CN101324430A

CN101324430A - 基于相似原理的双目测距法

Info

Publication number: CN101324430A
Application number: CNA2008100006445A
Authority: CN
Inventors: 王少萍; 岳荣刚; 焦宗夏; 李凯
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2008-12-17

Abstract

本发明属于移动机器人领域，提出了一种新型双目测距法。该测距法的硬件主要包括两个焦距不同的摄像头、图像采集卡、摄像头控制电机和主控计算机。根据三角形的相似原理，以及焦距、物距和象距的关系公式推导出被测物体的距离和尺寸计算公式。利用两个焦距不同的摄像头对被测物体进行成像，得到两个尺度不同的图像，主控计算机通过相应算法算出被测物体在两个图像中的不同尺寸，将这两个不同的尺寸代入计算公式，就可以得到被测物体的距离和尺寸信息。该方法使机器人同时拥有望远镜和广角镜效果，提高其感知世界的深度和广度。根据该方法的原理公式，不用测出象距就可以计算出物体的距离信息，从而节省了位移传感器的使用，降低了成本。

Description

基于相似原理的双目测距法

技术领域

本发明属于智能移动机器人领域，提出了一种新型双目测距法。

背景技术

要实现智能移动机器人的自主运动，就离不开路径规划和实时避障，而实时避障的一个关键技术就是准确地测出机器人到障碍物的距离。目前常用的测距方法主要分为主动测距和被动测距两类。

(1)主动测距

主动测距法是通过特定的装置发出能量，测距***根据反射回来的信息来测量物体的距离，它主要包括反射能量法、超声时间法等。反射能量法需要特殊仪器发射一束光(通常是近红外光或激光)照射到被测物体表面，仪器同时接收被测物体的反射光能量，根据接收到的反射光能量来判断被测物体的距离；超声时间法测量一束超声波从发射到反射回仪器的时间来判断被测距离。主动测距法的优点是受外界环境干扰较小，其缺点是需要额外的能量发射装置，增加了设备成本，而且有的可能需要能量传播介质(如超声时间法)，受环境影响较大，限制了其使用场合。

(2)被动测距

被动测距法是根据被测物体本身发出的信号(如光信号)来测量物体的距离，它通常与机器视觉相联系，主要包括立体视觉测距法、单目测距法、测角被动测距法等。立体视觉测距法是仿照人类利用双目感知距离的一种测距方法，该方法的难点是选择合理的匹配特征和匹配准则，以保证匹配的准确性，而且使机器人感知世界的深度和广度有限；单目测距法是通过在光学***中引进满足一定条件的“mask”，使成像***的光学传递函数形成一系列周期变化的与目标物体距离有关的零点，该方法要求目标物体具有低空间频率特性，同时需要精密仪器测出像距信息；测角被动测距法是美国海军有关单位提出的一种测距方法，通过对目标两次测角来实现测距，该方法要求平台加速度不能为零。

可见上述的各种主动测距和被动测距方法都存在一定的缺点或不足。

本发明的目的是：

为智能移动机器人提供一种低成本、高精度、易于实现的测距方法，同时可以提高机器人感知世界的深度和广度。

本发明的技术方案是：

基于相似原理的双目测距法，其硬件主要包括两个焦距不同的摄像头、图像采集卡、摄像头控制电机和主控计算机。两个焦距不同的摄像头对一个被测物体进行成像，得到两个尺度不同的图像，图像采集卡将两个图像发送到主控计算机，通过相应的算法计算出被测物体在两个图像中的不同尺寸。再根据三角形的相似原理，以及焦距、物距和象距的关系公式就可以计算出被测物体的距离和尺寸信息。

本发明的优点是：

基于相似原理的新型双目测距法在应用中会采用两台焦距不同的摄像头，可以使机器人同时拥有望远镜和广角镜，提高机器人感知世界的深度和广度。根据该方法的原理公式，不用测出象距就可以计算出物体的距离信息，从而节省了位移传感器的使用，降低了成本。通过一系列的实验，也验证了该方法精度高、易于实现。

