CN1292878A - 探测目标位置的光探测器系统 - Google Patents

Abstract

本发明建议了一种产生水平光带的特殊光源。该光带由探测器系统的环境范围内的目标进行反射,并通过一种特殊的成像装置被导到光电转换器上。在描述这种成像装置时,使远距离目标在显示时的相互间隔要稍微远一些,这样,对于离探测器系统较远的目标,利用一种具有常规线性分辨率的物镜就可在整个像面上实现较好的位置分辨率。优选将发光二极管装设在柱镜的光轴上,以作为光发射单元。由一个分析单元对光电转换器发出的电信号进行位置分析,再借助三角测量确定出对光进行反射的目标的距离。

Description

探测目标位 置的光探测器系统

本发明涉及一种侦察目标和确定目标位置的光探测器系统。这种探测器系统可优选地设置在自主式移动系统上，以便为其在未知环境中进行定向。

这些处于发展和规划阶段的自主式移动系统在将来日常生活中也会越来越多地遇到。这些系统通过借助一个能使它们弄清环境景象的定向系统，独立地执行它们所担负的任务，这样便可完成运输和卫生清洁任务。除了进行不同的路径设计算法和评估算法外，探测器系统还对自主式移动单元探测其在环境中所遇到的障碍具有很大意义。为了使自主式移动系统对客户有吸引力，大量制造这些系统时的成本低廉、技术简单是特别重要的。因此，在自主式移动系统环境中，探测目标位置的探测器系统必须具有较好的鲁棒性、且制作成本低廉。

从现有技术水平可得知一些利用三角测量探测目标的光探测器系统。譬如，有一种专用的测试方法是用带状照明来实施有源的光学三角测量。如，组成这种测试系统的主要单元有：一个在空间上作带状照明的光源、一个光成像系统、一个二维图像接收机、以及一个处理和分析由图像接收机收到的信号的电子装置。为了进行三角测量，这种系统需要一个只照射带状空间的光源。此光源一个重要特征在于其辐射光功率的表面密度。对这种光源的要求就是光功率必须足够大，以便能够识别黑暗目标。该光源的另外一个特征在于照明带的密度，它不仅影响所探测空间范围的大小，而且也影响被测目标在位置测量时的分辨率。

目前，已知照射成一个光带的光源在实施时具有下列几种可能性：一个柱形透镜置于视准仪物镜的前面，该视准仪物镜对准激光光源或者白炽灯、卤灯或弧光灯发出的光；利用视准仪物镜将白炽灯或卤灯的光平行化，并通过锥镜使这些光扇形化。在此，所用的成像系统首先必须满足两个主要要求。其一，必须将需要测量的空间范围成像在二维图像探测器的表面上。其二，确保要测量目标的所需位置分辨率。对此，在光电转换器上成像后仍能分辨的目标之间的最小距离被理解为位置分辨能力。该最小距离是通过成像系统确定的，同样也是通过所用的转换器确定的。在此，对于尽可能以整个半空间的形式使大空间范围产生广角成像，以及用相同物镜产生足够的距离分辨能力，这两种任务的要求是相互矛盾的。通过这种成像系统来扩大测量范围的一种可能方法在于：使用一种产生不失真图像的广角物镜。可是，这种具有多个透镜的物镜有一个缺点，就是它不能使整个半空间围绕物镜成像。另一方面，使整个半空间成像的其它物镜在工作时会出现失真，且其购置昂贵。失真的物镜在三角测量中也影响位置的分辨率。在此，靠成像系统较近的两个相邻物体的散射光成像之间的像面距离要比离成像系统较远的两个相邻物体的像面距离大。于是，这就导致了位置分辨率随离物镜或成像系统距离的增大而变得越来越差。通过使用标准或非球形的折射面-象通常采用标准物镜那样，远离成像系统的物体将不能够彼此在一起成像。为了使这些物体成像，必须使用一种能最佳用于该特殊目的的光成像单元，而这种成像单元未能从参考文献上找到。

