雙激光標(biāo)定的高精度攝像頭芯片多點(diǎn)測(cè)距裝置的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供了一種雙激光標(biāo)定的高精度攝像頭芯片多點(diǎn)測(cè)距裝置，該激光測(cè)距裝置包括激光器A、激光器B、激光整型模塊、成像透鏡組、攝像頭芯片及DSP處理單元；上述兩個(gè)激光器分別經(jīng)激光整型模塊整型為線束激光；所述兩個(gè)激光器的發(fā)射方向與攝像頭芯片所在平面分別成不同角度；激光器A、激光器B輪流發(fā)射的線束激光照射到前方一定距離目標(biāo)物體表面，發(fā)生漫反射，反射的折線或曲線與當(dāng)前視場(chǎng)角內(nèi)的物體經(jīng)成像透鏡組共同成像于攝像頭芯片上，DSP處理單元對(duì)上述成像圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)角度關(guān)系，求取該角度方向的待測(cè)距離；本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用戶(hù)成本低，可以一次測(cè)量不同距離內(nèi)多個(gè)點(diǎn)的距離，測(cè)距方式快速、靈敏，測(cè)距精度高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
雙激光標(biāo)定的高精度攝像頭芯片多點(diǎn)測(cè)距裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于測(cè)距領(lǐng)域，涉及一種雙激光標(biāo)定的高精度攝像頭芯片多點(diǎn)測(cè)距裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等特征，能大大提高測(cè)量精確 度，被廣泛應(yīng)用在測(cè)距裝置上。激光測(cè)距方法具有原理簡(jiǎn)單、測(cè)量速度快、測(cè)程遠(yuǎn)的特點(diǎn)，目 前，許多室內(nèi)機(jī)器人系統(tǒng)，使用激光測(cè)距裝置作為主要傳感器，用來(lái)畫(huà)圖、定位和避障。
[0003] 傳統(tǒng)的激光測(cè)距方法包括脈沖法、相位法及三角測(cè)量法，脈沖法測(cè)量精度較低，相 位法每次測(cè)距需要的穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，三角測(cè)距法具有較好的應(yīng)用效果生產(chǎn)成本低，是目前 研究的熱點(diǎn)。
[0004] 前面的發(fā)明中已經(jīng)提出單個(gè)激光器與單個(gè)攝像頭芯片組合進(jìn)行測(cè)距的專(zhuān)利，激光 器發(fā)出的線束激光在一個(gè)寬角度范圍內(nèi)呈一字線圖樣，假設(shè)線束激光發(fā)射到前方寬角度范 圍內(nèi)的目標(biāo)物體上，反射的光會(huì)映射為不同的折線線段或曲線線段，由于在發(fā)出的激光線 在目標(biāo)物體上形成的光斑比較固定，那么在攝像頭芯片上成像時(shí)，在不同的距離成像的折 線線段或曲線線段質(zhì)心所在的位置也不同。通過(guò)圖像算法檢測(cè)出來(lái)線束激光在拍攝圖像中 的位置不同，求出線段質(zhì)心位置，按照推導(dǎo)的公式可以求出物體距離，但是在公式推算中， 發(fā)現(xiàn)測(cè)距精度和測(cè)距距離成反比例，二者互相矛盾；如果想獲得近距離測(cè)距，如IOcm處，那 么在中距離，如3m以上的測(cè)距精度已經(jīng)比較差;在遠(yuǎn)距離，如6m處的測(cè)距精度變得很差，誤 差可達(dá)40cm以上。如果希望在5~6m處有很好的測(cè)距精度，即誤差不超過(guò)15cm，那么最近測(cè) 距為80cm以?xún)?nèi)才能滿(mǎn)足測(cè)距精度要求。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型針對(duì)上述技術(shù)存在的缺陷，提供了一種雙激光標(biāo)定的高精度攝像頭芯 片多點(diǎn)測(cè)距裝置，該測(cè)距裝置中包括兩個(gè)激光器，測(cè)距時(shí)兩個(gè)激光器輪流發(fā)射激光，可以一 次測(cè)量不同距離范圍內(nèi)多個(gè)點(diǎn)的距離，而且測(cè)距精度比較高；本實(shí)用新型測(cè)距裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，用戶(hù)成本低;測(cè)距方式快速、靈敏，測(cè)距范圍大，在通信、航空、智能家居等測(cè)距領(lǐng)域有很 高的應(yīng)用價(jià)值。
