CN207249118U - 导盲眼镜的激光扫描测距装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种导盲眼镜的激光扫描测距装置，包括固定平台、激光器、摄像头、处理器、舵机和稳定器，激光器设置、摄像头设置在固定平台上，且摄像头焦点与激光器在同一平面上，激光器沿摄像头方向向下倾斜，使激光器发射的激光经反射后进入摄像头，激光器后端装有伞齿轮，舵机的顶部设有伞齿轮，并与激光器的伞齿轮成90°啮合，舵机控制激光器旋转，固定平台、舵机设置在稳定器上，激光器为一字线红外激光器，摄像头为窄通红外CMOS摄像头，摄像头、舵机与处理器电连接。本实用新型采用一字线红外激光器扫描测距，并搭配有红外摄像头，可以测量以5‑8米为半径范围三维空间内各个物体的距离，同时采用稳定器稳定整个装置，以此抵消佩戴者的晃动。

Description

导盲眼镜的激光扫描测距装置

技术领域

本实用新型涉及导盲装置领域，尤指一种导盲眼镜的激光扫描测距装置。

背景技术

目前，盲人仍然在使用传统技术导盲，大部分盲人依靠盲杖行走，少部分的由护工或者保姆陪同，还有极少部分使用导盲犬；而盲杖探测范围局限且携带不便，护工或保姆陪同花费昂贵，导盲犬培养经费太高耗时太长，这些都不利于高效率地辅助盲人行走。

为此，市面上出现了高新技术导盲设备如超声波导盲仪，采用TOF测距技术，测量佩戴者到障碍物的距离并反馈给佩戴者。但是，超声波探测距离局限、超声波的速度容易受介质影响、超声波传播方向容易受到风速影响、超声波反应时间长不利于迅速播报等，都是超声波导盲设备的致命缺点。

又如红外导盲设备，采用TOF技术或三角测距公式进行测距。由于具备温度的物体都会发射红外线，故红外导盲设备的传感器容易受到其他红外线影响，特别在室外阳光猛烈时，极易出现错误测量。

再如基于双目测距的导盲设备，采用机器人视觉的原理测量障碍物的位置和距离。但由于算法复杂，精度并不高，并且需要强大的处理器做图像分析处理，在功耗和经费上都是技术普及的重大障碍。

另外，导盲设备在激光测距技术方面的应用主要分为激光测距和激光雷达两部分。

目前，公知的激光测距仪器原理有两种，第一种是通过发射光脉冲，经被测物反射之后，光脉冲回到测距仪器接收***，通过测量光脉冲在待测距离L上的往返传播时间t，又因光速c已知，根据L=tc得出待测距离；第二种是通过测量连续调制的光波在待测距离上往返传播所发生的相位变化，来得到待测距离。但是，不论哪种原理的激光测距仪器，激光器都是发射一束点状的激光，都是点对点的测量，即测量的距离是仪器到具体某一个点的距离，不能同时得到视场中各个障碍物的距离信息。

而市面上民用的激光雷达，在激光测距的技术上，让激光收发装置旋转一周，得到一个环状的二维区域的信息。这种技术获取的信息相当于三维空间的一个截面，依然不能全面地得到视场中各个障碍物的距离信息。

发明内容

为了解决现有导盲技术探测距离和范围局限、测量容易出错、技术复杂导致成本巨大的问题，本实用新型提供一种导盲眼镜的激光扫描测距装置，基于激光扫描式测距原理，能快速准确地测量较大范围内的障碍物并反馈给佩戴者，且功耗低，成本低，利于普及。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是提供一种导盲眼镜的激光扫描测距装置，包括固定平台、激光器、摄像头、处理器和稳定器，所述激光器通过滚珠轴承连接在固定平台的顶部，所述摄像头设置在固定平台的底部，且摄像头镜头焦点与激光器在同一平面上，激光器沿摄像头方向向下倾斜，使激光器发射的激光经反射后进入摄像头，所述激光器后端装有伞齿轮，所述固定平台的背面设有舵机，所述舵机的顶部设有伞齿轮，并且与激光器后端的伞齿轮成90°啮合，舵机通过伞齿轮的转动使激光器旋转，所述固定平台、舵机分别固定设置在稳定器上，所述激光器为一字线红外激光器，所述摄像头为窄通红外CMOS摄像头，所述摄像头与处理器的输入端电连接，所述舵机与处理器的输出端电连接。