欧洲公开EP 0358628 A2的题为“构成可视导航和避开障碍物的光学系统(Visual navigation and obstacle avoidance structured lightsystem)”一文中公开过一种用在运输工具上的三角测量系统，这种运输工具借助带状照明和成像系统的一个标准物镜进行工作。这种方案的缺点在于，一方面，运输工具只能探测位于行驶方向前面的物体，另一方面，通过采用标准物镜，在足够分辨率的情况下，只能对有限范围和近距离目标进行目标测距。在如下的文献中，公布的是借助一个锥镜和一个物镜使环境成像：由R．A．Jarvis，J．C．Byrne所写的文章：“具有地图建造和路径寻找能力的自动制导运输工具(Anautomated guided vehicle with map building and path findingcapacilities)”；由R．C．Bolles和B．Roth编著的“第4届机器人研究国际研讨会”，第497-504页，MIT出版，剑桥，马萨诸塞，1988年；和Y．Yagi，Y．Nishizawa，M．Yachida所写的“使用全景图像探测器COPIS的、基于地图的移动机器人导航(Map based navigation of themobile robot using omnidirectional image sensor COPIS)”，1992 IEEE机器人和自动化国际会议记录，1992年5月，法国Nice。在远离目标时，所用的锥镜不改变系统的分辨率。此外，分辨率是通过摄像机的物镜来确定的。在J．Hong，X．Tan，B．Pinette，R．Weiss，E．M．Riseman所著的文章“基于图形的自动寻的(Image-based Homing)”(1991 IEEE机器人和自动化国际会议记录，1991年4月，加利福尼亚Sacramento)中公布的是借助一种球面球体来使环境成像。但其中没有使用有助于三角测量的带状照明。所说的这种无源系统有个缺点在于：由于不能进行三角测量，目标也不是用已知位置高度的光线进行照射的，所以位置信息很难被推导出来。为了进行分析，必须引入一种实时图像处理系统，该系统对计算机容量要求较高，所以其费用也高。此外，P．Greguss的文章“用于空间研究和机器人技术的、以PAL-光学为基础的仪表(PAL-Optik basierende Instrumente fuerRaumforschung und Robot-Technik)”，激光和光电子学杂志28(5)／1996，43-49页，公开了采用一种PAL物镜用于自主式移动机器人的导航任务。Greguss的PAL物镜是一个广角成像单元，该单元包括两个镜面和一个可折射的非球面表面，并且能使整个半空间成像。其中也讲述了PAL光学系统对机器人的应用，且其被作为有源三角测量的障碍识别系统的成像单元。

本发明的任务在于，提供一种可装配在运输工具上的光探测器系统，譬如装在自主式移动机器人上，该系统在实施时技术简单，且可围绕运输工具进行全方位的障碍探测，其中，该光探测器系统的成像系统不仅能对距系统小于50cm的目标进行定位，而且在远离系统达2m以上的距离时，还具有一个足够的、约5-10cm的位置分辨能力和一个＜1°的角度分辨率。

该任务根据权利要求1的特征来实现。本发明的扩展由从属权利要求给出。

所述的探测器系统优选地由一些光源组成，这些光源以带状形式环绕着单元以照射自主式机动单元的周围环境，因为，这样可围绕单元对障碍或目标进行同时探测。在此，还可优选地装设多个相叠排列的光源，且这些光源按不同的时间间隔接通，以便对空间的不同高度进行探测或测量。此外，通过使用特殊的广角成像单元(该单元只有单一拱形的、呈球形或非球形的镜面进行导光)，以及结合一个物镜、一个滤光器以及一个光电转换器，由被照射的目标散射的光可优选地通过它们，其中，周围环境通过成像系统被投射到转换器上。利用这种装置，可以用尽可能少的技术费用来完成该任务。