[0006] 本實(shí)用新型是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種雙激光標(biāo)定的高精度攝像頭芯片多 點(diǎn)測(cè)距裝置，該測(cè)距裝置包括激光器A、激光器B、激光整型模塊、成像透鏡組、攝像頭芯片及 DSP處理單元;所述激光器A、激光器B分別經(jīng)兩套激光整型模塊整型為線束激光，激光器A、 激光器B的發(fā)射方向與攝像頭芯片所在平面分別成不同的角度，激光器A、激光器B到攝像頭 芯片中心的距離不同；DSP處理單元控制激光器A、激光器B輪流發(fā)射激光，由于激光器A、激 光器B到攝像頭芯片中心的距離及角度不同，因此這兩個(gè)激光器的測(cè)距范圍也不同；測(cè)距過(guò) 程為:激光器A或激光器B經(jīng)過(guò)激光整型模塊發(fā)出的線束激光照射到前方一定距離范圍內(nèi)的 目標(biāo)物體表面，發(fā)生漫反射，反射的光會(huì)映射為不同的折線線段或者曲線線段，上述反射的 折線線段或曲線線段與當(dāng)前視場(chǎng)角內(nèi)的其他物體經(jīng)成像透鏡組共同成像于攝像頭芯片上； DSP處理單元采集到上述成像的折線線段或者曲線線段，而后根據(jù)角度關(guān)系，可以求取該角 度方向的待測(cè)距離;另外一個(gè)激光器重復(fù)上述測(cè)距過(guò)程完成測(cè)距。
[0007] 所述的激光整型模塊分別安裝在所述激光器A和激光器B后端，用于將點(diǎn)束激光整 型為線束激光;激光整型模塊包括但不限于成型透鏡組、振動(dòng)片或旋轉(zhuǎn)棱鏡。
[0008] 所述的成像透鏡組進(jìn)一步包括一濾光片；濾光片安裝在所述成像透鏡組前端，用 以濾掉特定波長(zhǎng)的光并透過(guò)另一段特定波長(zhǎng)的光。
[0009] 所述的測(cè)距裝置進(jìn)一步包括一基座，所述的激光器A、激光器B、成像透鏡組、攝像 頭芯片及DSP處理單元固定在該基座上。
[00? 0]所述激光器A到所述攝像頭芯片中心的距離范圍為3cm~9cm;
[0011 ]所述激光器B到所述攝像頭芯片中心的距離范圍為I cm~5cm;
[0012] 所述激光器A的測(cè)距范圍為Im~I Om;
[0013] 所述激光器B的測(cè)距范圍為IOcm~100cm。
[0014] 所述的DSP處理單元包括FIFO模塊、連接導(dǎo)線、DSP電路。
[0015] 所述攝像頭芯片包括但不限于CXD圖像傳感器、CMOS圖像傳感器。
[0016] 本實(shí)用新型具有如下有益效果：
[0017] 1)本實(shí)用新型采用兩個(gè)激光器分別經(jīng)激光整型模塊整型輪流發(fā)射線束激光，經(jīng)過(guò) DSP處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到不同距離范圍內(nèi)的待測(cè)距離，保證了測(cè)量精度，而且可以一 次測(cè)量不同距離范圍內(nèi)多個(gè)點(diǎn)的距離。
[0018] 2)本實(shí)用新型測(cè)距裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)距方法快速、靈敏；用戶(hù)成本低，在通信、航 空、智能家居，尤其是機(jī)器人測(cè)距領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為本實(shí)用新型所述的測(cè)距裝置結(jié)構(gòu)示意圖
[0020] 圖2為本實(shí)用新型所述的測(cè)距裝置側(cè)視圖
[0021] 圖3為本實(shí)用新型所述的在Y軸方向測(cè)距方法原理圖 [0022]圖4為本實(shí)用新型所述的在X軸方向測(cè)距方法原理圖
[0023]圖5為本實(shí)用新型所述的測(cè)距裝置在不同距離墻面上成像的折線線段示意圖 [0024]圖6為本實(shí)用新型所述的測(cè)距裝置正對(duì)著墻面成像的折線線段示意圖 [0025]圖7為本實(shí)用新型所述的測(cè)距裝置斜對(duì)著墻面得到的折線線段示意圖 [0026]圖中符號(hào)表示：1:激光器A; 2: DSP電路;3: FIFO模塊;4:成像透鏡；5:攝像頭芯片； 6:連接導(dǎo)線;7:基座;8: DSP處理單元;9:濾光片；10:激光整型模塊;11:激光器B