其中，所述稳定器内部设有陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器与处理器的输入端电连接。

其中，还包括报警装置，所述报警装置包括播报耳机和振动电机，所述播报耳机、振动电机与处理器的输出端电连接。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案还提供一种导盲眼镜的激光扫描测距装置，包括固定平台、激光器、摄像头、处理器、稳定器、固定支架所述舵机固定设置在固定支架的一侧，所述固定平台活动连接在固定支架的另一侧，且固定平台一端设有伞齿轮，所述舵机的顶部设有伞齿轮，并且与固定平台一端的伞齿轮成90°啮合，舵机通过伞齿轮的转动使固定平台翻转，所述激光器设置在固定平台的顶部，所述摄像头设置在固定平台的底部，且摄像头镜头焦点与激光器在同一平面上，激光器沿摄像头方向向下倾斜，使激光器发射的激光经反射后进入摄像头，所述激光器为一字线红外激光器，所述摄像头为窄通红外CMOS摄像头，所述稳定器内部设有陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器与处理器的输入端电连接，所述摄像头与处理器的输入端电连接，所述舵机与处理器的输出端电连接。

其中，所述固定支架上设有两支架杆，所述固定平台的两侧与支架杆活动连接。

本实用新型的有益效果在于：

1.为了解决市面上的激光是测量点到点的距离的这一难点，本实用新型研发新的测距技术，采用一字线红外激光器扫描测距，在舵机的控制下旋转扫描，使前方一个锥面内物体都被照射激光，测量得到的是一个三维空间中各点的距离信息；为了识别激光，并避免普通摄像头拍摄的内容繁杂，摄像头采用窄通红外CMOS摄像头进行激光信息采集，避免其他杂光干扰；这样采用大量数据拟合距离算法，不失精准且节约成本；

2.为了防止佩戴者走动时的晃动影响测量的信息，通过采用稳定器稳定整个激光扫描测距装置，以此抵消佩戴者的晃动，保持激光扫描测距装置相对稳定；

3.在结构方面，将激光器和***头的大小型号和组合位置关系进行重新设计，通过控制激光器出射激光的方向与水平方向的夹角，以及一字线红外激光器中心与摄像头感光元件相隔的距离，可以调整测量不同范围内的有效距离信息，使得整个激光扫描测距收发模块占用空间小。

附图说明

图1 是本实用新型第一实施例的结构示意图。

图2 是本实用新型第二实施例的结构示意图。

图3 是本实用新型的点状激光原理图。

图4 是本实用新型的线状激光原理图。

图5 是本实用新型的面状激光原理图。

附图标号说明：1-固定平台；2-激光器；3-摄像头；4-舵机；5-伞齿轮；6-滚珠轴承；7-稳定器，8-固定支架；9-支架杆。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本实用新型予以详细说明。

实施例一：

请参阅图1所示，本实用新型的第一实施例为一种导盲眼镜的激光扫描测距装置，包括固定平台1、激光器2、摄像头3、处理器和稳定器7，所述激光器2通过滚珠轴承6连接在固定平台1的顶部，所述摄像头3设置在固定平台1的底部，且摄像头3镜头焦点与激光器2在同一平面上，激光器2沿摄像头3方向向下倾斜，使激光器2发射的激光经发射后进入摄像头3，所述激光器2后端装有伞齿轮5，所述固定平台1的背面设有舵机4，所述舵机4的顶部设有伞齿轮5，并且与激光器2后端的伞齿轮5成90°啮合，舵机4通过伞齿轮5的转动使激光器2旋转，所述固定平台1、舵机4分别固定设置在稳定器7上，所述激光器2为一字线红外激光器，所述摄像头3为窄通红外CMOS摄像头，所述摄像头3与处理器的输入端电连接，所述舵机4与处理器的输出端电连接。

本实用新型采用处理器控制舵机4转动，使得一字线红外激光器在前方一边旋转一边照射，即扫描出一个锥形区域，同时，通过窄通红外CMOS摄像头采集照射在物体上的红外激光的反射光，之后，摄像头3感光模块将图像数据返回到处理器中，用处理器提取信息并经过大量数据拟合，总结得到的是一个三维空间中各点的距离信息，本实用新型可以测量以5-8米为半径范围三维空间内各个物体的距离，同时采用稳定器7稳定整个装置，以此抵消佩戴者的晃动，不失精准且节约成本。

本实施例中，所述稳定器7内部设有陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器与处理器的输入端电连接，陀螺仪传感器测量整个装置的偏离程度，处理器时刻读取陀螺仪传感器的返回值，并立刻通过控制器来控制舵机4转动，调整舵机4转角进行补偿，使得固定平台1正面朝前。

