一种激光三维景深获取的主动机构.pdf

本发明公开了一种激光三维景深获取的主动机构，包括有作为第一光源单元的二维激光测距仪、第二光源单元、第三光源单元、镜面转动单元以及基座；第一光源单元、第二光源单元和第三光源单元分别安装在具有等边三角形布局的三个支柱上，镜面转动单元安装在位于等边三角形重心G处设置的旋转轴上。本发明激光三维景深获取的主动机构采用二维激光测距仪不动，第二光源单元、第三光源单元的两个平面镜俯仰运动，能够形成三个出射角相同的光平面，通过旋转轴的转动，可以使三个光平面形成三个光区域，增大对三维景深信息的采集。采用主动运动机构的模式，改进了现有在二维激光激光测距仪上增加一个自由度来获取三维景深存在的缺陷。

权利要求书
1、  一种激光三维景深获取的主动机构，包括有作为第一光源单元的二维激光测距仪，其特征在于：还包括有第二光源单元、第三光源单元、镜面转动单元以及基座(8)；
所述基座(8)上设有旋转轴(7)、A支柱(81)、B支柱(82)和C支柱(83)，A支柱(81)、B支柱(82)和C支柱(83)按照等边三角形分布，旋转轴(7)位于等边三角形的重心G；第一电机安装在基座(8)的重心G处，且第一电机的输出轴与旋转轴(7)底端连接；
所述镜面转动单元，六棱镜(1)安装在旋转轴(7)上；
所述第一光源单元的二维激光测距仪(2)安装在A支柱(81)上；
所述第二光源单元，第二光源(4)、安装座(63)固定安装在B支柱(82)上，第三电机(65)安装在安装座(63)上，第三电机(65)的输出轴与摇臂(62)的底端连接，摇臂(62)的顶端安装有第二电机(64)，第二电机(64)的输出轴与连接臂(61)一端连接，连接臂(61)的另一端上安装有第二平面镜(6)；
所述第三光源单元，第三光源(3)、安装座(53)固定安装在C支柱(83)上，第五电机(55)安装在安装座(53)上，第五电机(55)的输出轴与摇臂(52)的底端连接，摇臂(52)的顶端安装有第四电机(54)，第四电机(54)的输出轴与连接臂(51)一端连接，连接臂(51)的另一端上安装有第一平面镜(5)。

2、  根据权利要求1所述的激光三维景深获取的主动机构，其特征在于：光出射点(18)出射的光到六棱镜(1)上形成的光平面(17)的出射角α为60～150度。

3、  根据权利要求1所述的激光三维景深获取的主动机构，其特征在于：二维激光测距仪是LMS291二维激光测距仪。

4、  根据权利要求1所述的激光三维景深获取的主动机构，其特征在于：旋转轴(7)分别与二维激光测距仪的光源出射点、第一平面镜(5)和第二平面镜(6)的距离相等，且相距30～70cm。

5、  根据权利要求1所述的激光三维景深获取的主动机构，其特征在于：二维激光测距仪(2)出射的激光束波长为900nm。

6、  根据权利要求1所述的激光三维景深获取的主动机构，其特征在于：第二光源(4)和第三光源(3)出射的激光束波长为400～900nm。

7、  根据权利要求1所述的激光三维景深获取的主动机构，其特征在于：六棱镜(1)选取玻璃材质制作，第一平面镜(5)选取玻璃材质制作，第二平面镜(6)选取玻璃材质制作。

