专利名称：超声波测距方法、测距系统及具有其的摄像组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声波测距方法及采用该超声波测距方法进行测距的一种测距系统和具有其的摄像组件。
背景技术：
摄像头图像监控设备在日常生活中已经广泛应用，利用摄像头图像监控设备可以延伸人们的观察和控制范围，在不方便人员在现场或者无人职守的环境中起到了非常大的作用。然而，传统摄像头拍摄的图像没有距离感，操作人员无法在图像上了解到被观察的目标与观察点的实际距离，且在动态监控的过程中无法准确的观测距离。超声波测距设备在我们日常生活中同样应用的十分广泛，利用基本的电声学原理，通过时间差可以简单的测量距离。然而，由于超声波是球面波，传播过程中的指向性较差且有一定的扩散角，并且测量的参照系是以超声波传感器为原点的极坐标系，因此传统的超声测距测量到的距离实际上是极坐标中的矢量半径的长度而不是被测目标与参考点的实际距离。此外，为了提高测量精度，则需要使用更多指向性较强的超声波传感器，成本尚ο但值得注意的是，超声波传感器无法像激光一样具有非常强的指向性，目前最好的超声波传感器的扩散角度不会小于15度，这也就导致了传统超声波测距的方法不能精确的测量距离。另外，当需要测量大体积物体的距离时，单个的超声波探头测量范围太小， 无法满足需求，因此往往需要使用超声波传感器阵列，测量的物体越大，需要的传感器数量就越多，但是数量太多的超声波探头之间又会造成相互干扰。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的第一方面的一个目的在于提出可精确测量距离的超声波测距方法。根据本发明第一方面实施例的超声波测距方法，包括以下步骤(1)将至少两个超声波传感器倾斜地设置在第一平面上，所述超声波传感器的法线可相交，并设置参考原点；(2)由所述至少两个超声波传感器中的其中一个向被测目标发射超声波，并且所述至少两个超声波传感器同时采集超声波回波；其中所述被测目标位于所述至少两个超声波传感器的测量范围的交集内且所述被测目标在所述至少两个超声波传感器的法线所确定的第二平面上；(3)根据所述超声波回波计算出每个超声波传感器与被测目标之间的矢量距离； 以及(4)计算出被测目标与所述第一平面之间的垂直距离，以及被测目标在所述第一平面上的投影相对于参考原点的距离。根据本发明第一方面实施例的超声波测距方法，通过多个超声波传感器与第一平面之间倾斜地设置以组成传感器阵列，测量范围由多个超声波传感器的测量范围共同确定，扩展了测量范围且提高了测量精度，并减少了传统的测距方法中传感器的使用数量，降低了成本且可减少相互干扰。本发明的第二方面的一个目的在于提供一种测距系统，所述测距系统可采用上述超声波测距方法进行测距。根据本发明第二方面实施例的测距系统，包括至少两个超声波传感器，所述至少两个超声波传感器倾斜地设置在第一平面上且法线可相交；以及至少两条超声波测距电缆，所述至少两条超声波测距电缆分别连接至所述至少两个超声波传感器；其中，所述至少两个超声波传感器采用上述第一方面实施例的超声波测距方法对被测目标进行测距并通过所述超声波测距电缆输出超声波测距信号。根据本发明第二方面实施例的测距系统，采用上述第一方面实施例中的超声波测距方法进行测距，提高了测量精度，扩展了测量范围，并且成本降低。本发明的第三方面的一个目的在于提供一种摄像组件。根据本发明第三方面实施例的摄像组件，包括摄像头本体，所述摄像头本体包括外壳；数据采集合成控制电路板，所述数据采集合成控制电路板设在所述外壳内；和镜头，所述镜头设在所述外壳内且固定在所述数据采集合成控制电路板上；上述第二方面实施例中所述的测距系统；其中所述数据采集合成控制电路板采集来自于所述至少两个超声波传感器的超声波测距信号和来自于镜头的光学图像信号且处理形成带有距离信号的图像信号并输出。根据本发明第三方面实施例的摄像组件，在监控图像的同时还带有测距功能，扩展了摄像头的使用功能，同时，采用了更精确测量的超声波测距方法，可获得更精确的距离和方位数据，减少了超声波传感器的使用数量，并且克服了传统的摄像头的图像没有距离感的缺陷。