CN109917411B - 基于激光测距和三轴加速度计的障碍物检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光测距和三轴加速度计的障碍物检测装置及方法，属于信号检测领域。该装置包括激光测距模块、三轴加速度计和处理计算模块；激光测距模块用户测量获取光斑到***基板的距离；所述三轴加速度计用于采集获取在x轴、y轴和z轴三个方向上的的加速度值；处理计算模块用于对激光测距模块和三轴加速度计获取的数据进行计算、矫正和比较，得出与警告阀值之间的关系，判断某一方位是否有障碍物。本发明的装置较传统检测装置，结构简单，成本低，能耗低，实时性强；可单独构成一套完整***，独立运行，或集成在已有设备上运行。

Description

基于激光测距和三轴加速度计的障碍物检测装置及方法

技术领域

本发明属于信号检测技术领域，涉及一种基于激光测距和三轴加速度计的障碍物检测装置及方法。

背景技术

当今，由于智能设备(如智能手机)的普及，出现了越来越多的低头族，然而边走路边玩手机具有很多潜在危害，诸如跌落台阶，目前已有多起此类致伤案例。因此，研究路面障碍物检测技术具有较好的实用价值和社会价值。

目前，常用的障碍物检测装置主要包括以下几种：

(1)基于单目摄像头视觉图像的障碍物检测装置：利用机器学习技术从图像中分割和识别到障碍物，此法成本较高且需要消耗较大的处理器算力；利用光流或动态图像识别障碍物，此法成本较高，实时性差且需要消耗较大算力。

(2)基于多目摄像头视觉图像的障碍物检测装置：利用双目或多目摄像头可以获得图像的景深信息，继而区分前景和背景并识别障碍物。此法成本较高。且以上利用摄像头的方法的性能均受制于外部光线条件。

(3)基于激光雷达的障碍物检测装置：通过激光测距并旋转激光发射器的方法获得周围物体的精确距离和方位信息，此法成本极其高昂，且能耗较大，不适用于嵌入式设备。

(4)简易的单束激光测距装置：通过调制光波上的相位信息，通过计算相位差获得激光发射器和障碍物之间的距离，成本较低且计算复杂度低，装置实时性强。但在动态装置中，难以确定激光某一时刻的指向，其测距信息无法有效用于障碍物检测。

因此，发明一种可以有效在步行时侦测台阶并发出警报的装置具有较好的实用价值和社会价值。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于激光测距和三轴加速度计的障碍物检测装置及方法，将定向激光测距和三轴加速度计结合，利用三轴加速度计信号校正激光测距信息，通过动态监测校正后的激光测距信息更有效地检测某一方位的障碍物。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于激光测距和三轴加速度计的障碍物检测装置，包括激光测距模块、三轴加速度计和处理计算模块；其中，所述激光测距模块和三轴加速度计均固定在***基板上；所述处理计算模块软性连接在***基板上；

所述激光测距模块发出的激光束与***基板垂直，通过发生激光并检测光斑出现的相位差，利用相位差计算光斑到***基板的距离；

所述三轴加速度计用于采集获取在x轴、y轴和z轴三个方向上的加速度值g_x,g_y,g_z，其中x轴和y轴所在平面与***基板平行；

所述处理计算模块用于对激光测距模块和三轴加速度计获取的数据进行计算、矫正和比较，得出与警告阀值之间的关系，判断某一方位是否有障碍物。

进一步，该装置还包括报警模块，根据从处理计算模块获得的报警信号进行报警，即有障碍物时报警。

进一步，报警信号通过声光或震动形式向用户传递，处理计算模块所产生的报警信号将通过处理器的I/O引脚输出到报警模块，例如声音报警，闪光报警，屏幕信息提示报警，震动报警或以上综合。

进一步，根据所述装置的一种基于激光测距和三轴加速度计的障碍物检测方法：利用三轴加速度计信号校正激光测距信息，通过动态监测校正后的激光测距信息更有效地检测某一方位的障碍物，具体包括以下步骤：

S1：选取激光测距模块所在位置为测量基点，选取当0°≤α₀＜arccos(h/M)时激光束与待测平面相交形成的点为测量参考点，其中α₀为***基板所在平面与待测平面的夹角，h为测量基点到待测平面的垂直距离，M为激光测距的最大工作距离；

