CN207281284U - 一种基于tof相机的车载立体视觉*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于车载立体视觉***领域,尤其涉及一种基于TOF相机的车载立体视觉***，包括车载锂电池模组、TOF相机模组、脉冲光源模组、中央处理单元和图像显示器，TOF相机模组、脉冲光源模组和中央处理单元分别通过电压保护模块与车载锂电池模组电连接，TOF相机模组、脉冲光源模组和图像显示器分别与中央处理单元电连接；脉冲光源模组包括脉冲光源驱动模块、LED光照模块和温度传感器；TOF相机模组包括TOF传感器、窄带滤光片和电切换偏振片。本实用新型在TOF相机模组内增设窄带滤光片和电切换偏振片，通过双重过滤有效克服了TOF相机易受环境光干扰，测距范围短的难题，实现了TOF相机在车载立体视觉***的应用。
Description
技术领域
本实用新型属于车载立体视觉***技术领域,尤其涉及一种基于TOF相机的车载立体视觉***。
背景技术
TOF是Time of Flight(飞行时间)技术的缩写，即传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被拍摄景物的距离，以产生深度信息，此外再结合传统的相机拍摄，就能将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来；目前其可以应用于人体骨骼跟踪、俯拍数人头、物体3D测量、3D拍摄建模等需要使用到距离(深度数据)的场景。
其中，传感器的每个像素点，除了记录光线强度信息之外，也记录下来光线从光源到该像素点的时间，因此TOF相机一般需要使用特定红外光源主动向被测量物体发射红外光，在原理上类似激光雷达，但激光雷达发送出的是激光点，需要机械装置进行上下左右扫描来对测量面进行成像；而TOF相机则是直接对整个面进行成像，不需要机械装置，但这同时也限制了TOF相机的测量距离和分辨率。
现有的TOF相机测距产品多为草帽顶的LED和光电二极管的发射接收组合，没有配套的光学设计，工作距离和抗环境光干扰能力均有待提高；因此，目前市面上的TOF相机距离测量范围都在10米左右甚至更短，并且在室外强环境光下使用会出现数据偏差大，数据丢失等问题，因而无法应用于车辆行驶立体视觉***。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：针对现有的TOF相机测量距离短，易受环境光干扰，数据偏差大，测量准确度不高的缺陷，而提供一种基于TOF相机的车载立体视觉***，以实现TOF相机室外远程立体视觉成像。
为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种基于TOF相机的车载立体视觉***，包括车载锂电池模组、TOF相机模组、脉冲光源模组、中央处理单元和图像显示器，所述TOF相机模组、所述脉冲光源模组和所述中央处理单元分别通过电压保护模块与所述车载锂电池模组电性连接，所述TOF相机模组、所述脉冲光源模组和所述图像显示器分别与所述中央处理单元电性连接；
所述脉冲光源模组包括脉冲光源驱动模块、LED光照模块和温度传感器，所述脉冲光源驱动模块和所述温度传感器分别与所述LED光照模块电性连接；
所述TOF相机模组包括TOF传感器、窄带滤光片和电切换偏振片，所述窄带滤光片用于过滤掉环境光中的可见光，只通过与脉冲光源模组主动发射的波长相同或相近的光线；所述电切换偏振片用于过滤掉同波长光线中非脉冲光源模组主动发射的光线。
其中，***各模组的功能作用如下：
1)车载锂电池模组：是整个***的电力来源，采用适合在-20℃～60℃的温度下使用的锂电池以满足在足够小的体积下瞬时大电流的需求；其中，电池组通过车载发电机进行充电，由于平均消耗电流不大，因此对整车动力影响很小。
2)电压保护模块：使锂电池模组具备电压过低/过高保护功能，确保在突发大电流输出的情况下不会对输出电压造成影响。
3)TOF相机模组：是整个***的核心模块，通过计算反射光的飞行时间来计算被检测物体到***的距离。其中，TOF传感器的每个像素会收集解调后光电效应所产生的电荷；在同一个快门同样收集时间控制下，不同距离物体反射回来的光子数量不同从而导致激发出不同的电荷数；TOF传感器利用AD转换电荷数为二进制数据，通过差分计算出飞行时间(TOF)，再结合光速计算每个像素点到对应被测量物体的距离。
由于室外环境光中包含各种波长和形态的光线，有效抑制环境光的影响是整个***可以满足使用要求的最重要条件。本实用新型采用了窄带滤光片过滤掉环境光中的可见光，只通过和***主动发射光源波长接近的光线；同时采用了电切换偏振片，有效过滤掉同波长光线中非本***主动发射的光线。因此，通过双重过滤加上集成的调制解调机制实现对环境光的有效抑制，从而保障TOF传感器在室外环境下的有效测距。