本实施例中，还包括报警装置，所述报警装置包括播报耳机和振动电机，所述播报耳机、振动电机与处理器的输出端电连接，在得到障碍物的距离由处理器判断是否需要躲避后,如需要则控制播报耳机播报障碍物的位置；在检测到障碍物非常靠近时，控制播报耳机输出报警提示并控制振动电机发出震动提示，让佩戴者立即停步，调整方向。

实施例二：

请参阅图2所示，本实用新型的第二实施例为一种导盲眼镜的激光扫描测距装置，包括固定平台1、激光器2、摄像头3、处理器、稳定器、固定支架8和舵机4，所述舵机4固定设置在固定支架8的一侧，所述固定平台1活动连接在固定支架8的另一侧，且固定平台1一端设有伞齿轮5，所述舵机4的顶部设有伞齿轮5，并且与固定平台1一端的伞齿轮5成90°啮合，舵机4通过伞齿轮5的转动使固定平台1翻转，所述激光器2设置在固定平台1的顶部，所述摄像头3设置在固定平台1的底部，且摄像头3镜头焦点与激光器2在同一平面上，激光器2沿摄像头3方向向下倾斜，使激光器2发射的激光经反射后进入摄像头3，所述激光器2为一字线红外激光器，所述摄像头3为窄通红外CMOS摄像头，所述摄像头3为窄通红外CMOS摄像头，所述稳定器内部设有陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器与处理器的输入端电连接，所述摄像头3与处理器的输入端电连接，所述舵机4与处理器的输出端电连接。

本实用新型采用处理器控制舵机4转动角度，控制激光器2和摄像头3同时转动，一字线红外激光在前方上下照射，即扫描出一个锥形区域，同时，通过窄通红外CMOS摄像头采集到照射在物体上的红外激光的反射光，摄像头3感光模块将图像数据返回到处理器中，用处理器提取信息并经过大量数据拟合，总结得到的是一个三维空间中各点的距离信息，本实用新型可以测量以5-8米为半径范围三维空间内各个物体的距离，不失精准且节约成本。

本实施例中，所述固定支架8上设有两支架杆9，所述固定平台1的两侧与支架杆9活动连接，控制器可以通过控制器来控制舵机4，而舵机4通过伞齿轮5带动固定平台1，控制激光器2时刻不停地旋转，由几何知识可知道，面动成体，激光照射的面状范围经过旋转后得到立体状范围，处理器从摄像头3感光元件的图像中获激光斑点信息，从而计算可以得到以盲人佩戴者头部为顶点的向前的一个锥面内的障碍物的距离。

下面通过具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

参阅图3-5所示，本实用新型的激光扫描测距原理如下：

如图3所示.假设激光器射出点状激光，激光出射中心A和焦点F在同一平面同一铅锤直线上，激光出射中心到摄像头焦点距离d米，激光出射方向和水平方向夹角为θ，四边形暗区域为摄像头的感光区域，镜头焦距f米，摄像头一个像素实际为p米。由透镜成像原理可以得到相似三角形，通过相似比计算可以得到激光出射中心A到物体M₁的距离：距离未知量AM₁可通过M₁光斑在摄像头成像的位置x₁、y₁由具体函数AM₁=f₁（x₁，y₁）决定;其中参数焦距f、激光出射中心到摄像头焦点距离d、激光出射方向和水平方向夹角θ、摄像头一个像素实际长度长p为实验所得的已知量。

如图4所示，假设激光器射出线状激光，参数不变。由凸透镜成像原理得到相似三角形，很容易由相似计算得到M₁M₃的长度，由上述对图3的推导得到AM₁长度，再根据勾股定理可得到AM₃的长度。激光出射中心A到物体M₃的距离未知量AM₃可通过M₃光斑在摄像头成像的位置x₃、y₃由具体函数AM₃=f₃（x₃，y₃）决定；其中参数焦距f、激光出射中心到摄像头焦点距离d、激光出射方向和水平方向夹角θ、摄像头一个像素实际长度长p为实验所得的已知量。