附图说明

图1是新型双目测距法的原理图

图2是新型双目测距***的结构框图

图中标号说明

(1)数字系列：

1-透镜一；2-透镜二；3-双目摄像头；4-摄像头转向电机码盘；5-码盘转数；6-主控计算机；7-运动规划控制***；8-运动指令；9-运动电机；10-视觉信息；11-图像采集卡。

(2)字母系列：

AB-被测物体；h-被测物体的长度；u-被测物体到两个透镜的距离；O₁-透镜一的中心；O₂-透镜二的中心；f₁-透镜一的焦距；f₂-透镜二的焦距；A₁B₁-AB通过透镜一的成像；A₂B₂-AB通过透镜二的成像；v₁-透镜一成像的象距；v₂-透镜二成像的象距；h₁-被测物体通过透镜一成像的尺度；h₂-被测物体通过透镜二成像的尺度。

具体实施方式

首先详细介绍一下该新型测距法的工作原理：

新型双目视觉测距法的原理图如图1所示。在图1中，根据三角形的相似原理，得出以下等式：

\frac{h_{1}}{v_{1}} = \frac{h}{u} = \frac{h_{2}}{v_{2}} - - - (1)

由(1)式可得：

v_{1} = \frac{h_{1} v_{2}}{h_{2}} - - - (2)

由焦距、物距和象距的关系公式得：

\{\begin{matrix} \frac{1}{f_{1}} = \frac{1}{u} + \frac{1}{v_{1}} \\ \frac{1}{f_{2}} = \frac{1}{u} + \frac{1}{v_{2}} \end{matrix} - - - (3)

对(2)式和(3)式进行整理，得到物距的计算公式：

u = \frac{f_{1} f_{2} (h_{1} - h_{2})}{h_{1} f_{2} - f_{1} h_{2}},

当f₁≠f₂时 (4)

并得到被测物体尺寸的计算公式：

h = \frac{h_{1} h_{2} (f_{1} - f_{2})}{h_{1} f_{2} - f_{1} h_{2}},

当f₁≠f₂时 (5)

(1)、(2)、(3)、(4)和(5)式中：

h-被测物体AB的长度，对应图1中的|AB|；U-被测物体到透镜的距离，对应图1中的|AO₁|；h₁-被测物体通过透镜一成像的尺度，对应图1中的|A₁B₁|；h₂-被测物体通过透镜二成像的尺度，对应图1中的|A₂B₂|；v₁-透镜一成像的象距，对应图1中的|A₁O₁|；v₂-透镜二成像的象距，对应图1中的|B₂O₂|；f₁-透镜一的焦距；f₂-透镜二的焦距。

下面介绍一下该测距法在应用中的具体实施方式：

在实际应用中，可以使用两个焦距不同的摄像头作为两个透镜，首先要知道两个摄像头的焦距f₁和f₂，再通过相应的算法得到两个摄像头成像的尺寸h₁和h₂，就可以计算出被测物体的距离和尺寸信息。

可以设计如图2所示的双目视觉***。两个摄像头3由伺服电机驱动，其视角可达360°。伺服电机装***盘4，用来计算摄像头的摇摆角度和俯仰角度。图像采集卡11将摄像头传来的视觉10信息传至主控计算机6进行预处理，再融合码盘转数5等信息，经软件处理后得到相应指令，车载运动规划控制***7根据这些指令向运动电机9发出运动指令8，以控制机器人的运动。

Claims

1.该测距法的硬件主要包括两个焦距不同的摄像头、图像采集卡、摄像头控制电机和主控计算机。根据三角形的相似原理，以及焦距、物距和象距的关系公式可以推导出被测物体距离的计算公式。

u = \frac{f_{1} f_{2} (h_{1} - h_{2})}{h_{1} f_{2} - f_{1} h_{2}},

当f₁≠f₂时

并得到被测物体尺寸的计算公式：

h = \frac{h_{1} h_{2} (f_{1} - f_{2})}{h_{1} f_{2} - f_{1} h_{2}},

当f₁≠f₂时

利用两个焦距不同的摄像头对一个被测物体进行成像，得到两个尺度不同的图像，图像采集卡将两个图像发送到主控计算机，通过相应的算法计算出被测物体在两个图像中的不同尺寸，将这两个不同的尺寸值代入推导的计算公式中，就可以得到被测物体的距离和尺寸信息。