双激光标定的高精度摄像头芯片多点测距装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于测距领域，提供了一种双激光标定的高精度摄像头芯片多点测距装置 及方法。
【背景技术】
[0002] 激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等特征，能大大提高测量精确 度，被广泛应用在测距装置上。激光测距方法具有原理简单、测量速度快、测程远的特点，目 前，许多室内机器人系统，使用激光测距装置作为主要传感器，用来画图、定位和避障。
[0003] 传统的激光测距方法包括脉冲法、相位法及三角测量法，脉冲法测量精度较低，相 位法每次测距需要的稳定时间较长，三角测距法具有较好的应用效果生产成本低，是目前 研究的热点。
[0004] 前面的发明中已经提出单个激光器与单个摄像头芯片组合进行测距的专利，激光 器发出的线束激光在一个宽角度范围内呈一字线图样，假设线束激光发射到前方宽角度范 围内的目标物体上，反射的光会映射为不同的折线线段或曲线线段，由于在发出的激光线 在目标物体上形成的光斑比较固定，那么在摄像头芯片上成像时，在不同的距离成像的折 线线段或曲线线段质心所在的位置也不同。通过图像算法检测出来线束激光在拍摄图像中 的位置不同，求出线段质心位置，按照推导的公式可以求出物体距离，但是在公式推算中， 发现测距精度和测距距离成反比例，二者互相矛盾；如果想获得近距离测距，如10cm处，那 么在中距离，如3m以上的测距精度已经比较差;在远距离，如6m处的测距精度变得很差，误 差可达40cm以上。如果希望在5~6m处有很好的测距精度，即误差不超过15cm，那么最近测 距为80cm以内才能满足测距精度要求。
【发明内容】
[0005] 本发明针对上述技术存在的缺陷，提供了一种双激光标定的高精度摄像头芯片多 点测距装置，该测距装置中包括两个激光器，测距时两个激光器轮流发射激光，可以一次测 量不同距离范围内多个点的距离，而且测距精度比较高;本发明测距装置结构简单，用户成 本低;测距方式快速、灵敏，测距范围大，在通信、航空、智能家居等测距领域有很高的应用 价值。
[0006] 本发明是通过如下技术方案实现的，一种双激光标定的高精度摄像头芯片多点测 距装置，该测距装置包括激光器A、激光器B、激光整型模块、成像透镜组、摄像头芯片及DSP 处理单元;所述激光器A、激光器B分别经两套激光整型模块整型为线束激光，激光器A、激光 器B的发射方向与摄像头芯片所在平面分别成不同的角度，激光器A、激光器B到摄像头芯片 中心的距离不同；DSP处理单元控制激光器A、激光器B轮流发射激光，由于激光器A、激光器B 到摄像头芯片中心的距离及角度不同，因此这两个激光器的测距范围也不同；测距过程为： 激光器A或激光器B经过激光整型模块发出的线束激光照射到前方一定距离范围内的目标 物体表面，发生漫反射，反射的光会映射为不同的折线线段或者曲线线段，上述反射的折线 线段或曲线线段与当前视场角内的其他物体经成像透镜组共同成像于摄像头芯片上;DSP 处理单元采集到上述成像的折线线段或者曲线线段，而后根据角度关系，可以求取该角度 方向的待测距离;另外一个激光器重复上述测距过程完成测距。
[0007] 所述的激光整型模块分别安装在所述激光器A和激光器B后端，用于将点束激光整 型为线束激光;激光整型模块包括但不限于成型透镜组、振动片或旋转棱镜。
[0008] 所述的成像透镜组进一步包括一滤光片；滤光片安装在所述成像透镜组前端，用 以滤掉特定波长的光并透过另一段特定波长的光。