如图5所示，当激光器绕着激光出射的方向（即AM₁的方向）旋转，可得到一个圆锥面。由圆锥面得到的方式可知，射线AM₁为圆锥的轴，线段AM₄的长度即为所要测量的长度。以下构造一个以A为顶点，AM₁为轴，AM₄为母线的直圆锥面。显然，该圆锥面的底为正圆，该圆形在水平方向上的一条半径为先前所讨论的情况中的线段M₁M₃，而且母线长相同AM₃=AM₄，所以“由M₄光斑在摄像头成像的位置坐标求解的AM₄长度”可转化为“由M₄光斑在摄像头成像的位置坐标求解由M₃光斑在摄像头成像的位置坐标，从而得到AM₃的长度，进而得到AM₄的长度”。

由于激光出射方向于水平方向有夹角θ，该圆锥面的底所在的平面并非与摄像头所在的平面平行，而是有一个同样的夹角θ，这导致圆锥面底部的正圆在摄像头上的像是一个在竖直方向上“压扁的圆”。这个圆在感光元件所在的平面上的投影为椭圆（任洪波·关于圆在某些平面上的投影是椭圆的证明[J] ·中学教学，2007（8）中曾提及），由圆所在的平面和摄像头所在的平面夹角为θ可知，椭圆短半轴与长半轴之比为cosθ。假设椭圆中心在原点，椭圆上一点和椭圆中心连线与x轴正向的夹角记作φ，根据椭圆参数方程易得：tanφ=cosθtanψ，此处ψ恰好为舵机控制激光器旋转的角度。设摄像头测得M₄光斑在摄像头成像的位置坐标为（x₄，y₄），由椭圆参数方程、椭圆短半轴与长半轴之比可以算出M₃光斑在摄像头成像的位置坐标。由上述对图4的推导得到AM₃长度，把M₃光斑在摄像头成像的位置坐标代入相应AM₃长度长度公式，可得到AM₃长度，又由于假设的正圆锥母线长相同，即AM₄=AM₃，最终得到所需要的AM₄的长度，记为S。

综上所述，激光出射中心到物体的距离S可以由该物体反射激光的光斑在摄像头中成像的位置x、y坐标、以及此时激光器由舵机控制旋转的角度ψ决定，即S=G（x，y，ψ）；其中焦距f、激光出射中心到摄像头焦点距离d、激光出射方向和水平方向夹角θ、摄像头一个像素实际长度长p为实验所得的已知量。

以上实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种导盲眼镜的激光扫描测距装置，包括固定平台、激光器、摄像头和处理器，其特征在于：还包括稳定器，所述激光器通过滚珠轴承连接在固定平台的顶部，所述摄像头设置在固定平台的底部，且摄像头镜头焦点与激光器在同一平面上，激光器沿摄像头方向向下倾斜，使激光器发射的激光经反射后进入摄像头，所述激光器后端装有伞齿轮，所述固定平台的背面设有舵机，所述舵机的顶部设有伞齿轮，并且与激光器后端的伞齿轮成90°啮合，舵机通过伞齿轮的转动使激光器旋转，所述固定平台、舵机分别固定设置在稳定器上，所述激光器为一字线红外激光器，所述摄像头为窄通红外CMOS摄像头，所述摄像头与处理器的输入端电连接，所述舵机与处理器的输出端电连接。

2.根据权利要求1所述的导盲眼镜的激光扫描测距装置，其特征在于：所述稳定器内部设有陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器与处理器的输入端电连接。

3.根据权利要求1所述的导盲眼镜的激光扫描测距装置，其特征在于：还包括报警装置，所述报警装置包括播报耳机和振动电机，所述播报耳机、振动电机与处理器的输出端电连接。

4.一种导盲眼镜的激光扫描测距装置，包括固定平台、激光器、摄像头和处理器，其特征在于：还包括稳定器、固定支架和舵机，所述舵机固定设置在固定支架的一侧，所述固定平台活动连接在固定支架的另一侧，且固定平台一端设有伞齿轮，所述舵机的顶部设有伞齿轮，并且与固定平台一端的伞齿轮成90°啮合，舵机通过伞齿轮的转动使固定平台翻转，所述激光器设置在固定平台的顶部，所述摄像头设置在固定平台的底部，且摄像头镜头焦点与激光器在同一平面上，激光器沿摄像头方向向下倾斜，使激光器发射的激光经反射后进入摄像头，所述激光器为一字线红外激光器，所述摄像头为窄通红外CMOS摄像头，所述稳定器内部设有陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器与处理器的输入端电连接，所述摄像头与处理器的输入端电连接，所述舵机与处理器的输出端电连接。

5.根据权利要求4所述的导盲眼镜的激光扫描测距装置，其特征在于：所述固定支架上设有两支架杆，所述固定平台的两侧与支架杆活动连。