说明书一种激光三维景深获取的主动机构
技术领域
本发明涉及一种适用于激光测距仪的三维景深重构系统，更特别地说，是指一种基于二维激光激光测距仪的三维景深获取的主动机构。
背景技术
三维景深信息是移动机器人最重要的信息，人们虽然可以在有限的环境中设计并实现机器人景深传感系统，但至今人们仍然不知道如何使机器人景深传感系统在深度和广度上具有类似于生物视觉系统所特有的那种自适应能力。人类视觉系统具有很强的鲁棒性，能在极其丰富的视觉信息中剔除冗余的信息，抽取于当前视觉行为有关的信息。
要实现三维景深重构，通常还需要用激光测距所测的点云数据重构描述表现轮廓连续变化的曲面数学模型，及通常意义的三维建模。目前三维建模大部分都基于视觉，最初采用单目摄像机，但因为没有准确的深度数据，不能将真实世界和三维场景紧密结合，后用多目摄像机采集自然界物体自然界物体虽然弥补了单目的缺点，但形成的图像和真实的三维信息之间的关系并不唯一，这个方法只能获取二维半的景深信息，另外，由摄像机获取的视觉信息由于计算量大在实时处理上也非常困难。后来又提出由单目摄像机和二维激光测距仪的组合使用，但是激光测距仪是点传感，要求它也象摄像机那样含有多像素目前难以实现，因此这种组合使用并不能获取对自然环境空间的精确认知。
要实现三维景深建模、重构，任何环境下，都离不开距离探测，它提供了环境的三维深度信息，所以最近几年又提出基于程距数据三维建模的思想。有方案提出通过运动机构给二维激光测距仪增加一个自由度来获取三维信息，这些方法的主要缺点是驱动电机的频繁加减速将对跟随它运动的激光测距仪的光源系统造成影响，减弱了光强稳定性，从而给测距造成误差。此外，恢复三维景深的时候存在变形、重叠等因素，使得三维景深难以精确恢复。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光三维景深获取的主动机构，该主动机构采用二维激光测距仪不动，第二光源单元、第三光源单元的两个平面镜俯仰运动，能够形成三个出射角相同的光平面，旋转轴的转动，可以使三个光平面形成三个光区域；第二光源单元、第三光源单元的平面镜左右摆动可以使旋转轴对于第二光平面、第三光平面的旋转相对速度减慢或加快；二维激光测距仪与第二光源单元、第三光源单元的等边三角形布局设计，增大了主动机构的可视区域。
本发明是一种激光三维景深获取的主动机构，包括有第一光源单元、第二光源单元、第三光源单元、镜面转动单元以及基座。基座上设有旋转轴、A支柱、B支柱和C支柱，A支柱、B支柱和C支柱按照等边三角形分布，旋转轴位于等边三角形的重心G；第一光源单元的二维激光测距仪安装在基座的A支柱上，第二光源单元的第二光源、安装座固定安装在B支柱上，第三光源单元的第三光源、安装座固定安装在C支柱上。
本发明激光三维景深获取的主动机构的优点在于：(1)采用主动运动机构的模式，改进了现有在二维激光激光测距仪上增加一个自由度来获取三维景深存在的缺陷；(2)采用自制的两个光源单元，以及可以转动的六棱镜取代LMS291二维激光激光测距仪，大大地节约了制作三维激光激光测距仪成本；(3)通过设计的可转动六棱镜有效地增加了可视区域；(4)通过三个光区域的重叠来克服由于外界干扰等原因造成数据重叠时单光源扫描难以识别的缺点；(5)三个激光源的波长采用各不相同的设计，这是为了在信息获取的时候可以分辨出是由哪个光源发出的信息。
附图说明
图1是本发明三维景深获取主动机构的结构示意图。
图2是基座结构图。
图3是支架结构图。
图4是光在六棱镜各镜面上的光走向示意图。
图中：1.六棱镜    11.A面    12.B面    13.C面14.D面    15.E面    16.F面    17.光平面    18.光出射点2.第一光源    21.激光束    3.第三光源    31.激光束    32.反射光4.第二光源    41.激光束    42.反射光    5.第一平面镜    51.连接臂52.摇臂    53.安装座    54.第二电机    55.第三电机    6.第二平面镜61.连接臂    62.摇臂    63.安装座    64.第二电机    65.第三电机7.旋转轴    8.基座    81.A支柱    82.B支柱    83.C支柱
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图1、图2所示，本发明是一种激光三维景深获取的主动机构，包括有作为第一光源单元的二维激光测距仪、第二光源单元、第三光源单元、镜面转动单元以及基座8。在本发明中，设计的与第二光源4配合使用的第二平面镜6，与第三光源3配合使用的第一平面镜5均能够实现左右摆动和俯仰运动，可以使第一平面镜5、第二平面镜6与六棱镜6在旋转轴7的带动下旋转的相对速度减慢或加快，这个使得测距仪可对感兴趣的景深仔细的观察，对不干兴趣的景深则快速扫过，可以对感兴趣的区域获取更多的三维信息。其中，第一平面镜5、第二平面镜6左右摆动的规律和旋转轴7的转动规律都是采用自适应控制率。通过这种方法，使外界抖动造成的误差被主动机构所弥补，这种主动设计的思想保障了实现三维景深的重构。本发明的激光三维景深获取的主动机构的工作温度为-20℃～+50℃，能够实现的测距距离为1cm～80m。