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0028] 如圖1所示，一種雙激光標(biāo)定的高精度攝像頭芯片多點(diǎn)測(cè)距裝置，該裝置包括激光 器Al、激光器B11、激光整型模塊10、成像透鏡組4、攝像頭芯片5及DSP處理單元8;DSP處理單 元8控制激光器Al、激光器BI 1輪流發(fā)射激光，激光器Al或激光器BI 1發(fā)射的激光分別經(jīng)激光 整型模塊10整型為線束激光，線束激光照射到前方一定距離范圍內(nèi)待測(cè)目標(biāo)物體表面，發(fā) 生漫反射，反射的光會(huì)映射為不同的折線線段或曲線線段，上述折線線段或曲線線段與當(dāng) 前視場(chǎng)角內(nèi)的物體經(jīng)成像透鏡組4共同成像于攝像頭芯片5上，攝像頭芯片5把圖像數(shù)據(jù)傳 輸給DSP處理單元8,實(shí)現(xiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)DSP處理單元8采集上述成像的折線線段 或曲線線段，并計(jì)算其質(zhì)心，根據(jù)角度關(guān)系進(jìn)而計(jì)算出待測(cè)距離。
[0029]所述的激光器Al和激光器Bll的后端分別安裝一激光整型模塊10,激光整型模塊 10用于將點(diǎn)束激光整型為線束激光；
[0030] 本實(shí)施例中激光整型模塊10為成型透鏡組，在本實(shí)用新型的其他實(shí)施例中，激光 整型模塊10也可以為振動(dòng)片、還可以為旋轉(zhuǎn)棱鏡。
[0031] DSP處理單元8包括FIFO模塊3、連接導(dǎo)線6、DSP電路2;成像透鏡組4進(jìn)一步包括一 濾光片9，濾光片9安裝在所述透鏡組4前端，用以濾掉特定波長(zhǎng)的光并透過(guò)另一段特定波長(zhǎng) 的光。
[0032] 如附圖2所示，該測(cè)距裝置進(jìn)一步包括一基座7,所述激光器A1、激光器B11、成像透 鏡組4、攝像頭芯片5及DSP處理單元8固定在該基座上，基座8與攝像頭芯片所在平面成一定 角度;激光器Al到攝像頭芯片中心的距離范圍為3cm~9cm，本實(shí)施例中選擇5cm;激光器BI 1 到所述攝像頭芯片中心的距離范圍為Icm~5cm，本實(shí)施例中選擇3cm;
[0033] 激光器A的測(cè)距范圍為Im~10m;激光器B的測(cè)距范圍為IOcm~100cm。
[0034] 本實(shí)施例中攝像頭芯片5為CCD圖像傳感器，在本實(shí)用新型的其他實(shí)施例中，攝像 頭芯片5可以為CMOS圖像傳感器。
[0035] 本實(shí)用新型還提供了上述測(cè)距裝置的測(cè)距方法，具體為：
[0036] 1)獲取圖像數(shù)據(jù):DSP處理單元控制激光器A、激光器B輪流發(fā)射激光，發(fā)射的激光 分別經(jīng)過(guò)激光整型模塊整型為線束激光，經(jīng)過(guò)整型的線束激光照射到前方一定距離范圍內(nèi) 目標(biāo)物體表面，發(fā)生漫反射，反射的折線或曲線與當(dāng)前視場(chǎng)角內(nèi)的物體經(jīng)成像透鏡組共同 成像于攝像頭芯片上，反射的折線或曲線成像為多條高亮度的折線線段或者曲線線段，其 他背景成像為比較低亮度的數(shù)據(jù)，攝像頭芯片記錄對(duì)應(yīng)方向的一幀數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，并將該 幀圖像數(shù)據(jù)傳輸給DSP處理單元，該幀圖像記錄了當(dāng)前時(shí)間鏡頭視場(chǎng)角內(nèi)的數(shù)字化了的圖 像數(shù)據(jù)；
[0037] 2)處理圖像數(shù)據(jù):DSP處理單元對(duì)步驟1)中所述的數(shù)字化了的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 首先用數(shù)字算法消除圖像畸變，而后進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑消除噪點(diǎn)，最后設(shè)定門(mén)限進(jìn)行二值化；
[0038] 3)再次根據(jù)步驟1)中所述的折線線段或曲線線段的左右關(guān)系對(duì)圖像平滑進(jìn)而消 除噪點(diǎn)，消除噪點(diǎn)后各條折線線段或曲線線段為自左向右排列，使得同一個(gè)X坐標(biāo)上只有不 超過(guò)一個(gè)高亮線段存在；