S2：通过激光测距模块测得的测量基点到测量参考点的实际距离r；

S3：获取三轴加速度计的三个轴x轴，y轴，z轴的加速度值g_x,g_y,g_z；

S4：计算矫正距离；

S5：处理计算模块比对多个测量周期的测量结果，以此判断待测平面上是否有障碍物。

进一步，所述步骤S4中，计算矫正距离的具体步骤为：

S41：根据加速度值计算出***基板与待测平面的夹角

其中

S42：利用三角函数计算测量基点距离待测平面的垂直距离L_h＝r×cosα，或测量基点和测量参考点之间的距离

进一步，所述步骤S5具体包括：在激光测距模块选定测量基点后，保持***基板和待测平面之间的夹角α不变，本模块在T时刻测量得到测量基点B和测量参考点R之间的距离为L_r0，任意时间t之后，即T+t时刻，测量测量基点B和测量参考点R之间的距离为L_r1，若L_r0和L_r1的值相比发生显著变化，则表明待测平面存在起伏，即可能存在障碍物，此时报警***发出警告。

进一步，所述发生显著变化的标志定义为rate＝(L_r1-L_r0)/L_r0，通过预先设定或用户设定的警告阈值θ，当rate≥θ时，报警模块发出报警信号，表示路面有障碍物；否则不报警，表示路面无障碍物。

本发明的有益效果在于：本发明将定向激光测距和三轴加速度计结合，利用三轴加速度计信号校正激光测距信息，通过动态监测校正后的激光测距信息更有效地检测某一方位的障碍物。相比同应用领域传统的装置具有构成简单，成本低，能耗低，实时性强的优点。

本发明还可以借由已有手持设备，如手机的部分硬件来实现，也可单独构成一套完整***，独立运行，或集成在已有设备上运行。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述检测装置内部结构示意图；

图2为本发明所述检测装置工作时的示意图；

图3为本发明所述检测装置的检测方法流程图；

图4为手持装置时进行台阶侦测示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

请参阅图1～图4，图1为本发明所述基于激光测距和三轴加速度计的障碍物检测装置，主要由三个硬件模块组成：激光测距模块，三轴加速度计，处理计算模块。这三个模块需要固定或软性连接在本装置基板上，其中软性连接时需要确保激光测距模块和三轴加速度计的相对位置与空间内的姿态稳定。图2为本发明所述装置在工作时的示意图，其中激光束与***基板垂直；图3为本发明所述检测装置的工作流程图。

1)激光测距模块：

激光测距模块通过发生激光并检测光斑出现的相位差，利用相位差计算光斑到本***的距离。在本发明中，激光束与***基板垂直，激光束所在直线和***基板所在平面的交点称为测量基点。相较于测量距离，基板厚度和激光模块的厚度和体积可以忽略，因此为便于描述，可认为激光模块所在位置即测量基点。

本模块在测距时，会测量测量基点与参考点之间的距离。在检测障碍物时，可以选取平整地面上的一点为参考点，并通过监测不同时刻测量基点和参考点之间的距离变化判断障碍物的存在。激光测距的最大工作距离为M时，参考点的选取范围为：测量基点在待测平面上的投影点S为圆心，半径

的圆形范围内待测平面的任一点，其中h为测量基点到待测平面的垂直距离，h小于M。例如可以选取***基板所在平面与平整地面夹角为α₀＝45°时激光束与平整地面相交的点为测量参考点；更普适地，在一次完整的测量过程中，可以选取任意0°≤α₀＜arccos(h/M)时激光束与待测平面相交形成的点为测量参考点。

2)三轴加速度计：

由于***基板与待测平面夹角α不固定，例如手持状态时本***与待测平面之间的夹角可能会随着运动状态的变化而发生变化。对于理想激光测距模块，当夹角α由0度趋近90度时，实测得到的r值由***距离待测平面的距离由h逐渐趋近+∞，对于实际激光测距模块，r值会逐渐由h趋近激光测距模块最大工作距离M。由于***发出报警需要比较测量基点和固定角度参考点之间的测距结果，因而需要矫正夹角不同带来的测量偏差。

矫正过程分为三个步骤：

a.获取三轴加速度计的三个轴x轴，y轴，z轴的加速度值g_x,g_y,g_z；

b.根据加速度值计算出***基板与待测平面的夹角α；

c.利用三角函数计算***基板上的测量基点距离参考平面的垂直距离L_h或其它任意给定固定α_r时测量基点和测量参考点之间的距离L_r。

如图2，其中EB边为x轴，BR边为z轴，其中x,y轴确定的平面平行于***基板所在平面，z轴正方向和激光束方向平行。那么

L_h＝r×cosα，

在同时考虑俯仰角α和侧倾角β的时候，需要通过g_x,g_y,g_z的值来计算，首先通过g_x和g_y计算沿***基板平面的合向量

此后利用合向量和g_z计算

此后计算过程与前述相同，即L_h＝r×cosα，

3)处理计算模块：

本模块用于完成上述计算过程和发出报警信号。采用ARM处理器，但计算模块不限于ARM处理器。激光测距模块和三轴加速度计采集到的信号交由处理计算模块完成获取和量化。按照上述过程完成距离计算和完成对***姿态造成测量差异的矫正。

