CN114296232B

CN114296232B - 一种产生具有区分特征的任意角度圆锥体光柱的方法

Info

Publication number: CN114296232B
Application number: CN202111488752.3A
Authority: CN
Inventors: 吴微
Original assignee: Central China Normal University
Current assignee: Central China Normal University
Priority date: 2021-12-07
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2023-08-08
Anticipated expiration: 2041-12-07
Also published as: CN114296232A

Abstract

本发明公开了一种产生具有区分特征的任意角度圆锥体光柱的方法，包括：S1、构建一条高度h和宽度w的抛物线，将该抛物线放在直角坐标系中，坐标轴原点在抛物线顶点处，得到抛物线函数表达式；S2、由该抛物线绕它的对称轴旋转180度得到具有反射特性的抛物面；S3、将发光源置于该抛物面的焦点，发光源发射出的光线经过抛物面反射后得到角度β的圆锥体光柱，即得到任一角度β的圆锥体光柱，该圆锥体光柱的底部光圈具有内圈亮、外圈暗的区分特征，便于感光装置对该光源进行识别并排除其它光源干扰；本发明可以产生任意角度大小的圆锥体光柱，适用于不同着陆场地环境，可避免***对有效光源的可视检测距离减小，减小后期计算机视觉处理难度。

Description

一种产生具有区分特征的任意角度圆锥体光柱的方法

技术领域

本发明涉及一种产生具有区分特征的任意角度圆锥体光柱的方法，该圆锥体光柱作为结构光进行目标引导。

背景技术

在目标引导相关应用中，例如，对于多旋翼无人机精确着陆应用中，基于结构光的目标引导是一种典型的应用要求。然而，由于光的发散性和环境中其他光源的影响，如果不对着陆点的光源的有效发射角度进行控制，将导致***对有效光源的可视检测距离减小，同时也会增加后期的计算机视觉处理难度。为此，需要对光源发射角度进行控制；再者，在不同的应用场景中，也需要对光源的发射角度的大小进行控制，例如，以无人机精确着陆应用为例，在不同的着陆点，由于着陆场地环境不同，典型的是着陆场地面积的不同、场地周围障碍物的分布不同等，需要对引导无人机着陆的结构光的角度大小进行控制。为此，需要得到角度大小不同的结构光。

除此之外，在无人机通过检测目标着陆地点的光源进行位置调整的过程中，若周边干扰光源较多，会对无人机的位置判断产生影响，因此目标地点的光源应与干扰光源相区分，以便引导无人机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种容易实现、便于对目标地点的光源进行识别并排除其它光源干扰、可动态改变圆锥体光柱的角度以适用于不同着陆场地环境的产生具有区分特征的任意角度圆锥体光柱的方法。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种产生具有区分特征的任意角度圆锥体光柱的方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、构建一条高度h和宽度W的抛物线，将该抛物线放在直角坐标系中，坐标轴原点在抛物线顶点处，得到抛物线函数表达式：

S2、由该抛物线绕它的对称轴旋转180度得到具有反射特性的抛物面；

S3、将发光源置于该抛物面的焦点，发光源发射出的光线经过抛物面反射后得到角度β的圆锥体光柱：

即得到任一角度β的圆锥体光柱，该圆锥体光柱的底部光圈具有内圈亮、外圈暗的区分特征。

本发明产生的圆锥体光柱的底部光圈具有内圈亮、外圈暗的区分特征，便于感光装置对该光源进行识别并排除其它光源的干扰，而且，本发明可以对圆锥体光柱的角度进行控制，产生任意角度大小的圆锥体光柱，可适用于不同的着陆场地环境，且能够避免***对有效光源的可视检测距离减小，同时减小后期的计算机视觉处理难度，因此，本发明产生的圆锥体光柱作为结构光，能够解决基于结构光的寻迹、路径引导等应用问题，同时避免周边其它光源的干扰。

本发明在抛物线宽度w、抛物线高度h和角度β确定的情况下，可以改变角度β以得到小于β的设定角度β1，所述角度β大于设定角度β1，在抛物面的端面上增设不透明且不反光的挡片，所述挡片中心有可供圆锥体光柱射出的圆形孔，所述挡片在抛物线所处的直角坐标系中，其与抛物线的交点至其与圆锥体光柱的交点之间的距离是挡片的长度L，则设定角度β1：

本发明动态改变所述挡片的长度，以得到相对应的任一设定角度的圆锥体光柱，即得到动态可变角度的圆锥体光柱。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