根据本发明的扩展，通过用仿样函数来表示广角成像单元的非球形镜面的形状，可以优选地获得最佳的空间覆盖能力和最佳的分辨能力。仿样函数以下列方式来描述成像单元的形状：按照所用物镜的类型，由仿样函数放大地表示出远距离范围。在此，利用仿样函数如此来描述距离范围和描述对相应距离范围有效的、非球形成像单元的子范围，使得相邻的多项式函数在各个探测范围的过渡点都具有相同的值和相同的导数，所以，使用的函数是连续的、不间断的。通过使用这样的成像单元可优选地实现：具有常规视角的简单物镜可适用于本发明扩展所需要的广角线性成像特性。通过使用仿样函数可实现：在光穿过物镜之前，使从远距离区域散射回来的光线产生预期的预失真，这样，较远的区域可用较高的分辨率显示出来，该分辨率比通常采用物镜时要高。利用这种方式提供的成像系统是一种制造广角、线性光学系统的简单经济方案。

下面，利用附图进一步说明本发明的实施例。

图1示出了一个探测器系统的实施例。

图2用侧视图示出了所用光源的可能装置。

图3示出了围绕探测器系统产生光带的一种可能装置。

图4示出了围绕探测器系统产生光带的另一种实施方案。

图5示出了围绕成像装置产生光带的另一种实施方案。

图6用侧视图示出了装在运输工具或机器人上的探测器系统的可能结构。

图7示出了探测器系统和运输工具的顶视图。

图8示出了使用一维光电转换器的探测器系统。

图9示出了采用二维光位置探测器的实施方案。

如图1所示，它给出了所述探测器系统的一种可能实施方案，该探测器系统由4个光源1环绕地照射出光带。对于这些照射出光带的光源装置，要特别注意，必须使这些光带处于一个与底座基本平行的平面上，而装有探测器的自主式移动单元可以在该底座上移动。如果该种装置不能做到面平行，则会使三角测量变得更为困难，因为在分析反射光束时，应让这些光束在不同的角度位置上都能遇到反射的目标，这样才能产生不同的三角测量角度，以便在三角测量时确定目标的距离。在此，光源1产生照射空间的光带2。所用的成像单元4通过物镜6将目标3散射回来的光投射到光电转换器7上，在该装置中，转换器7被构造为摄像机5的二维CCD图形探测器。光电转换器7与一个譬如装有计算机的分析电子装置8相连，分析电子装置8是确定目标位置的探测器系统的一部分。利用有源的光三角测量原理，分析电子装置8可根据投射到光电转换器7上的图形来确定目标3的位置，其中，尤其根据光带照射平面的高度来应用物镜6和成像单元4的成像特性。这种探测器系统优选地被用到移动运输工具12上，譬如移动机器人。在此，由分析电子装置8确定运输工具12或机器人的当前控制信息，根据这些信息，可计划出单元的其它运行通道。譬如，这些信息提供了目标3的位置，那么运输工具12在目标3之下穿过，或必须在目标3之间穿行。

按图1所示的实施方案，成像单元4的光轴优选地垂直于光源1所发出的光带2。按照这种实施方案，成像单元4被实施为一种具有球形或非球形镜面9的光单元，其中，在成像系统中，采用镜面9的外面使反射光束成像。由光源发出的光带和由目标3反射的光束通过目标3再经过成像单元4投射到光电探测器7上，如图中用数字标明的光程所示。在此，根据物镜和成像单元4的成像特性，投射到光电探测器7上的光束的距离反映了探测器系统中探测目标3的距离。按图1所示探测器系统的实施方案，每种任意的二维图形探测器7都可使用。譬如，可以采用光电二极管矩阵来代替二维CCD探测器，以作为光电转换器7。

