线形光测距装置的制作方法

本实用新型涉及一种测距装置，尤其涉及一种利用线形光来测量目标距离的装置。

背景技术：

为了四处行进或者在预备信息不足的地方执行作业，保洁机器人或自移动机器人需要具有自主规划路径，检测障碍物并避免碰撞的能力。为此，测量到障碍物的距离以估算位置是自移动机器人应该具备的基本能力。此外，在例如安保系统的入侵感测系统中，测量到目标物的距离的能力也是必需的。

业已使用了各种方法来进行上述距离测量。在其中，利用线形光和成像装置(例如，相机)进行测距的方法非常有效。该方法所需计算量较小并能用于亮度较小的场所(例如，阴暗室内)。

根据该方法，如图1所示，利用光源10主动将线形光照射到障碍物30上，并且利用传感器20获得反射光的图像。然后，可以根据三角法测量法从图2A中的图像高度来计算光发射位置与障碍物30之间的距离。图2B-D进一步示出了发光位置到障碍物之间距离对成像的影响。

出于成本的考虑，优选使用价格更为低廉的逐行扫描图像传感器和存储空间有限的存储器。但逐行读取整帧图像后再计算与障碍物的距离会降低测距装置的反应速度，并且需要能够存储整帧图像的存储容量。。

因此，需要一种能够解决上述至少一个问题的线性光测距装置。

技术实现要素：

为了解决上述至少一个问题，本实用新型提供了一种线形光测距装置，能够通过简单地将逐行扫描图像传感器旋转90度而在整帧图像被完全读取之前就进行与障碍物之间的距离计算。由此解决现有技术中由于使用逐行扫描图像传感器带来的精度不足问题。另外，优选的逐行计算还能够降低测距装置对存储空间和处理能力的要求。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种线形光测距装置，包括：向被测空间投射线形光的光源；对由所述被测空间内的障碍物反射的线形光进行成像的逐行扫描图像传感器，所述逐行扫描图像传感器旋转90度放置并与所述光源之间具有预定的相对空间位置关系；控制器，分别与所述光源和所述图像传感器连接，用于在从所述图像传感器上读取完整当前帧之前就开始基于读取的像素行来计算与所述障碍物的距离。优选地，述控制器在读取所述图像传感器的一行像素后就开始基于该像素行计算与所述障碍物的距离。

由此，通过简单地将逐行扫描图像传感器旋转90度设置，就能够实现对距离的逐行计算，由此提升测距装置的测距速度。

另外，由于无需存储整帧图像就可以开始计算，因此能够降低本公开的测距装置对存储空间的需求，以进一步降低成本。

利用本实用新型的测距装置，能够在选用逐行扫描图像传感器的同时保证测距速度，还能够进一步降低系统对存储空间的需求，由此实现低成本高精度的测距。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了现有测距系统的示意图。

图2A-D示出了计算障碍物深度距离的原理图。

图3是三角测量法中采用的基本几何原理的简化原理图。

图4A和4B示出了投射的线形光在图像传感器上成像的两个例子。

图5A-5C示出了投射的线形光在旋转了90度的逐行扫描图像传感器上成像的例子。

图6示出了根据本实用新型的一个实施例的线形光测距装置的示意图。

图7示出了本实用新型的逐行扫描图像传感器的优选成像过程。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1示出了现有测距系统的示意图。图中的测距系统包括光源10和成像装置(例如，相机)20。光源10主动发射光，光照射到障碍物30上被反射，并由相机20捕捉并成像关于障碍物30所反射的图像的信息。在这里，发射的光可以是线形光。优选地，光源10可以是激光源，以保证线形光在被测空间范围内的会聚性。更优选地，光源10可以是近红外激光源，由此保证测距系统能够适应各种光照条件而不与可见光相混淆。另外，光源10还可以包括用于将所述激光器产生的激光变为线形光的光学装置。