⑴本发明产生的圆锥体光柱的底部光圈具有内圈亮、外圈暗的区分特征，便于感光装置对该光源进行识别并排除其它光源的干扰。

⑵本发明可以对圆锥体光柱的角度进行控制，产生任意角度大小的圆锥体光柱，可适用于不同的着陆场地环境，且能够避免***对有效光源的可视检测距离减小，同时减小后期的计算机视觉处理难度，因此，本发明产生的圆锥体光柱作为结构光，能够解决基于结构光的寻迹、路径引导等应用问题，同时避免周边其它光源的干扰，例如，基于结构光的目标精确引导。

⑶本发明实现容易，实用性强，适于广泛推广和使用。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的原理示意图之一；

图2是本发明的原理示意图之二；

图3是本发明的原理示意图之三；

图4是本发明的原理示意图之四；

图5是本发明的原理示意图之五；

图6是本发明的原理示意图之六；

图7是本发明实施例1构建的抛物线；

图8是本发明实施例3构建的抛物线。

具体实施方式

本发明一种产生具有区分特征的任意角度圆锥体光柱的方法，其中，圆锥体光柱角度(圆锥体角度)即指过圆锥体的顶点和底面直径竖切圆锥体，得到一个等腰三角形，定义该等腰三角形的顶角的角度为圆锥体的角度。

具体包括以下步骤：

S3、将发光源置于该抛物面的焦点A，发光源发射出的光线经过抛物面反射后得到角度β的圆锥体光柱：

对以上步骤进行原理性说明：

1、使用抛物面产生底部光圈中的内圈亮度较高且集中，外圈亮度较暗的圆锥体光柱。

抛物线具有如下性质：从抛物线的焦点发出的光线，经过抛物线反射后，以平行于抛物线对称轴的直线方向反射射出，如图1所示。

将抛物线绕其对称轴旋转180度，可得到具有焦点和反射特性的抛物面。如果将发光源置于该抛物面的焦点，则光线经过反射后将形成圆柱体状的平行光柱。

然而，在实际应用中，抛物线不可能在x轴上无限延伸，因此，必然会有光线不经过抛物线而直接射出，如图2所示，抛物线在x轴上被截断导致光线直接射出。

在圆锥体光柱底部的光圈中，内圈的光线包括了经过抛物面反射的光线以及未经过抛物面而直接射出的光线，外圈仅有直接射出的光线，由此可得到内圈亮度较高且集中，外圈比内圈稍暗的光圈。在用该结构光进行目标引导时，根据光学成像原理，无论是摄像机还是其它的感光装置，在抛物面上方感受到的圆锥体光柱最终会以光圈形式进行成像，并且具有内圈亮度较高且集中，外圈亮度较暗的区分特征，便于与周围的干扰光源进行区分，进行后期的计算机视觉处理。

2、使用抛物面控制光的反射角度。

本发明将对射出的光线进行控制，在得到满足角度条件的圆锥体光柱的同时，控制截断后的抛物线的高度和宽度，进而可以根据实际需求控制抛物面的高度和宽度，如图3所示。

3、对任意的抛物线函数做平移运算，得到简化的抛物线函数。

设平面内任意抛物线函数为y＝ax²+bx+c(a≠0)，对该函数做平移，可以得到下式所示的简化的抛物线函数表示，y＝ax²(a≠0)。不失一般性，同时为了便于描述和理解，假设a＞0。

4、基于给定的抛物线高度和抛物线宽度，求取简化的抛物线函数表达式。

基于简化的抛物线函数式，设抛物线高度为h，抛物线宽度为w，坐标轴原点在抛物线顶点处，则抛物线一定经过点将该点代入简化后的抛物线函数解析式y＝ax²，得到/>进而/>因此，抛物线高度为h、宽度为w的抛物线函数表达式为：

该抛物线的焦点为

基于得到的抛物线函数，围绕抛物线对称轴旋转180度，即可得到满足指定高度和宽度的抛物面，将光源置于焦点处，将得到角度为β的圆锥体光柱，如图4所示。

其中，圆锥体角度β通过下面的计算过程得到：

以上的计算过程，也建立了圆锥体角度β与抛物线的宽w及高h的关系，如公式(2)所示：

如果按照上述步骤得到的抛物线宽度w、高度h和由此而生成的圆锥体角度β达到要求，则基于得到的抛物线，旋转180度，即可得到满足要求的能够生成所需角度的圆锥体光柱的抛物面。