二维激光测距仪是采用德国SICK AG公司生产的LMS291二维激光测距仪，它的光源可在水平方向绕垂直轴扫描，运动范围180度，运动速度为13ms完成180度的扫描，该测距仪对30m以内的景深具有较好的测量精度，因此作为二维景深的探测是比较理想的设备。在本发明中，LMS291二维激光测距仪是作为第一光源单元2的，第一光源单元2安装在A支柱81上，其相对于基座8是不运动的。
在本发明中，第二光源单元与第三光源单元是结构相同的设计。参见图3所示，在本发明中，所述第二光源单元包括有用于支撑第二平面镜6的支架，用于出射激光束的第二光源4，用于使第二光源4出射的激光束反射至六棱镜1上的第二平面镜6；所述支架由安装座63、摇臂62、连接臂61和两个电机(第二电机64、第三电机65)组成；第二光源4、安装座63固定安装在B支柱82上(为了使第二光源4出射的激光束能够照射在第二平面镜6上，装配时第二光源4安装在第二平面镜6正上方)，第三电机65安装在安装座63上，第三电机65的输出轴与摇臂62的底端连接，摇臂62的顶端安装有第二电机64，第二电机64的输出轴与连接臂61一端连接，连接臂61的另一端上安装有第二平面镜6；第二电机64用于驱动连接臂61作俯仰运动，由于连接臂61的俯仰运动从而带动第二平面镜6实现俯仰运动，并且使照射在第二平面镜6上的激光束反射成反射光42照射到六棱镜1上；六棱镜1上的反射光42在第二平面镜6的来回俯仰运动下形成了具有60～150度夹角的光平面。第三电机65驱动摇臂62作左右摆动，从而使反射到六棱镜1上的反射光42与第一光源2出射的激光束21在水平方向上的扫描速度保持不同。参见图3A所示，所述第三光源单元包括有用于支撑第一平面镜5的支架，用于出射激光束的第三光源3，用于使第三光源3出射的激光束反射至六棱镜1上的第一平面镜5；所述支架由安装座53、摇臂52、连接臂51和两个电机(第四电机54、第五电机55)组成；第三光源3、安装座53固定安装在C支柱83上(为了使第三光源3出射的激光束能够照射在第一平面镜5上，装配时第三光源3安装在第一平面镜5正上方)，第五电机55安装在安装座53上，第五电机55的输出轴与摇臂52的底端连接，摇臂52的顶端安装有第四电机54，第四电机54的输出轴与连接臂51一端连接，连接臂51的另一端上安装有第一平面镜5；第四电机54用于驱动连接臂51作俯仰运动，由于连接臂51的俯仰运动从而带动第一平面镜5实现俯仰运动，并且使照射在第一平面镜5上的激光束反射成反射光32照射到六棱镜1上；六棱镜1上的反射光32在第一平面镜5的来回俯仰运动下形成了具有60～150度夹角的光平面。第五电机55驱动摇臂52作左右摆动，从而使反射到六棱镜1上的反射光32与第一光源2出射的激光束21在水平方向上的扫描速度保持不同，反射到六棱镜1上的第一平面镜5的反射光32与第二平面镜6的反射光42在水平方向上的扫描速度可以保持相同，也可以保持不同。五个电机均选取直流电机，输出功率为30～120W。
在本发明中，旋转轴7分别与二维激光测距仪的光源出射点、第一平面镜5和第二平面镜6的距离相等，且相距30～70cm，较佳为50cm。
在本发明中，六棱镜1、第一平面镜5和第二平面镜6选取玻璃材质制作。
在本发明中，二维激光测距仪2出射的激光束波长为900nm。第二光源4和第三光源3出射的激光束波长为400～900nm。
参见图4所示，光出射点18出射的光到六棱镜1各个面上形成的光平面17的出射角α为60～150度。光出射点18是指二维激光测距仪2出射激光束的出射点；或者是指由第二光源4出射的激光束41照射在第二平面镜6上后又反射到六棱镜6上形成反射光42的反射光出射点；或者是指由第三光源3出射的激光束31照射在第一平面镜5上后又反射到六棱镜6上形成反射光32的反射光出射点。三个光源出射的激光束都会在六棱镜6的六个面(A面11、B面12、C面13、D面14、E面15、F面16)上形成多个光平面，同时这些光平面会有重叠区域。通过智能控制出射角α的角度使光平面在有效范围内。
实际工作状态：当第一光源2出射的激光束21在六棱镜1的A面11上时形成了第一光平面，第二光源4出射的激光束41在第二平面镜6上经反射后形成反射光42照射至六棱镜1的C面12上形成第二光平面，第三光源3出射的激光束31在第一平面镜5上经反射后形成反射光32照射至六棱镜1的E面16上形成第三光平面。六棱镜1上的各个面分别被激光束、反射光照射，由于六棱镜1在旋转轴7上沿一方向转动，使得由六棱镜反射出的光平面发生偏转，形成一个光区域，由于存在漫反射，光区域中物体表面的按原线路返回到安装在光源中的激光接受器的反射光被接受，从而获得三维景深数据。
本发明的激光三维景深获取的主动机构采用二维激光测距仪不动，第二光源单元、第三光源单元的两个平面镜俯仰运动，能够形成三个出射角相同的光平面，增大对三维景深信息的采集。