkeln till reflektorn med en upplösning som överskrider bildelementupplös- ningen. Genom att utföra reflektorerna i form av en parallelltrapets med hori- sontella baser, som visas i Fig. 2, och därigenom minska den taggighetsef- fekt som finns inbyggd i diskreta bildelementkameror, som tex CCD- försedda kameror, kan upplösningen ytterligare ökas.

Bildelementpositionen, eller rättare sagt tyngdpunktsläget, hos toppen i enlighet med Fig. 4 motsvarar ett vinkelläge hos en reflektor i förhållande till fordonets referensriktning D. För kameror med en bildvinkel som inte innefat- tar referensriktningen D kan en vinkelförskjutning O användas. Kretsen i Fig. 3 kommer att åstadkomma en första vektor. På basis av den första vektorn kan beräkningsorganet 15 med hög noggrannhet beräkna vinkeln mellan re- ferensriktningen D hos fordonet och reflektorn.

Kretsen i Fig. 5 kommer också att åstadkomma en vektor, liknande den vektor som åstadkoms av kretsen i Fig. 3. Videosignalen omvandlas i analog-digitalomvandlaren 19, och alla därpå följande beräkningar baseras på digitala värden av bildintensiteten i varje bildelement. Ett tröskelvärde motsvarande ett förväntat intensitetsvärde från en reflektor lagras i ett trös- kelvärdesminne 22. Varje intensitetsvärde i digital form för ett bildelement jämförs i ett komparatororgan 25 med det värde som finns lagrat i tröskelvär- desminnet 22. Om det inkommande intensitetsvärdet överskrider tröskelvär- det, ökas innehållet i det vektorelementet med ett i en andra additionskrets 23. Det nya summerade värdet lagras i ett andra minnesorgan 24. Resultatet från kretsen i Fig. 5 kommer att behandla intensitetsvärden hos en Videosig- nal för att åstadkomma en andra vektor till resultat. Varje element i vektorn innehåller det beräknade antalet bildelement i en vertikal kolumn som har ett intensitetsvärde som överskrider det i tröskelvärdesminnet 22 lagrade trös- kelvärdet.

Diagrammet i F ig. 6 visar innehållet i ett segment hos den vektor som åstadkommits genom kretsen i Fig. 5. Segmentet av bildelementpositioner PP från ungefär 253 till ungefär 263 indikerar närvaro av en reflektor i mot- 10 15 20 25 30 523 318 7 se a | a u aa svarande vinkelläge. Diagrammet visar att antalet bildelement med intensi- tetsvärden som överskrider tröskelvärdet är 70. Antalet sådana bildelement indikerar avståndet till reflektorn, eftersom antalet indikerar höjden hos reflek- torn, sådan den är synlig från kameran 13.

Förhållandet mellan antalet bildelement i vektorn och avståndet mellan reflektorn och kameran kan uttryckas genom följande ekvation. ph = k * atanvqí/Z) X där ph = reflektorns höjd I antal bildelement h = reflektorns geometriska höjd i meter x = avståndet mellan reflektor och kamera k = optisk konstant l ett exempel bestämdes den optiska konstanten k till att vara 1180. Av- ståndet beräknades med acceptabel noggrannhet upp till ungefär 25 m med användning av en 0,75 m lång reflektor. Det torde vara möjligt att mäta större avstånd genom förbättring av ljusförhållandena under mätningsförloppet.

Fig. 7 visar ett mer detaljerat schema över en hårdvara som kan an- vändas i samband med utnyttjande av uppfinningen. Videosignalen från ka- merorna 13 används som insignal till analog-digitalomvandlaren 19, som be- skrivits ovan. Videosignalen leds också till en synksignalavskiljare 26 för lin- je- och delbildsynkpulssignaler. l separatorn 26 avskiljs både linjesynkpulser- na och delbildsynkpulserna från videosignalen. Synksignalerna används i olika element hos hårdvaran för styrning av bildbehandlingen. Videosignalen används också för att alstra en låssignal, som används av analog- digitalomvandlaren 19. Ett synkroniseringsorgan 27 används för att synkroni- sera kamerorna och andra komponenter hos hårdvaran. Synkroniseringsor- ganet är operativt förbundet med separatorn 26. Omvandlaren 19 omvandlar den analoga signalen från kameran 13 till ett 8 bitar långt digitalt ord. Vid bör- jan hos varje linje låses svartnivån hos videosignalen med en låssignal.

Den digitala signalen förs till ett jämförande och adderande organ 28.

Vid det jämförande och adderande organet 28 jämförs intensitetens digitala 10 15 20 25 30 523 318 n n a n n eo 8 värde med ett tröskelvärde. Om det digitala intensitetsvärdet är större, dvs. om det mätta bildelementet är ljusare än tröskelvärdet, uppräknas en acku- mulerad tröskelvärdessumma med ett för den vektorpositionen. Den digitala signalen förs också till en adderare 29, vilken summerar alla de digitala in- tensitetsvärden som är relaterade till en vertikal remsa hos bilden.