[0009] 所述的测距装置进一步包括一基座，所述的激光器A、激光器B、成像透镜组、摄像 头芯片及DSP处理单元固定在该基座上。
[00? 0]所述激光器A到所述摄像头芯片中心的距离范围为3cm~9cm;
[0011 ]所述激光器B到所述摄像头芯片中心的距离范围为1 cm~5cm;
[0012] 所述激光器A的测距范围为lm~10m;
[0013] 所述激光器B的测距范围为10cm~100cm。
[0014] 所述的DSP处理单元包括FIFO模块、连接导线、DSP电路。
[0015] 所述摄像头芯片包括但不限于(XD图像传感器、CMOS图像传感器。
[0016] 上述激光测距装置的测距方法如下：
[0017] 1)获取图像数据:DSP处理单元控制激光器A、激光器B轮流发射激光，发射的激光 分别经过激光整型模块整型为线束激光，经过整型的线束激光照射到前方一定距离范围内 目标物体表面，发生漫反射，反射的折线或曲线与当前视场角内的物体经成像透镜组共同 成像于摄像头芯片上，反射的折线或曲线成像为多条高亮度的折线线段或者曲线线段，其 他背景成像为比较低亮度的数据，摄像头芯片记录对应方向的一帧数字图像数据，并将该 帧图像数据传输给DSP处理单元，该帧图像记录了当前时间镜头视场角内的数字化了的图 像数据；
[0018] 2)处理图像数据:DSP处理单元对步骤1)中所述的数字化了的图像数据进行处理， 首先用数字算法消除图像畸变，而后进行数据平滑消除噪点，最后设定门限进行二值化；
[0019] 3)再次根据步骤1)中所述的折线线段或曲线线段的左右关系对图像平滑进而消 除噪点，消除噪点后各条折线线段或曲线线段为自左向右排列，使得同一个X坐标上只有不 超过一个高亮线段存在；
[0020] 4)求取每一个X坐标上的高亮线段的质心:将同一个X坐标的高亮线段的点坐标加 起来进行平均，可以得到对应X坐标的质心为Y;经过本步计算，从左到右的任意一个X坐标 上，只可能有不超过1个的Y高亮质心点;对于某个X，如果有1个Y质心点，代表这个方向上的 距离在测距范围内，如果没有Y质心点，代表这个方向上的距离不在测距范围内；
[0021] 5)根据自左至右的所有(X，Y)计算测量角度和测量距离，根据DSP控制的激光器轮 流发射可以确定本次测距是根据激光器Α还是激光器Β测距，a)已知激光器Α到摄像头芯片 镜头组的距离SP1，激光器B到摄像头芯片镜头组的距离为? 2，摄像头芯片镜头在Y轴视场角 为2α，激光器A与摄像头芯片镜头中轴夹角为0:，激光器B与摄像头芯片镜头中轴夹角为θ 2;
[0022] 对于激光器Α发射求垂直距离，对于某一个(Χ，Υ)，根据Υ轴坐标求激光器Α的垂直 距离di，带入公式计算出的垂直距离di，
其中，η为激光点在Y轴 上的坐标，y为Y轴方向上摄像头芯片成像的总点数；
[0023] 对于最近测量点6:，当6:的理论值n = y时，
[0024] 如果θ^α，就会有最远测距点dT1，
反之，ΘΚα时，理论值是 无穷远;同时要注意激光功率会衰减导致比较远处也无法被测量。
[0025] 对于激光器Β发射求垂直距离，根据Υ轴坐标求激光器Β的垂直距离d2，
[0026] 对于最近测量点G2,当G2的理论值n = y时，
[0029] b)已知摄像头芯片镜头在X轴上视场角为2β，图像数据在X轴的中心点为0,每一个 X代表一个方向，X方向与Υ方向所成的方向角为Υ，对于激光器Α发射:对于x=m，y = n的坐
__带入公式求出待测距离dxi
取测距结果（γ，dxl)为在γ方向的距离dxl;
[0030] 对于激光器B发射，同样
激光器B与水平方向的夹角为θ12，θ 12 = 02-θ?，设激光器Β对应在水平方向的距离为dx2，dx2 = (12(30