图2用侧视图示出了所用光源1的一种可能的原理实施方案。在此，图2所示光源1由一个按照用途而具有非球形截面的柱镜11组成，还有一个光发射器10，如发光二极管。这些光发射器位于柱镜11的焦点线上。在此，光发射器10按顺序毗邻地排在柱镜11的焦点线上，这样，光发射器10的发光面便指向非球形柱镜11的方向。在此，由光发射器10发出的光首先到达非球形柱镜11，并紧接着通过镜子以光带2射出。通过使用一个与光发射器10相匹配的非球形镜构造，可实现使光源1照射出一条平行的光带。对此，还应提及的是，发光二极管(LED)是一种价格适宜、简单和小型的光源，并且由于所选的发光二极管设置在柱镜的轴上，从而可提供一种成本效率高的光源。

如图3所示，产生光带2的一种可能原理装置由柱镜的一部分组成。在这里，柱镜11对光发射器10呈所谓的离轴式排列，因此，只有前述图2所示柱镜11的一部分得到应用。在此，光发射器10可优选地由LED构成，并且按顺序排在非球形柱镜的焦点线上，以便使其发光面朝向非球形柱镜11的方向。采用这样的光源同样也能产生对探测器系统有效的平行光束。这可从用箭头示出的光程看出。

如图4所示，为了围绕成像装置产生照射光带2，另一种可能的方案是使一种平行光束旋转。在此，旋转光束2以如下方式产生，即不仅光发射器10，而且视准仪光学装置14也围绕着轴t旋转。譬如，另一种这样的实施方案是，光发射器10和视准仪光学装置14都固定住，而光束2利用旋转的镜子作环绕运动。

图5示出了另一种环绕地发出光带2的可能实施方案。按照该实施方案，光带2由锥镜15产生。在此，由光发射器10发出的光首先平行地通过视准仪光学装置14，紧接着通过锥镜15以所需要的光带2呈扇形展开。譬如，在这种实施方案中，光发射器10可示例地构造为白炽灯、卤灯、弧光灯或激光。

图6示出了一种装在自主式移动单元12上的探测器系统的可能结构，该单元12譬如是一个维护机器人。图6示出的是一个侧视图。在移动系统上，可优选地形成多个相叠排列的光带，这些光带由多个相叠的光源1射出。优选地，在产生光带2时，使其在时间上彼此错开，并以脉动形式照射。通过多个光源的相叠排列，可对障碍实现更好的高度区分。为尽可能地探测和测量围绕运输工具的所有障碍，优选地装设了两个成像单元4，该两个成像单元4与其所属的摄像机5一起被放在运输工具12的两个对角上。在对障碍进行三角测量时，由分析电子装置确保求出当前接入光源的相应高度位置，以便分析出三角测量结果。

图7用顶视图示出了装有该探测器系统的运输工具12-如机器人-以及探测器系统13的接收范围。如图7进一步所示，在移动系统12的两个对角上分别装有单个的成像单元4。如果两个成像单元4按图7所示的方式设置，则光探测器系统的探测范围13可以扩大到移动系统12的整个环境，或扩大到围绕移动系统的整个空间。

图8示出了采用一维光电转换器7形式的光电转换器7的可能实施方案。穿过物镜6，光线由成像单元4投射到在像面内移动或优选地旋转的一维光探测器上。譬如，该光电转换器7可实施为一维的位置敏感探测器，如实施为CCD或PSD。通过在像面内移动或优选地转动，一维光探测器便可在整个像面内-成像单元4和物镜6使围绕运输工具12的空间范围在该像面上成像-探测到光强度分布。这样获得的测量结果可优选地暂存起来，或与光电探测器的转速同步地进行分析。

