基于线束激光器和普通摄像头芯片的多点测距装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测距装置及方法，尤其涉及一种基于线束激光器和普通摄像头芯 片的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] 本发明中提出采用一种激光整型装置，该激光整型装置将激光发射器发出的激光 整型为线束激光，经过整型后激光发射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 像算法检测出来激光斑在拍摄图像中的位置不同，求出线段质心位置，按照本发明推导的 公式可以求出物体距离。同时，本发明也提出了，前方物体距离不同所拍摄到的折线或曲线 的粗细也不同：在近距离，成像的线段粗，线段直径可能为几十个像素点；在远距离，例如5 米处，成像的线段细，线段直径可能只有几个像素点。记录这个不同线段粗细的特点，可以 对所求取的距离值进行自纠错，对于错误的测距帧可以舍弃。同时，如附图3所示，理论上最 近测距距离是G点，但由于激光不是一个像素点的激光线，而是有一定粗度的激光线，所以 最近测距在I点；同样的，H点以内的距离都不能拍照到比较完整的图像线段。对于这些不完 整线段的图像，提前记录下其图像计算质心和实际质心的不同位置对应关系，可以用来表 述到超出理论值的近距离测量。
【发明内容】
[0005] 本发明针对上述技术存在的缺陷，提供了一种基于线束激光器和普通摄像头芯片 的多点测距装置及方法，该测距装置可以一次测量一个宽角度范围内多个点的距离；测距 装置结构简单，用户成本低;测距方法快速、灵敏，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，一种基于线束激光器和普通摄像头芯片的多 点测距装置及方法，该激光测距装置包括激光发射器、激光整型模块、成像透镜组、普通摄 像头芯片及DSP处理单元;所述激光发射器经激光整型模块整型为线束激光，激光发射器的 发射方向与普通摄像头芯片所在平面成某一角度;激光发射器到普通摄像头芯片中心的距 离为一特定值;激光发射器经过激光整型模块发出的线束激光照射到前方宽角度范围内的 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普通摄像头芯 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。
[0007] 所述的激光整型模块安装在所述激光发射器后端，用于将点束激光整型为线束激 光。
[0008] 所述激光整型模块可以为成型透镜、振动片、旋转棱镜。
[0009] 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。
[0010] 所述的测距装置进一步包括一基座，所述激光发射器、成像透镜组、普通摄像头芯 片及DSP处理单元固定在该基座上。
[0011] 所述激光发射器到所述普通摄像头芯片中心的距离范围为3cm~9cm〇 [0012] 所述的DSP处理单元包括FIFO模块、连接导线、DSP电路。
[0013]所述普通摄像头芯片包括但不限于(XD图像传感器、CMOS图像传感器。
[00M] 所述测距方法如下：
[0015] 1)获取图像数据:调整激光发射器的发射方向与普通摄像头芯片所在平面成某一 角度，激光发射器经过激光整型模块发出的线束激光照射到前方宽角度范围内目标物体表 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普通 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，普通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；
[0016] 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；
[0017] 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坐标上只有一 个高亮线段存在；
[0018] 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；
[0019] 5)根据自左至右的所有(X，Y)计算测量角度和测量距离：
[0020] a)对于某一个(X，Y)，根据Y轴坐标求垂直距离d，已知激光发射器到普通摄像头芯 片镜头组的距离为P，普通摄像头芯片镜头在Y轴视场角为2a，普通摄像头芯片镜头中轴与 激光发射器夹角为9,带入公式计算出垂直距离d，
其中，n为 激光点在Y轴上的坐标，y*Y轴方向上普通摄像头芯片成像的总点数；
[0021 ] 对于最近测量点G，当G的理论值n = y时，可求得最近测量量程d c，
[0022] b)已知普通摄像头芯片镜头在X轴上视场角为邪，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Y方向所成的方向角为Y，对于x = m，y = n的坐标点来说，
带入公式求出待测距离dx
获取测 距结果（Y，dx)为在y方向的距离dx;
[0023] c)重复步骤a)及步骤b)，计算完自左向右整个邪宽角度范围内的多个点的测距角 度及测距距离并将整个邪范围内的多个点的测距结果输出。
[0024] 所述的步骤3)中进一步包括对不同距离的成像的折线线段或曲线线段自校准步 骤:假设激光在目标物体上形成的光斑比较固定，那么在普通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的粗细也不同，记录下在不同距离的折线线段或曲线线 段粗细特性和垂直距离的关系作为自校准指标，排除掉错误测距。
[0025] 该方法进一步包括对无法拍摄到完整反射折线或反射曲线的某一点距离以内的 物体测距方法:对其在普通摄像头芯片范围内的不完整折线线段或曲线