Det uppräknade antalet ljusa bildelement leds till ett första FIFO-minne 30 genom en första låskrets 31. F lFO-minnet (First ln First Out) kräver ingen adressbuss. Istället sker läsning och skrivning i minnet genom en puls och en klockingång. Ett F IFO-minne är en lämplig form av minne i tidskritiska till- lämpningar, såsom i föreliggande fall.

På motsvarande sätt förs resultatet av additionen av intensitetsvärden i adderaren 29 till ett andra FIFO-minne 32 genom en andra låskrets 33. Den första och den andra låskretsen används för att hålla kvar informationen och på så sätt möjliggöra för nästa enhet att läsa informationen.

En utgång hos det första F lFO-minnet 30 är förbundet med en tredje låskrets 34, och på liknande sätt är en utgång hos det andra FlFO-minnet 32 förbundet med en fjärde låskrets 35. Den tredje och fjärde låskretsen an- vänds också för återställning under den första linjen hos bilden, då något ac- kumulerat värde inte ska adderas.

Flera element hos hårdvaran kräver en tidsstyrningssignal. l det i Fig. 7 visade utförandet används en krets 36 av typen ändlig tillståndsmaskin. Tids- styrningen kan delas upp i tre partier. Ett första parti avser den linje som för närvarande behandlas, ett andra parti avser positionen på linjen och ett tred- je parti styr alstringen av styrsignaler. Det torde noteras att videosignalen också innehåller redundant bildinformation. Den relevanta informationen star- tar några få linjer från bildens topp och informationen vid varje linje startar på något avstånd från synkroniseringssignalen.

Två särskilda tidsstyrningssituationer uppkommer. Under bildens första linje ska ingen information läsas från det första FIFO-minnet 30 och det andra FIFO-minnet 32. I dessa fall ska inkommande digitala bilddata adderas till noll och resultatet av additionen lagras i ett FIFO-minne bildelement för bildelement. Ett andra problem är att hantera bildens sista linje. Den fullstän- 10 15 20 25 30 a u n Q u diga vektorn förs då in i det första och det andra tvåportars minnesorganet 21, 24.

Beräkningsorganet 15 innefattar väsentligen två element. Ett första element är en mikroprocessor 37, vilken i ett praktiskt utförande är en krets av typen Motorola 68332. Mikroprocessorn 37 är operativt förbunden med det första minnesorganet 21 och det andra minnesorganet 24 för behandling av innehållet i minnena. Mikroprocessorn 37 är också operativt förbunden med bildbehandlingsorganet 14 för att ta emot avbrottssignaler och statusin- formation, tex från den ändliga tillståndsmaskinen 36.

Det första minnesorganet 21 innehåller en första vektor, varvid varje element däri innehåller antalet bildelement i varje kolumn som är ljusare än ett tröskelvärde. Det andra minnesorganet 24 innehåller en andra vektor, varvid varje element däri innehåller summan av intensiteterna i varje kolumn.

På basis av dessa vektorer kan mikroprocessorn 37 beräkna relevanta vin- kellägen och avstånd till reflektorerna.

Ett externt styrregister 38 är operativt förbundet med mikroprocessorn 37. Det externa styrregistret 38 alstrar styrsignaler till olika komponenter hos bildbehandlingsorganet 14. En styrsignal kan innefatta det tröskelvärde som används i det jämförande och adderande organet 38.

Detekteringen av de retroreflektiva reflektorerna 17 underlättas om en ljuskälla anordnas i närheten av varje var och en av kamerorna 13. Det är önskvärt att denna inte stör omgivningen och därför kan våglängderna hos ljuset från ljuskällan ligga intill eller nära det infraröda området, där det mänskliga ögat har låg känslighet. Ljuskällan kan vara en stroboskoplampa eller ett flertal seriekopplade infraröda dioder. Vanligtvis är kameran försedd med en elektronisk slutare, som är öppen under ett kort tidsintervall (t ex 1/1000 s). Den korta öppna tiden hos slutaren gör det möjligt att öka ström- men genom dioderna under det korta tidsintervallet.

Den infraröda ljuskällan är synkroniserad med kameran genom att an- vända kamerans delbildsynkroniseringspuls. Företrädesvis upptas en sepa- rationssignal från separatorn 26.

Till följd av den relativt stora bildvinkel som erfordras skapar de flesta linser en förvrängning av den upptagna bilden. Även om de ovan beskrivna 10 523 318 'f " 10 evalueringsalgoritmerna fortfarande gäller, ska anordningen icke desto mind- re kalibreras för att kompensera för förekommande vinkelfel.