图2A-D示出了计算障碍物深度原理的示意图。参照图2A，光源10发出的线形光照射到障碍物30。这里假设光源具有视场a(即，辐射角a)，在实际应用中，该辐射角可以设定在90～150度之间。图2B示出由相机20获得的图像40。由于线性光照射到的障碍物30各处深度相等(例如，障碍物30可以是垂直于线性光行进方向的竖直墙面)，因此障碍物的反射光在图像40上仍然呈一条水平直线。相应地参考图2C和图2D，当障碍物30深度不一致时，则该障碍物反射光在相机图像40上呈现为高度不一的线段。即，图像传感器上的成像高度(即，y方向上的值)能够反应传感器20和障碍物30之间的距离。在此例中，障碍物距离越远，反射光成像的高度就越低，在y方向上的值就越小。如下将参考图3说明如何根据成像高度来求取物体到装置的距离。

图3是三角测量法中采用的基本几何原理的简化图。如图所示，由光源10发射出的光照射到目标物体(例如，图1中的墙面30)上，光在目标物体处反射并进入相机传感器的成像平面。光源10发出的光可以是线形光。在对线形光进行成像的情况下，可以将该线形光看作是多个光点的集合，并且对于一定范围以内的线形光，仍然可由三角测量法进行距离计算。

由此，根据相似三角形，可以认为测距装置到物体的距离q被定义为：

其中f是相机的焦距，s是光源到相机的基线距离，并且x是成像平面上的视差，即平行于源束的光线与从物体反射的光线之间的距离。因此，可以根据从物体反射到图像中的光点的位置来确定测距装置到物体的距离。

由于光源相对于成像轴线的角度固定，因此可以根据三角关系进一步推导出下式：

为了进一步说明线形光的成像特定，图4示出了投射的线形光在图像传感器上成像的两个例子。图4A示出的是障碍物等深的情况(例如，图2A所示的平坦墙面)，图4B示出的是障碍物不等深的情况(例如，图2C所示的部分凹入墙面，外加近处散乱各处的物品)。由图可知并且根据线形光的特点，只有在障碍物等深的理想情况下，线形光会成像在图像传感器的特定几行像素内，即在图像传感器上成像为具有一定宽度的直线。通常情况下，由于投射出的线形光会被处在不同位置的各种障碍物反射，因此线形光会在传感器的列方向上移动而分段成像在不同的像素行内。但是，由于投射的是宽度有限的线形光，因此每一个像素列中必然仅有几个相连的像素(即，与线形光宽度相对应的像素)包含图像数据信息。

市贩图像传感器多为逐行读取图像像素的传感器(例如，CMOS图像传感器)。在正常使用图像传感器的情况下，需要对每个像素行进行逐行扫描才能提取有效的成像信息。如图4所示，图像传感器通常从例如左上角的第一行的A点处开始进行从左至右，再逐行向下的扫描，直至扫描至最后一行最右侧的B点为止。对障碍物距离的计算，则必须在读取整帧图像之后才能开始进行。

在本实用新型的一个实施例中，可以考虑将逐行扫描的图像传感器旋转90°放置，使得线形光变为在原图像传感器的行方向移动。在逐行(在旋转后变为逐列)读取图像像素时，每一行均能获得具有视差位移的若干相连光点(视线形光的宽度而定)，并据此计算出深度距离。

图5示出了投射的线形光在旋转了90度的逐行扫描图像传感器上成像的例子。图5A示出的是障碍物等深的情况(例如，图2A所示的平坦墙面)，图5B和5C示出的是障碍物不等深(例如，图2C所示的部分凹入墙面，外加近处散乱各处的物品)且传感器分别向左和向右旋转90度之后的成像情况。如图所示，传感器仍然进行从A点到B点的逐“行”扫描，并且无论是等深还是不等深的障碍物(图5A和5B)，向左(图5B)和向右(图5C)旋转90的设置，都能够保证传感器每一行的扫描都能够获取具有视差位移的若干相连光点。因此，每一行仅需缓存若干像素，因此能够提升计算效率，加快检测速度。