4)脉冲光源模组：是***的主动光源的来源。其中，脉冲光源驱动模块用于给发射光源器件LED提供稳定、大功率、高频可调的电力供应。在现有的短距离TOF测距应用中，由于光源所需电流不大，驱动电路设计比较容易。而本实用新型所需光源强度远远高于目前市面的TOF***，功率输出要求达到60～120W。因此，本实用新型采用高频大功率MOS场效应管作为高频开关，为了确保所有的LED光源同步发光或关闭，本实用新型设计了低延时大电流同步脉冲给各个高频MOS场效应管的栅极，以保证足够快速的开关速度，这样在确保能快速驱动60～120W LED光源的需求下，通过占空比减小了整个***的平均能耗，从而满足车载要求。
此外，为了确保足够的输出功率和开关同步，LED光照模块采用了多组串联大功率高频LED，每组串联的LED都由一个高频大功率MOS场效应管驱动，其电源从锂电池模组中获取。另外，模组增设温度传感器，通过温度来调整LED电流，从而确保LED在长期大功率运行条件下的发光功率稳定。
5)中央处理单元：负责控制协调***的各个模组，最终从TOF相机模组获取各个像素所测量的距离，然后通过算法形成3D图像，并且以设定的图像数据格式通过USB或者以太网接口输出，或者直接显示在图像显示器上。
6)图像显示器：用于显示***获取的立体视觉图像。
作为本实用新型所述的基于TOF相机的车载立体视觉***的一种改进，所述脉冲光源驱动模块为频率大于100MHz的MOS场效应管。
作为本实用新型所述的基于TOF相机的车载立体视觉***的一种改进，所述LED光照模块的输出功率为60～120W。
作为本实用新型所述的基于TOF相机的车载立体视觉***的一种改进，所述TOF相机模组的测距范围为大于或等于15m。
作为本实用新型所述的基于TOF相机的车载立体视觉***的一种改进，所述中央处理单元包括CPU处理器和图像控制模块，所述图像控制模块与所述图像显示器电性连接。
作为本实用新型所述的基于TOF相机的车载立体视觉***的一种改进，所述LED光照模块发射的光线波长处于红外波段。
作为本实用新型所述的基于TOF相机的车载立体视觉***的一种改进，所述窄带滤光片的中心波长为700～1060nm，半带宽为10～100nm。
本实用新型的有益效果在于：本实用新型通过在TOF相机模组内增设窄带滤光片和电切换偏振片，通过双重过滤加上集成的调制解调机制实现对环境光的有效抑制，以准确计算反射光飞行时间，保障TOF相机模组在室外环境下的有效测距，且测算距离大于或等于15m，从而克服了现有的TOF相机易受环境光干扰，数据偏差大，测量准确度低，测距范围短的难题，实现了TOF相机室外远程立体视觉成像，该***在电动汽车领域将具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
1-车载锂电池模组；2-电压保护模块；3-TOF相机模组；4-脉冲光源模组；5-中央处理单元；6-图像显示器。
具体实施方式
为使本实用新型的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式和说明书附图，对本实用新型及其有益效果作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
如图1所示，一种基于TOF相机的车载立体视觉***，包括车载锂电池模组1、TOF相机模组3、脉冲光源模组4、中央处理单元5和图像显示器6，TOF相机模组3、脉冲光源模组4和中央处理单元5分别通过电压保护模块2与车载锂电池模组1电性连接，TOF相机模组3、脉冲光源模组4和图像显示器6分别与中央处理单元5电性连接。
脉冲光源模组4包括脉冲光源驱动模块、LED光照模块和温度传感器，脉冲光源驱动模块和温度传感器分别与LED光照模块电性连接；其中，脉冲光源驱动模块为频率大于100MHz的MOS场效应管；LED光照模块发射的光线波长处于红外波段。
TOF相机模组3包括TOF传感器、窄带滤光片和电切换偏振片，窄带滤光片的中心波长为700～1060nm，半带宽为10～100nm；其中，窄带滤光片用于过滤掉环境光中的可见光，只通过与脉冲光源模组4主动发射的波长相同或相近的光线；电切换偏振片用于过滤掉同波长光线中非脉冲光源模组4主动发射的光线。
本实用新型的主要工作原理为：首先由脉冲光源模组4向被测物体主动发射带调制信号的红外光，被测物体对光线进行反射；TOF相机模组3将接收到的红外光进行解调，通过窄带滤光片和电切换偏振片的双重过滤，滤掉干扰光；TOF传感器的每个像素会收集解调后光电效应所产生的电荷，根据在同一个快门同样收集时间控制下，不同距离物体反射回来的光子数量不同从而导致激发出不同的电荷数；TOF传感器利用AD转换电荷数为二进制数据，通过差分计算出飞行时间，再结合光速计算每个像素点到对应被测量物体的距离；最后经过中央处理单元5的算法处理形成3D图像，并通过图像显示器6进行显示。