本模块负责监测周期的产生和管理，即管理何时初始化其它几个模块，何时启动采集过程，何时获取采集结果，以及何时比对多个周期的测量结果。

本模块最重要的工作是比对多个测量周期的测量结果，以此判断待测平面上是否有障碍物。在激光测距模块选定测量基点后，保持***基板和待测平面之间的夹角α不变，本模块在T时刻测量得到测量基点B和参考点R之间的距离为L_r0，任意时间t之后，即T+t时刻，测量基点B和参考点R之间的距离为L_r1，若L_r0和L_r1的值相比发生显著变化，则表明待测平面存在起伏，即可能存在障碍物，此时报警***发出警告。显著变化的标志可以定义为rate＝(L_r1-L_r0)/L_r0，通过预先设定或用户设定的警告阈值θ，当rate≥θ时发出报警信号。

报警信号可以通过声光或震动形式向用户传递，本模块所产生报警信号将通过处理器的IO引脚输出到后续实施报警功能的模块，例如声音报警，闪光报警，屏幕信息提示报警，震动报警或以上综合。

如图4所示，本装置的一种典型的工作场景：手持装置时进行台阶侦测，当持有该装置的人员遇到台阶时，由于测距发生了突变，报警模块将发出报警提醒，以此提醒行走人员注意台阶，避免摔倒等事故。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于激光测距和三轴加速度计的障碍物检测装置，其特征在于，该装置包括激光测距模块、三轴加速度计和处理计算模块；其中，所述激光测距模块和三轴加速度计均固定在***基板上，所述处理计算模块软性连接在***基板上；

所述激光测距模块发出的激光束与***基板垂直，通过发生激光并检测光斑出现的相位差，利用相位差计算光斑到***基板的距离；

所述三轴加速度计用于采集获取在x轴、y轴和z轴三个方向上的加速度值g_x,g_y,g_z，其中x轴和y轴所在平面与***基板平行；

所述处理计算模块用于对激光测距模块和三轴加速度计获取的数据进行计算、矫正和比较，得出与警告阀值之间的关系，判断某一方位是否有障碍物；

该装置的检测方法是利用三轴加速度计信号校正激光测距信息，通过动态监测校正后的激光测距信息检测某一方位的障碍物，具体包括以下步骤：

S1：选取激光测距模块所在位置为测量基点，选取激光束与待测平面相交形成的点为测量参考点；

S2：通过激光测距模块测得的测量基点到测量参考点的实际距离r；

S3：获取三轴加速度计的三个轴x轴，y轴，z轴的加速度值g_x,g_y,g_z；

S4：计算矫正距离，具体步骤为：

S41：根据加速度值计算出***基板与待测平面的夹角

其中

S42：利用三角函数计算测量基点距离待测平面的垂直距离L_h＝r×cosα，或其它任意给定固定角度α_r时，测量基点和测量参考点之间的距离

S5：处理计算模块比对多个测量周期的测量结果，以此判断待测平面上是否有障碍物。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光测距和三轴加速度计的障碍物检测装置，其特征在于，该装置还包括报警模块，根据从处理计算模块获得的报警信号进行报警，即有障碍物时报警。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光测距和三轴加速度计的障碍物检测装置，其特征在于，报警信号通过声光或震动形式向用户传递，处理计算模块所产生的报警信号将通过处理器的I/O引脚输出到报警模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光测距和三轴加速度计的障碍物检测装置，其特征在于，所述步骤S5具体包括：在激光测距模块选定测量基点后，保持***基板和待测平面之间的夹角α不变，本模块在T时刻测量得到测量基点B和测量参考点R之间的距离为L_r0，任意时间t之后，即T+t时刻，测量测量基点B和测量参考点R之间的距离为L_r1，若L_r0和L_r1的值相比发生显著变化，则表明待测平面存在起伏，即可能存在障碍物，此时报警***发出警告。

5.根据权利要求4所述的一种基于激光测距和三轴加速度计的障碍物检测装置，其特征在于，所述发生显著变化的标志定义为rate＝(L_r1-L_r0)/L_r0，通过预先设定或用户设定的警告阈值θ，当rate≥θ时，报警模块发出报警信号，表示路面有障碍物；否则不报警，表示路面无障碍物。

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