本實用新型涉及一種測距裝置，具體為一種基于激光投射技術(shù)的移動設(shè)備測距裝置。

背景技術(shù)：

光測距技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于測量相關(guān)的各行業(yè)。測距儀發(fā)射出的激光經(jīng)被測量物體的反射后又被測距儀接收，測距儀同時記錄激光往返的時間。光速和往返時間的乘積的一半，就是測距儀和被測量物體之間的距離。然而這種技術(shù)的缺陷在于體積大和成本較高?；趫D像處理的激光測距技術(shù)在近些年也陸續(xù)發(fā)展起來，在這種技術(shù)的實現(xiàn)過程中，激光主要是用于對不同距離的標(biāo)記?？紤]到該技術(shù)需要使用到攝像頭，基于圖像處理的激光測距技術(shù)尤其在自帶攝像頭的移動設(shè)備上應(yīng)用可大幅度降低測距設(shè)備生產(chǎn)成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種基于激光投射技術(shù)的移動設(shè)備測距裝置，它能有效的解決背景技術(shù)中存在的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供如下技術(shù)方案：一種基于激光投射技術(shù)的移動設(shè)備測距裝置，包括帶攝像頭的移動設(shè)備、定制支架和點激光器；所述帶攝像頭的移動設(shè)備通過定制支架與點激光器固定連接。

進(jìn)一步，所述點激光器的波長為650nm，顯色為紅色。

進(jìn)一步，所述定制支架使得點激光器的投射方向和攝像頭的光軸方向存在一定的夾角，夾角約為30度。

進(jìn)一步，所述點激光器的位置需要與攝像頭保持一定的距離，距離約為移動設(shè)備的縱向長度。

進(jìn)一步，所述點激光器由移動設(shè)備供電，點激光器的工作電壓為3-6V。

進(jìn)一步，所述點激光器激光束在3m直徑內(nèi)小于2mm。

進(jìn)一步，所述定制支架與點激光器之間采用螺紋孔固定。

進(jìn)一步，所述攝像頭視場角一般不小于60度。

進(jìn)一步，所述移動設(shè)備的相機(jī)焦距典型值為3mm，照片分辨率為1936*2952；移動設(shè)備的相機(jī)焦距實際值需要通過相機(jī)標(biāo)定算法進(jìn)行標(biāo)定。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：本實用新型基于幾何光學(xué)原理，可根據(jù)兩次標(biāo)定數(shù)據(jù)與自動提取到的當(dāng)前激光點位置完成當(dāng)前目標(biāo)的距離計算。整個計算過程需要用到的數(shù)據(jù)包括相機(jī)焦距、標(biāo)定距離、標(biāo)定激光點坐標(biāo)和當(dāng)前激光點的坐標(biāo)。根據(jù)本實用新型完成的設(shè)備經(jīng)測試在4m的測量范圍內(nèi)誤差可控制在2mm以內(nèi)。

附圖說明

圖1為本實用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型的系統(tǒng)圖；

圖3為本實用新型的標(biāo)定過程；

圖4為本實用新型的圖像激光點提取的原理；

圖5為本實用新型的距離計算方法；

附圖標(biāo)記中：1.移動設(shè)備；2.定制支架；3.點激光器；4.攝像頭。

具體實施方式

下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本實用新型保護(hù)的范圍。

如圖1和圖2所示，本實用新型裝置包含帶有攝像頭4的移動設(shè)備1、定制支架2與點激光器3；定制支架2用于固定帶有攝像頭4的移動設(shè)備1和點激光器3，保證帶有攝像頭4的移動設(shè)備1和點激光器3之間的相對位置不發(fā)生改變；定制支架2使得該點激光器3的投射方向和設(shè)備攝像頭4光軸方向存在一定的夾角，夾角約為30度；一旦兩者之間的相對位置發(fā)生改變，標(biāo)定工作需要重新進(jìn)行。

上述提到的點激光器3采用了波長為650nm的紅色激光器，并且由帶攝像頭4的移動設(shè)備1供電，工作電壓為3-6V；點激光器3的發(fā)散角不能太大，需保證在3m范圍內(nèi)光斑直徑小于2mm。

為了使測量效果較好，本實用新型對工作距離和相機(jī)的視場大小也做出一些限制；裝置工作距離一般在0.2-7m，兩次標(biāo)定工作的距離設(shè)置為1m和4m，具體數(shù)據(jù)需要由高精度測量工具給出；相機(jī)視場角不做嚴(yán)格要求，但考慮到實際測量中工作距離的變化可能會造成激光點不在視場范圍內(nèi)，視場角一般不小于60度。

該裝置測量原理是將激光點發(fā)射器的位置與測量設(shè)備的相對位置固定，構(gòu)成光學(xué)測量三角形；進(jìn)而基于標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)距離和激光點的相對位置計算當(dāng)前目標(biāo)的距離。