[0039 ] 4)求取每一個(gè)X坐標(biāo)上的高亮線段的質(zhì)心:將同一個(gè)X坐標(biāo)的高亮線段的點(diǎn)坐標(biāo)加 起來(lái)進(jìn)行平均，可以得到對(duì)應(yīng)X坐標(biāo)的質(zhì)心為Y;經(jīng)過(guò)本步計(jì)算，從左到右的任意一個(gè)X坐標(biāo) 上，只可能有不超過(guò)1個(gè)的Y高亮質(zhì)心點(diǎn);對(duì)于某個(gè)X，如果有1個(gè)Y質(zhì)心點(diǎn)，代表這個(gè)方向上的 距離在測(cè)距范圍內(nèi)，如果沒(méi)有Y質(zhì)心點(diǎn)，代表這個(gè)方向上的距離不在測(cè)距范圍內(nèi)；
[0040] 5)根據(jù)自左至右的所有(X，Y)計(jì)算測(cè)量角度和測(cè)量距離，根據(jù)DSP控制的激光器輪 流發(fā)射可以確定本次測(cè)距是根據(jù)激光器A還是激光器B測(cè)距，如附圖3所示；
[0041] a)已知激光器A到攝像頭芯片鏡頭組的距離為?1，激光器B到攝像頭芯片鏡頭組的 距離為P2,攝像頭芯片鏡頭在Y軸視場(chǎng)角為2α，激光器A與攝像頭芯片鏡頭中軸夾角 光器B與攝像頭芯片鏡頭中軸夾角為θ2;
[0042] 對(duì)于激光器A發(fā)射求垂直距離，對(duì)于某一個(gè)(Χ，Υ)，根據(jù)Y軸坐標(biāo)求激光器A的垂直 距離di，帶入公式計(jì)算出的垂直距離di，
_中，η為激光點(diǎn)在Y軸 上的坐標(biāo)，y為Y軸方向上攝像頭芯片成像的總點(diǎn)數(shù)；
[0043] 對(duì)于最近測(cè)量點(diǎn)6!，當(dāng)G1的理論
[0044] 如果θΑα，就會(huì)有最遠(yuǎn)測(cè)距點(diǎn)c 2時(shí)，理論值 是無(wú)窮遠(yuǎn);同時(shí)因?yàn)榧す夤β蕰?huì)衰減導(dǎo)致比較遠(yuǎn)處也無(wú)法被測(cè)量。
[0045] 對(duì)于激光器B發(fā)射求垂直距離，根據(jù)Y軸坐標(biāo)求激光器B的垂直距離d2，
[0046] 對(duì)于最近測(cè)量點(diǎn)G2,當(dāng)G2的理論值n = y時(shí)，
[0047] 可求得最近測(cè)量量程dc2
[0048] 如果02>α，可求得最遠(yuǎn)測(cè)量量程dT2，
[0049] b)已知攝像頭芯片鏡頭在X軸上視場(chǎng)角為2β，圖像數(shù)據(jù)在X軸的中心點(diǎn)為0,每一個(gè) X代表一個(gè)方向，X方向與Y方向所成的方向角為Y，對(duì)于激光器A發(fā)射：對(duì)干X =m，V = η的坐 標(biāo)點(diǎn)來(lái)該
帶入公式求出待測(cè)距離dxl
? 取測(cè)距結(jié)果（γ，dxl)為在γ方向的距離dxl;
[0050] 對(duì)于激光器B發(fā)射，同樣，對(duì)于x=m，y = n的坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)說(shuō)
〖光器B 與水平方向的夾角為Θ12,Q12 = Q2-Q1，設(shè)激光器B對(duì)應(yīng)在水平方向的距離為dX2，dX2 = d2 · cos θ12，帶入公式，求出待測(cè)距離dx2
獲取測(cè)距結(jié)果（γ，dx2)為在γ 方向的距離dx2;
[0051] c)重復(fù)步驟a)及步驟b)，分別計(jì)算完自左向右整個(gè)2β寬角度范圍內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)的測(cè) 距角度及測(cè)距距離并將整個(gè)2β范圍內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)的測(cè)距結(jié)果輸出。