其中，***各模组的功能作用如下：
1)车载锂电池模组1：是整个***的电力来源，采用适合在-20℃～60℃的温度下使用的锂电池以满足在足够小的体积下瞬时大电流的需求；其中，电池组通过车载发电机进行充电，由于平均消耗电流不大，因此对整车动力影响很小。
2)电压保护模块2：使电池模组具备电压过低/过高保护功能，确保在突发大电流输出的情况下不会对输出电压造成影响。
3)TOF相机模组3：是整个***的核心模块，通过计算反射光的飞行时间来计算被检测物体到***的距离。其中，TOF传感器的每个像素会收集解调后光电效应所产生的电荷；在同一个快门同样收集时间控制下，不同距离物体反射回来的光子数量不同从而导致激发出不同的电荷数；TOF传感器利用AD转换电荷数为二进制数据，通过差分计算出飞行时间(TOF)，再结合光速计算每个像素点到对应被测量物体的距离。
由于室外环境光中包含各种波长和形态的光线，有效抑制环境光的影响是整个***可以满足使用要求的最重要条件。本实用新型采用了窄带滤光片过滤掉环境光中的可见光，只通过和***主动发射光源波长接近的光线；同时采用了电切换偏振片，有效过滤掉同波长光线中非本***主动发射的光线。因此，通过双重过滤加上集成的调制解调机制实现对环境光的有效抑制，从而保障TOF传感器在室外环境下的有效测距。
4)脉冲光源模组4：是***的主动光源的来源。其中，脉冲光源驱动模块用于给发射光源器件LED提供稳定、大功率、高频可调的电力供应。在现有的短距离TOF测距应用中，由于光源所需电流不大，驱动电路设计比较容易。而本实用新型所需光源强度远远高于目前市面的TOF***，功率输出要求达到60～120W。因此，本实用新型采用高频大功率MOS场效应管作为高频开关，为了确保所有的LED光源同步发光或关闭，本实用新型设计了低延时大电流同步脉冲给各个高频MOS场效应管的栅极，以保证足够快速的开关速度，这样在确保能快速驱动60～120W LED光源的需求下，通过占空比减小了整个***的平均能耗，从而满足车载要求。
此外，为了确保足够的输出功率和开关同步，LED光照模块采用了多组串联大功率高频LED，每组串联的LED都由一个高频大功率MOS场效应管驱动，其电源从锂电池模组中获取。另外，模组增设温度传感器，通过温度来调整LED电流，从而确保LED在长期大功率运行条件下的发光功率稳定。
5)中央处理单元5：负责控制协调***的各个模组，最终从TOF相机模组3获取各个像素所测量的距离，然后通过算法形成3D图像，并且以设定的图像数据格式通过USB或者以太网接口输出，或者直接显示在图像显示器6上。
6)图像显示器6：用于显示***获取的立体视觉图像。
根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本实用新型的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。
Claims (7)
1.一种基于TOF相机的车载立体视觉***，其特征在于：包括车载锂电池模组、TOF相机模组、脉冲光源模组、中央处理单元和图像显示器，所述TOF相机模组、所述脉冲光源模组和所述中央处理单元分别通过电压保护模块与所述车载锂电池模组电性连接，所述TOF相机模组、所述脉冲光源模组和所述图像显示器分别与所述中央处理单元电性连接；
所述脉冲光源模组包括脉冲光源驱动模块、LED光照模块和温度传感器，所述脉冲光源驱动模块和所述温度传感器分别与所述LED光照模块电性连接；
所述TOF相机模组包括TOF传感器、窄带滤光片和电切换偏振片，所述窄带滤光片用于过滤掉环境光中的可见光，只通过与脉冲光源模组主动发射的波长相同或相近的光线；所述电切换偏振片用于过滤掉同波长光线中非脉冲光源模组主动发射的光线。
2.根据权利要求1所述的基于TOF相机的车载立体视觉***，其特征在于：所述脉冲光源驱动模块为频率大于100MHz的MOS场效应管。
3.根据权利要求1所述的基于TOF相机的车载立体视觉***，其特征在于：所述LED光照模块的输出功率为60～120W。
4.根据权利要求1所述的基于TOF相机的车载立体视觉***，其特征在于：所述TOF相机模组的测距范围为大于或等于15m。
5.根据权利要求1所述的基于TOF相机的车载立体视觉***，其特征在于：所述中央处理单元包括CPU处理器和图像控制模块，所述图像控制模块与所述图像显示器电性连接。
6.根据权利要求1所述的基于TOF相机的车载立体视觉***，其特征在于：所述LED光照模块发射的光线波长处于红外波段。
7.根据权利要求1所述的基于TOF相机的车载立体视觉***，其特征在于：所述窄带滤光片的中心波长为700～1060nm，半带宽为10～100nm。
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