首先需要進(jìn)行的工作是距離標(biāo)定；如圖3所示，標(biāo)定工作需要經(jīng)過兩次，分別在不同的位置(即標(biāo)準(zhǔn)平面一和標(biāo)準(zhǔn)平面二)處拍攝包含激光點位置信息的圖像；由點激光器3發(fā)出的激光光斑經(jīng)過鏡頭成像于CMOS圖像傳感器上，并由CMOS圖像傳感器完成光電信號轉(zhuǎn)換；標(biāo)定過程需要手動將圖像(即CMOS傳感器)中激光點的位置(即P_N1和P_N2)標(biāo)記出來；程序?qū)⒋鎯纱螛?biāo)定的激光點(P_N1和P_N2)位置坐標(biāo)和標(biāo)定距離(L_N1和L_N2)，用于后續(xù)距離計算。

然后，在距離標(biāo)定完即可使用該裝置進(jìn)行目標(biāo)測距，測距過程分成兩個部分：激光點位置自動搜索和距離計算。

若從整個圖像中自動搜索激光點難度較大，不僅運算時間長，而且圖像中的噪聲點太多，正確提取激光點位置的概率較低；考慮到激光發(fā)射器與設(shè)備的相對位置已經(jīng)固定，根據(jù)幾何光學(xué)的知識，每次測量過程中的激光點位置在圖像上表現(xiàn)在同一條直線上，因此在標(biāo)定兩個點所構(gòu)成直線上搜索激光點即可；當(dāng)確定好搜索范圍后，將圖像上的二維信號轉(zhuǎn)化為一維信號；如圖4所示，測距過程中，每次的激光點的位置必在標(biāo)定激光點位置P_N1和P_N2的連線L_sea上。

首先對一維信號進(jìn)行高斯濾波，濾波窗口大小與采樣頻率有關(guān)；再根據(jù)信號的一階導(dǎo)數(shù)初步確定激光點的位置；由于數(shù)字信號為不連續(xù)信號，本實用新型采用了差分代替微分的處理；可綜合考慮亮度極大值和亮度信號寬度(從差分的窗口中體現(xiàn))得到一個或者幾個準(zhǔn)激光點位置；對這一個或者幾個準(zhǔn)激光點位置的周圍信號再次做差分處理，根據(jù)二階導(dǎo)數(shù)的幅值(二階差分近似)對激光點位置進(jìn)行最終的確定；實驗表明，實用該算法搜索激光點的位置，概率近似能達(dá)到百分之百。

該工作是在一維信號上做出處理，相對方便，并且定位精度較高；最后由一維信號定位反推出二維圖像信號上的激光點坐標(biāo)，至此完成激光點位置的自動提取。

當(dāng)完成對當(dāng)前激光點位置的提取后，需要根據(jù)兩次標(biāo)定的數(shù)據(jù)與此時激光點的坐標(biāo)計算當(dāng)前移動設(shè)備與目標(biāo)之間的距離。

如圖5所示，根據(jù)幾何光學(xué)的理論，可得到以下推導(dǎo)公式用于當(dāng)前目標(biāo)距離的計算：

其中L_n1和L_n2是兩次標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)距離，(x_n1,y_n1)和(x_n2,y_n2)分別為兩次標(biāo)定時激光點的位置坐標(biāo)，(x_c,y_c)為光心位置坐標(biāo)，f為相機(jī)焦距；由光學(xué)成像系統(tǒng)是針孔模型，成像的過程可看做是點投影的過程；由世界坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系的過程無法看做是簡單的線性縮放；將兩者之間的非線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性關(guān)系，需要做幾何空間的轉(zhuǎn)換，即上述的計算過程；至此完成了由(x_n1,y_n1)和(x_n2,y_n2)向(x'_n1,y'_n1)和(x'_n2,y'_n2)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

最后使用兩個方向計算得到距離值的平均值用于最終的距離：其中x和y分別為當(dāng)前激光點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；所求的L_x和L_y分別表示由橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)計算得到的當(dāng)前目標(biāo)距離。

之所以同時采用橫向和縱向坐標(biāo)來計算的原因是一般相機(jī)鏡頭會有一定的畸變，并且橫向與縱向的畸變大小也有所差異；為了消除畸變等因素造成的誤差，同時采用兩個方向的坐標(biāo)計算當(dāng)前目標(biāo)距離，并去兩者的平均值。

最后需要指出的是，計算過程中使用到的相機(jī)焦距需要標(biāo)定，標(biāo)定方法采用的是張正友棋盤格相機(jī)標(biāo)定方法；相機(jī)標(biāo)定過程需要不少于15張從不同方向不同距離對大小為11*11的棋盤格的拍攝照片；

本實用新型的基于激光投射技術(shù)的移動設(shè)備測距裝置使用點激光器投射的激光斑作為距離的標(biāo)記，搭配了移動設(shè)備自帶的相機(jī)，完成了對目標(biāo)距離的精密測量；根據(jù)本實用新型實現(xiàn)的測距裝置可以在4m的測量范圍內(nèi)保證2mm的測量精度。

盡管已經(jīng)示出和描述了本實用新型的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本實用新型的原理和精神的情況下可以對這些實施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本實用新型的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。