[0052]待測(cè)目標(biāo)物體在攝像頭芯片上成像時(shí)，不同距離成像的折線線段或曲線線段的粗 細(xì)也不同，如附圖5所示，圖中左邊為激光照射到不同距離的墻面上，從左到右依次為由遠(yuǎn) 到近;圖的右邊為成像的不同粗細(xì)的折線線段示意圖，線段從左到右依次為由細(xì)到粗； [0053] 如附圖3所示，以激光器A為例，G 1點(diǎn)為理論上最近測(cè)距距離，但由于線束激光不是 一個(gè)像素點(diǎn)的激光線，而是成像為高亮度折線線段或曲線線段，所以最近測(cè)距點(diǎn)在I點(diǎn)，同 樣的，H點(diǎn)以?xún)?nèi)的距離都不能拍照到比較完整的折線線段或曲線線段，本實(shí)用新型對(duì)H點(diǎn)距 離以?xún)?nèi)的物體成像在在攝像頭芯片范圍內(nèi)的不完整折線線段或曲線線段求取質(zhì)心，同時(shí)， 根據(jù)實(shí)測(cè)記錄該不完整質(zhì)心對(duì)應(yīng)的真實(shí)距離，從而校準(zhǔn)了近距離的測(cè)量準(zhǔn)確度，并且獲取 超出理論值的測(cè)距范圍。
[0054] 附圖6為本實(shí)用新型所述的測(cè)距裝置正對(duì)著墻面成像的折線線段示意圖，激光器 正對(duì)著墻面，激光照射到墻面上反射的折線或曲線在攝像頭芯片上所成的像為一條直線線 段。
[0055] 附圖7為本實(shí)用新型所述的測(cè)距裝置斜對(duì)著墻面成像的折線線段示意圖，激光器 斜對(duì)著墻面，激光照射到墻面上反射的折線或曲線在攝像頭芯片上所成的像為一條斜線線 段。
[0056] 前述實(shí)施例和優(yōu)點(diǎn)僅是示例性的，并不應(yīng)被理解為限制本公開(kāi)。本實(shí)用新型可容 易地應(yīng)用于其它類(lèi)型的設(shè)備。此外，本公開(kāi)的示例性實(shí)施例的描述是解釋性的，并不限制權(quán) 利要求的范圍，許多的替換、修改和變化對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是明顯的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種雙激光標(biāo)定的高精度攝像頭芯片多點(diǎn)測(cè)距裝置，該測(cè)距裝置包括激光器A、激光 器B、激光整型模塊、成像透鏡組、攝像頭芯片及DSP處理單元;所述激光器A、激光器B分別經(jīng) 激光整型模塊整型為線束激光，激光器A、激光器B的發(fā)射方向與攝像頭芯片所在平面分別 成不同的角度，激光器A、激光器B到攝像頭芯片中心的距離不同；DSP處理單元控制激光器 A、激光器B輪流發(fā)射激光，由于所述兩個(gè)激光器到攝像頭芯片中心的距離及角度不同，因此 這兩個(gè)激光器的測(cè)距范圍也不同。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)距裝置，其特征在于:所述的激光整型模塊分別安裝在所述 激光器A、激光器B后端，用于將點(diǎn)束激光整型為線束激光； 所述激光整型模塊為成型透鏡組、振動(dòng)片或旋轉(zhuǎn)棱鏡。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)距裝置，其特征在于:所述的成像透鏡組進(jìn)一步包括一濾光 片； 所述濾光片安裝在所述成像透鏡組前端，用以濾掉特定波長(zhǎng)的光并透過(guò)另一段特定波 長(zhǎng)的光。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)距裝置，其特征在于:所述的測(cè)距裝置進(jìn)一步包括一基座， 所述的激光器A、激光器B、成像透鏡組、攝像頭芯片及DSP處理單元固定在該基座上。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)距裝置，其特征在于:所述激光器A到所述攝像頭芯片中心 的距離范圍為3cm~9cm; 所述激光器B到所述攝像頭芯片中心的距離范圍為1 cm~5cm; 所述激光器A的測(cè)距范圍為lm~10m; 所述激光器B的測(cè)距范圍為10cm~100cm。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)距裝置，其特征在于:所述的DSP處理單元包括FIFO模塊、連 接導(dǎo)線、DSP電路。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)距裝置，其特征在于:所述攝像頭芯片包括CMOS圖像傳感 器。
【文檔編號(hào)】G01S17/48GK205581299SQ201620018324
【公開(kāi)日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年1月8日
【發(fā)明人】周煦潼, 孫放, 廖鴻宇, 明安龍
【申請(qǐng)人】北京雷動(dòng)云合智能技術(shù)有限公司