如果按照上述步骤得到的抛物线宽度w、高度h满足要求，但角度β小于预期角度，可以通过改变抛物线宽度w及改变抛物线高度h的值，使β达到预期的角度；或者固定抛物线宽度w，通过改变抛物线高度h的值，使β达到预期角度；或者固定抛物线高度h，通过改变抛物线宽度w的值，使β达到预期的角度。最后，基于得到的抛物线，旋转180度，即可得到满足要求的能够生成所需角度的圆锥体光柱的抛物面。

如果按照上述步骤得到的抛物线宽度w、高度h满足要求，但角度β大于设定角度β1时，可以通过改变抛物线宽度w、抛物线高度h的值，根据公式(2)得到设定角度β1。更为有益的方式是，如图5所示，在抛物面的端面上抛物面高度的水平位置的内侧增设不透明且不反光的挡片1来控制角度得到设定角度β1，挡片1是中心有可供圆锥体光柱射出的圆形孔的圆形薄片，挡片1可具体采用涂上不反光涂料的塑料薄片或者涂上哑光涂料的金属薄片等，挡片1在抛物线所处的直角坐标系中，其与抛物线的交点B至其与圆锥体光柱的交点C之间的距离是挡片1的长度L，则挡片1的长度L、圆锥体角度β、抛物线宽度w、抛物线高度h之间的关系如下：

由此推导得出设定角度β1：

根据公式(3)，在给定抛物线宽度w、抛物线高度h时，可以根据L计算出β1，或者根据β1计算出L。最后，基于得到的抛物线，旋转180度，即可得到满足要求的能够生成所需角度的圆锥体光柱的抛物面。

如图6所示，可以动态改变挡片的长度，以得到相对应的任一设定角度的圆锥体光柱，即得到动态可变角度的圆锥体光柱。具体来说，是在抛物面的端面上抛物面高度的水平位置的内侧安装一个自动控制挡片的装置，该装置可以根据所需角度要求，使挡片伸出或者缩回而改变其中心供圆锥体光柱射出的圆形孔，进而改变圆锥体光柱的角度，比如与图5所示圆锥体光柱的角度相比，角度β减小。

实施例1

如图7所示，本实施例构建一个宽度为1个单位、高度也为1个单位的抛物线，然后通过旋转得到的抛物线180度，进而得到一定角度的圆锥体光柱。本实施例计算得到的圆锥体光柱的角度β。

根据公式(1)，宽度为w、高度为h的抛物线函数为将w为1和h为1代入，得到抛物线的函数：y＝4x²

该抛物线的焦点为：根据公式(2)，w、h及β的关系为：

代入得：

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，增加β的角度值，假设增加β到90度。本实施例在固定w不变的前提下计算h的值。

为了增加β的值，同时也为了便于计算，本实施例固定抛物线的宽度w为1个单位不变，而通过改变抛物线高度h的值来增大β的值。根据公式(2)，w、h及β的关系为：

将β为90，w为1，代入上式，得到：

经过推导和计算，得到：

也就是：

得到：

因此，h＝0.6。也就是说，在宽度w保持不变仍为1个单位的情况下，要得到β角为90度的圆锥体光柱，则需要减小抛物线高度h。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上，通过增加不透光、不反光的挡片1来减小β，假设减小β为30度。本实施例计算L的值。

为了减小β为30度，根据公式(3)中的w、h、β和L的关系：

将w为1、h为1、β为30，代入上式，得到：

经过推导和计算，得到：L＝0.25。也就是说，在宽度w和高度h为1个单位的情况下，要得到β角为30度的圆锥体光柱，需要增加的不透光、不反光挡片1的长度为0.25个单位，如图8所示。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims

1.一种产生具有区分特征的任意角度圆锥体光柱的方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的产生具有区分特征的任意角度圆锥体光柱的方法，其特征在于：所述角度β大于设定角度β1，在抛物面的端面上抛物面高度的水平位置的内侧增设不透明且不反光的挡片，所述挡片中心有可供圆锥体光柱射出的圆形孔，所述挡片在抛物线所处的直角坐标系中，其与抛物线的交点至其与圆锥体光柱的交点之间的距离是挡片的长度L，则设定角度β1：

3.根据权利要求2所述的产生具有区分特征的任意角度圆锥体光柱的方法，其特征在于：动态改变所述挡片的长度，以得到相对应的任一设定角度的圆锥体光柱，即得到动态可变角度的圆锥体光柱。