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图1是根据本发明实施例的超声波测距方法的示意图；图2是根据本发明实施例的摄像组件的示意图；图3是图2中所示的摄像组件中的摄像头本体的爆炸示意图；图4是图2中所示的摄像组件中的数据采集合成控制电路板中的模块示意图；以及图5是根据本发明实施例的摄像组件的工作示意图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。下面参考图1首先描述根据本发明实施例的超声波测距方法。根据本发明实施例的超声波测距方法，包括以下步骤(1)将至少两个超声波传感器倾斜地设置在第一平面上，所述超声波传感器的法线可相交，并设置参考原点；(2)由所述至少两个超声波传感器中的其中一个向被测目标发射超声波，并且所述至少两个超声波传感器同时采集超声波回波；其中所述被测目标位于所述至少两个超声波传感器的测量范围的交集内且所述被测目标在所述至少两个超声波传感器的法线所确定的第二平面上；(3)根据所述超声波回波计算出每个超声波传感器与被测目标之间的矢量距离； 以及(4)计算出被测目标与所述第一平面之间的垂直距离，以及被测目标在所述第一平面上的投影相对于参考原点的距离。根据本发明实施例的超声波测距方法，通过多个超声波传感器与平面之间倾斜地设置以组成传感器阵列，测量范围由多个超声波传感器的测量范围共同确定，扩展了测量范围且提高了测量精度，并减少了传统的测距方法中传感器的使用数量，降低了成本且可减少相互干扰。在本发明的一个实施例中，超声波传感器包括第一超声波传感器A和第二超声波传感器B，其中第一和第二超声波传感器的法线与第一平面之间的倾角互补。具体地，如图 1所示，第一超声波传感器A和第二超声波传感器B倾斜地设置在第一平面P上，且假设第一超声波传感器A的法线m与第一平面P之间的倾角为θ 1，第二超声波传感器B的法线 Ν2与第一平面P之间的倾角为Θ2，则θ1+θ2=180°。可选地，第一超声波传感器A的法线与第一平面P之间的角度θ 1的范围为0 180度，其中Θ1、θ 2的具体角度可由期望设计测量范围β以及第一和第二超声波传感器的测量角度范围Y所决定。在本实施例中，被测目标在第一超声波传感器A的法线m和第二超声波传感器B的法线N2所确定的第二平面(即如图1中纸面所在平面)上。在本实施例中，实施上述步骤(2)时，由第一超声波传感器A或第二超声波传感器 B向被测目标发射超声波信号，然后由第一超声波传感器A和第二超声波传感器B同时接收超声波回波信号，由此获得同一个被测目标的两个反射信号，通过声波传递速度换算得到第一超声波传感器A与被测目标之间的矢量距离a和第二超声波传感器B与被测目标之间的矢量距离b。具体地，第一超声波传感器A与被测目标之间的矢量距离a和第二超声波传感器 B与被测目标之间的矢量距离b的计算公式如下(1) a = 34 X /2 X Z-X ；(2) b = 34 X T2/2 X Z-X ；其中，a和b的单位为厘米(cm) ；Tl和T2分别为第一和第二超声波传感器从发射超声波的时间为起点，到接收到超声波回波的的时间为终点之间的消耗时间，单位为毫秒 (ms) ；Z为比例校正因子，无单位系数；X为盲区校正因子，单位为厘米(cm)。对于Z和X，可通过下述方法进行计算出①在第一超声波传感器A或第二超声波传感器B的测量交集范围内且在法线m 和N2确定的第二平面上放置已确定距离的参考目标，其中参考目标与第一超声波传感器A 之间的矢量距离为m，参考目标与第二超声波传感器B之间的矢量距离为n，且矢量距离m 和η均为已知；②由第一超声波传感器A或第二超声波传感器B向参考目标发射超声波信号，然后由第一超声波传感器A和第二超声波传感器B同时接收超声波回波信号，其中第一超声波传感器A从发射超声波至接收到超声波回波的时间为Τ3，第二超声波传感器B从发射超声波至接收到超声波回波的时间为Τ4 ；③通过下列公式(3)和⑷计算出Z和X (3) m = 34 X T3/2 X Ζ-Χ ；(4) η = 34 X Τ4/2 X Z-X。在本发明的一个实施例中，如图1所示，设置参考原点0为第一超声波传感器A的中心，在上述步骤中计算出第一超声波传感器A和第二超声波传感器B分别与被测目标之间的矢量距离a和b后，根据上述公式(1)和( 计算出被测目标与第一平面P之间的垂直距离H，以及被测目标在第一平面P上的投影相对于参考原点0的距离V，其中参考原点0、距离V和距离H均处于所述第二平面内，从而得到该被测目标的具体方位。在本发明的一个示例中，距离H和距离0可采用三角定位原理改良算法计算出，具体地，通过以下公式实现