Claims (10)

10 15 20 25 30 523 318 -fi 11 PATENTKRAV

1. Metod för bestämning a vinkelläge hos en reflektor från en fordonsrefe- rensposition i förhållande till en vinkelreferensposition, innefattande åtgärden att arrangera vertikalt utsträckta reflektorer i ett arbetsområde, kännetecknad av upptagning av vertikala bildremsor från fordonets referensposition av åtmin- stone ett horisontellt segment av arbetsområdet, varvid varje bildremsa inne- fattar ett flertal bildelement, summering av intensitetsvärden för bildelement i varje vertikal bildremsa till en uppsättning kolumnsummor, varvid en position i uppsättningen utgör en vinkelreferenspunkt, och bestämning av vinkelläget hos en reflektor som positionen för en toppko- lumnsumma, eller en delsumma av intilliggande toppkolumnsummor i nämn- da uppsättning i förhållande till vinkelreferenspunkten.

2. Metod enligt krav 1, också innefattande åtgärden att beräkna tyngdpunk- ten hos en topp, som bildas av en toppkolumnsumma eller en delsumma av intilliggande toppkolumnsummor, och bestämning av vinkelläget hos en re- flektor som positionen för tyngdpunkten.

3. Metod enligt krav 1, varvid reflektorerna är utförda med förutbestämd verti- kal utsträckning, också innefattande åtgärderna att beräkna antalet konseku- tiva bildelement med intensitetsvärden som överskrider ett förutbestämt in- tensitetsvärde och beräkning av avståndet från referenspositionen till reflek- torn i beroende av antalet konsekutiva bildelement.

4. Metod enligt krav 1, också innefattande åtgärderna att uppta de vertikala bildremsorna med en diskret bildelementkamera och utföra reflektorerna som parallelltrapetser för att minska taggighet som uppkommer i sådana kameror.

5. Metod enligt krav 1, också innefattande åtgärden att kalibrera för sådan bildförvrängning som skapas av kameralinsen. 10 15 20 25 30 523 318 12

6. Metod enligt krav 1, varvid en bild upptas av en kamera, som producerar en analog videosignal, också innefattande åtgärden att extrahera linje- och delbildsynksignaler och intensitetsvärden från videosignalen och överföring av linjesynksignalen till bildbehandlingsorgan för att associera ett intensitets- värde till en specifik vertikal remsa i beroende av en tidsperiod som varat från senaste förekomst av linjesynksignalen.

7. Metod för bestämning av avståndet mellan en reflektor och en referens- position på ett fordon, innefattande åtgärden att arrangera vertikalt utsträckta reflektorer i ett arbetsområde, k ä n n e te c k n a d av anordnande av re- flektorerna med förutbestämd vertikal utsträckning, upptagning av vertikala bildremsor från fordonets referensposition, vilka remsor uppgår till åtminstone ett horisontellt segment av arbetsområdet, varvid varje bildremsa innefattar ett flertal bildelement, beräkning av antalet konsekutiva bildelement med intensitetsvärden över- skridande ett förutbestämt intensitetsvärde, och beräkning av avståndet från referenspositionen till reflektorn i beroende av antalet konsekutiva bildelement.

8. Anordning för bestämning av ett vinkelläge hos en vertikalt utsträckt reflek- tor, som är arrangerad i ett arbetsområde, från en referensposition på ett for- don i förhållande till en vinkelreferensposition, k ä n n e te c k n a d av bildupptagningsorgan för att från fordonets referensposition uppta vertikala bildremsor omfattande åtminstone ett horisontellt segment av arbetsområdet, varvid varje bildremsa omfattar ett bildelement, en adderare för att summera intensitetsvärden för bildelement i vertikala bild- remsor till en uppsättning kolumnsummor, varvid en position i uppsättningen bildar en vinkelreferenspunkt, och beräkningsorgan för bestämning av vinkelläget hos en reflektor som positio- nen för en toppkolumnsumma, eller en uppsättning intilliggande toppkolumn- summor, i uppsättningen i förhållande till vinkelreferenspunkten. 10 15 523 318 13 nu u » ~ u av

9. Anordning enligt krav 8, varvid bildupptagningsorganet är en CCD-kamera.

10. Förarlöst fordon innefattande en anordning för bestämning av ett vinkel- läge hos en i ett arbetsområde vertikalt utsträckt reflektor från en referenspo- sition hos ett fordon i förhållande till en vinkelreferensposition, kännetecknad av bildupptagningsorgan på fordonet för upptagning av från fordonets referens- position vertikala bildremsor uppgående till åtminstone ett horisontellt seg- ment av arbetsområdet, varvid varje bildremsa innefattar ett flertal bildele- ment, en adderare på fordonet för att summera intensitetsvärden hos bildelement i vertikala bildremsor till en uppsättning kolumnsummor, varvid en position i uppsättningen bildar en vinkelreferenspunkt, och beräkningsorgan på fordonet för bestämning av vinkelläget hos en reflektor som positionen för en toppkolumnsumma eller en uppsättning intilliggande toppkolumnsummor i uppsättningen i förhållande till vinkelreferenspunkten.