图9示出了光电转换器7的另一个可能的实施方案，该光电转换器7在此被表示为二维的位置敏感探测器。在这种实施方案中，光电转换器7实施为一种位于物镜6的后面、且位于其像面上的二维位置敏感探测器。按照这种实施方案，在物镜6和光电转换器7之间设置了一个带有缝隙17的不透光圆盘16。在该圆盘旋转时，由缝隙17当前扫描过的、位置敏感探测器的区域范围总是透光的。譬如，装在不透光圆盘16上的缝隙17只能透过确定空间范围(如张角为1°)的光线。利用这种方式，可以实现具有任意小角度的定向分辨能力。所选择的缝隙宽度取决于：散射回来的光线有多少，或探测器以多大的灵敏度工作，以及光源照射的光带光强有多大。在使用旋转的平行光束作为光带2时-如图4的实施例所示-无须使用圆盘16，因为通过旋转的光源就可确保定向的分辨率。总之，采用所述探测器系统具有的优点是，其接收范围比已知实施方案的范围大，其成像比其它已知三角测量的探测器系统更均匀。通过广角成像，可测量离探测器系统有较远距离的目标的位置。对此，成像单元4的特殊构造可以确保在探测器系统的整个探测范围内测距都有均匀的分辨率，其方法是：由于该成像单元可以散射从目标那儿反射回来的光束，并由此相互拉开远处的目标，所以在一定程度上，可由该成像单元对探测器系统在远距离时的物镜6分辨能力不足进行校正。

Claims (14)

1．一种探测目标位置的光探测器系统，它具有一个照亮环境的光源，一个将目标散射回来的光的强度分布转换成电信号并将该电信号传送给探测器信号分析系统的光电转换器，

其特征在于，

探测器系统具有一个光源(1)，由此在多个空间方向上产生一个或多个水平方向的光带，以及

该光探测器系统具有一个光成像单元(4)，以便反射从目标(3)散射回来的光线，并将其投射到光电转换器(7)上，其中光成像单元(4)只有一个单一的镜面(9)。

2．根据权利要求1所述的光探测器系统，

在光成像单元(4)和光电转换器(7)之间的光程中设有物镜(6)。

3．根据权利要求1或2所述的光探测器系统，

其中光成像单元(4)的光轴与照射的光带(2)垂直，并且有4个光源。

4．根据上述权利要求之一所述的光探测器系统，

具有一个广角成像单元(4)，该广角成像单元(4)只有一个球形或非球形的镜面(9)。

5．根据上述权利要求之一所述的光探测器系统，

其中光成像单元(4)至少有一个由两个仿样函数描述的非球形镜面(9)。

6．根据上述权利要求之一所述的光探测器系统，

至少有两个相叠的光源(1)，用于产生两个相叠的光带(2)。

7．根据上述权利要求之一所述的光探测器系统，

带有一个移动的、一维的位置敏感光探测器，以作为光电转换器(7)。

8．根据上述权利要求1-6之一所述的光探测器系统，

带有一个二维的位置敏感探测器，以作为光电转换器(7)，其中，在光成像单元(4)和光电转换器(7)之间的光程中设有一个空间的光调制器。

9．根据利要求8所述的光探测器系统，

其中装设一个转动的、有缝隙的圆盘(16)或一个液晶调制器，以作为空间的光调制器。

10．根据上述权利要求1-6之一所述的光探测器系统，

其中光电转换器(7)作为二维的图形探测矩阵构成。

11．根据上述权利要求1-5之一所述的光探测器系统，

其中光源(1)作为旋转的光源构成。

12．根据上述权利要求1-10之一所述的光探测器系统，

其中，光源(1)由光发射单元(10)构成，并由一个具有非球形截面的柱形镜面(11)组成，其中光发射单元(10)以发光二极管的形式放置在柱形镜面(11)的焦点线上，以便使单元(10)的发光面朝向柱镜(11)。

13．根据上述权利要求1-10之一所述的光探测器系统，

其中，产生光带(2)的光源(1)由一种已知的诸如白炽灯、卤灯、弧光灯或激光的光发射单元、一个视准仪光学装置(14)和一个锥镜(15)构成。

14．自主式移动单元，它具有根据权利要求1-13所述的探测器系统。

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