a+b+cP= 权利要求
1.一种超声波测距方法，包括以下步骤(1)将至少两个超声波传感器倾斜地设置在第一平面上，所述超声波传感器的法线可相交，并设置参考原点；(2)由所述至少两个超声波传感器中的其中一个向被测目标发射超声波，并且所述至少两个超声波传感器同时采集超声波回波；其中所述被测目标位于所述至少两个超声波传感器的测量范围的交集内且所述被测目标在所述至少两个超声波传感器的法线所确定的第二平面上；(3)根据所述超声波回波计算出每个超声波传感器与被测目标之间的矢量距离；以及(4)计算出被测目标与所述第一平面之间的垂直距离，以及被测目标在所述第一平面上的投影相对于参考原点的距离。
2.根据权利要求1所述的超声波测距方法，其特征在于，所述超声波传感器包括第一和第二超声波传感器，且所述第一和第二超声波传感器的法线与所述第一平面之间的倾角互补。
3.根据权利要求2所述的超声波测距方法，其特征在于，所述第一超声波传感器的法线与所述第一平面之间的角度的范围为0 180度。
4.根据权利要求2所述的超声波测距方法，其特征在于，所述步骤(5)通过以下公式实现
5.一种测距系统，其特征在于，包括至少两个超声波传感器，所述至少两个超声波传感器倾斜地设置在第一平面上且法线可相交；以及至少两条超声波测距电缆，所述至少两条超声波测距电缆分别连接至所述至少两个超声波传感器；其中，所述至少两个超声波传感器采用根据权利要求1-4中任一项所述的超声波测距方法对被测目标进行测距并通过所述超声波测距电缆输出超声波测距信号。
6.一种摄像组件，包括摄像头本体，所述摄像头本体包括夕卜壳；数据采集合成控制电路板，所述数据采集合成控制电路板设在所述外壳内；和镜头，所述镜头设在所述外壳内且固定在所述数据采集合成控制电路板上；根据权利要求5所述的测距系统；其中所述数据采集合成控制电路板采集来自于所述至少两个超声波传感器的超声波测距信号和来自于镜头的光学图像信号且处理形成带有距离信号的图像信号并输出。
7.根据权利要求6所述的摄像组件，其特征在于，进一步包括支架，所述支架构成所述至少两个超声波传感器倾斜地设置在其上的第一平面，且所述镜头设置在所述支架上。
8.根据权利要求7所述的摄像组件，其特征在于，超声波传感器包括第一和第二超声波传感器，且所述第一和第二超声波传感器的法线与所述第一平面之间的倾角互补。
9.根据权利要求8所述的摄像组件，其特征在于，所述第一和第二超声波传感器的法线相对于所述镜头的法线线互相对称。
10.根据权利要求7所述的摄像组件，其特征在于，所述数据采集合成控制电路板包括图像传感器模块，所述图像传感器模块用于接收光学图像信号并转换为图像电信号； 超声波驱动模块，所述超声波驱动模块驱动所述超声波传感器发射超声波并采集超声波回波并输出超声波测距信号；超声波信号接收端口，所述超声波信号接收端口用于接收所述超声波测距信号； 微控制器；图像处理模块，所述图像处理模块用于处理所述图像电信号和超声波测距信号； 图像输出端口；其中，超声波信号接收端口接收的超声波测距信号通过微控制器处理后获得距离数据信号，所述图像处理模块将所述距离数据信号与所述图像电信号合成为新的带有距离信息的图像信号，并通过所述图像输出端口向外输出。
全文摘要
本发明提供了一种超声波测距方法，包括以下步骤将至少两个超声波传感器倾斜地设置在第一平面上、法线可相交，并设置参考原点；由超声波传感器中其中一个向被测目标发射超声波且同时采集超声波回波；其中被测目标位于超声波传感器的测量范围的交集内且在超声波传感器的法线所确定的第二平面上；计算出每个超声波传感器与被测目标之间的矢量距离；以及计算出被测目标的具体方位。根据本发明实施例的超声波测距方法，通过超声波传感器倾斜地设置组成传感器阵列，提高了测量精度和测量范围，减少了传感器的使用数量，降低成本且减少干扰。本发明还提供一种采用上述测距方法进行测距的测距系统和具有其的摄像组件。
文档编号H04N5/225GK102478655SQ201010576180
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月23日 优先权日2010年11月23日
发明者陈明 申请人:比亚迪股份有限公司