相应地，在本实用新型的一个实施例中，可以在从图像传感器上读取完整当前帧之前就开始基于读取的像素行来计算与障碍物的距离。优选地，甚至可以在读取图像传感器的一行像素后就开始基于该像素行中若干相连光点信息来计算与障碍物的距离。由此，测距装置的存储器不再需要具有存储整帧图像的能力，而可以仅仅存储读取的一行像素(甚至仅是该行像素的若干相连光点信息)，通过实时计算得出的每一行像素所代表的局部距离信息来得出整个视野内的障碍物距离信息。

基于上述原理，图6示出了根据本实用新型的一个实施例的线形光测距装置的示意图。该线形光测距装置600包括光源610、图像传感器620以及分别与光源610和图像传感器620相连接的控制器630。光源610用于向被测空间投射线形光。图像传感器620是逐行扫描图像传感器并且旋转90度放置，与光源610之间具有预定的相对空间位置关系。处理器630在从图像传感器620上读取完整当前帧之前就开始基于读取的像素行来计算与障碍物的距离。

在一个实施例中，图像传感器620可以被设置为所有像素区域具有相同的曝光期，并且按照相同的读取周期被逐行读取。优选地，控制器可以在读取图像传感器610的一行像素后就即刻开始基于该像素行计算与障碍物的距离。优选地，图像传感器620可以被设置为在读取一行的像素之后立刻复位行的像素，以便更为紧凑地进行成像内容的读取。

本实用新型的逐行扫描图像传感器可以在触发模式下工作。此时，控制器630可以还可以包括触发信号发生装置，例如触发器(未示出)。在触发模式下，触发器向图像传感器发送触发信号，以触发图像传感器对其一行像素的复位操作。图7示出了本实用新型的逐行扫描图像传感器的优选成像过程。如图7所示，在触发信号的作用下，图像传感器的像素逐行依次执行复位操作，每一行像素的相邻两次复位操作之间的时间差相等(图中t1到t5)，每一行像素在复位操作之后开始曝光(t2到t3)，并且经过有效的曝光时间(有效曝光时间对应于图中的t2到t3)后对该行像素进行数据读取操作(t3到t4)，如图7所示，在数据读取操作完成之后，优选地立即对该行像素进行复位(t4至t5的间隔极短)，由此能够实现对成像像素的高效读取和计算。

在一个实施例中，光源610可以包括用于产生激光的激光器，优选可以是近红外激光源，由此保证测距系统能够适应各种光照条件而不与可见光相混淆。另外，光源610还可以包括用于将所述激光器产生的激光变为线形光的光学装置。

在一个实施例中，测距装置还可以包括存储器(未示出)。在本实用新型中的存储器无需具有用于存储整帧图像的存储空间，而是优选地可以仅存储读取的一行像素及其对应的距离计算结果。更优选地，存储器可以仅存储读取的一行像素中对应于光点的若干相连像素及其对应的距离计算结果。随后，控制器可以合并根据每一个的像素位置所求出的深度信息，由此得到整个视野内的障碍物距离信息。

对于测距装置的日常应用而言，例如设置在保洁机器人上时，可以将光源和成像装置设置在机器人的正前方，其中光源设置在机器人前端的顶部，与图像传感器大致在同一竖直平面上。两者与机器人的主板相连，为主板提供当前所在的位置信息，以供主板进行处理和行动决策。

虽然为了方便说明，在图4和图5中示出了水平和竖直方向分辨率相同的图像传感器，但在实际使用中，可以采用各种其他类型的图像传感器，例如1280*720分辨率的图像传感器。

上文中已经参考附图详细描述了根据本实用新型的线形光测距装置。本实用新型的线形光测距装置能够通过简单地将逐行扫描图像传感器旋转90度而在整帧图像被完全读取之前就进行与障碍物之间的距离计算。由此解决现有技术中由于使用逐行扫描图像传感器带来的精度不足问题。另外，优选的逐行计算还能够降低测距装置对存储空间和处理能力的要求。

以上描述的本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。