專利名稱：用于探測障礙、特別用于自主導(dǎo)航的有源電光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于探測障礙、特別是用于具有多級自由度的地面移動或飛行單元的自主導(dǎo)航系統(tǒng)的有源電光裝置。
具體地，本發(fā)明涉及用于基于光流的測量來探測障礙的裝置。
自主導(dǎo)航系統(tǒng)的有效性基于它達(dá)到空間中的確定位置和/或定向的能力。這種裝置的其中一個主要問題包括察覺周圍的環(huán)境和以及時的方式作出反應(yīng)。
已經(jīng)提出了基于光流的測量用于探測障礙的電光裝置。光流表示速度，由此元素以不同對比在場景中移動，作為觀測者和存在于場景中的物體之間的相對運動的結(jié)果。如果認(rèn)為物體以相對于觀測者的相對速度v、并在相對于觀測者的正交距離d處移動，則通過速度v和距離d之間的比率給出光流。
因此，光流測量取決于下面的因素-分辨率、視場、幀速率和接收裝置的靈敏度；-接收器裝置和存在于場景中的物體之間的距離；-接收器裝置和存在于場景中的物體之間的相對速度。
例如在下面的專利文獻(xiàn)US 5717792、US 5257209、EP 631109、US 5798796和EP 436213中描述了用于基于光流的測量來探測障礙的電光裝置。
用于測量光流的算法典型地應(yīng)用于無源電光裝置中，也就是探測通過不包括在系統(tǒng)中的源(例如太陽、月亮、人造照明系統(tǒng)等)發(fā)射并通過場景反射的輻射的裝置。為了簡化計算，典型地使用少量不同傳感器，于其上計算光流。使用由大量的靈敏元件(例如CCD或CMOS視覺傳感器)組成的接收器裝置將需要大功率的計算單元來執(zhí)行人工視覺算法。必須注意由于它包括在可以從幾厘米到無窮遠(yuǎn)變化的距離處定位的物體，所以通過無源視覺傳感器看到的場景常常是非常復(fù)雜的。因此，場景產(chǎn)生大量的關(guān)于存在物體的光流的信息。然后在空間域和頻域中必須濾波通過光學(xué)傳感器獲得的場景的視頻信息，以減小數(shù)據(jù)的數(shù)量和復(fù)雜性。只有在信息已經(jīng)被方便地處理之后，它才可以用于光流計算。
本發(fā)明的目的是提供用于探測障礙的有源電光裝置，其允許顯著地減小用于執(zhí)行障礙探測的光流算法的數(shù)據(jù)的數(shù)量。
依據(jù)本發(fā)明，通過具有在主權(quán)利要求中提出的特征的裝置獲得所述目的。
現(xiàn)在參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，僅是通過非限制性地實例，其中

圖1是示出了依據(jù)本發(fā)明的裝置的工作原理的示意圖；圖2是圖1的裝置的框圖；圖3a和3b示意性地示出了場景和依據(jù)本發(fā)明的裝置探測場景的方式的示意圖；圖4a、4b、5a、5b、6a、6b、7a和7b是場景和通過依據(jù)本發(fā)明的裝置的一些實施例探測所述場景的方式的示意圖；圖8是示出了依據(jù)本發(fā)明的用于測量相對于運動方向的正向和側(cè)向光流的三個裝置的設(shè)置的示意圖；圖9是利用依據(jù)本發(fā)明的電光裝置的自主導(dǎo)航系統(tǒng)的框圖。
圖1和圖2示出了依據(jù)本發(fā)明的裝置的工作原理。所述裝置包括輻射發(fā)射器裝置5、收集通過位于視場(FOV)中的物體反射的輻射的輻射接收器裝置1、以及用于處理由接收器裝置1產(chǎn)生的電信號的裝置8。輻射接收器裝置1例如可以是CMOS或具有像素矩陣構(gòu)造的CCD光學(xué)傳感器。輻射發(fā)射器裝置5例如可以是半導(dǎo)體激光器或具有集中于可視、紅外線或紫外線區(qū)域中的波長的窄帶輻射的LED。通過參考數(shù)字7表示由發(fā)射器裝置5產(chǎn)生的輻射，并且通過數(shù)字4表示由存在于視場中的物體反射的輻射。依據(jù)本發(fā)明的一個特征，以通過接收器裝置1收集的反射輻射4僅撞擊接收器矩陣的預(yù)定部分的方式來成形由發(fā)射器裝置5產(chǎn)生的輻射束7。
例如，依據(jù)本發(fā)明的裝置可以利用產(chǎn)生矩形形狀光束7的柱面透鏡6，如此符合使得通過物體反射、并通過圖像形成透鏡3聚焦在光傳感器矩陣之上的輻射撞擊單個行(和/或列)的相鄰像素或一組相鄰的行(和/或列)?？梢允褂醚苌涔鈻?未示出)與柱面透鏡6結(jié)合以產(chǎn)生一組矩形束，其相互平行和有角度地隔開，或形成復(fù)雜幾何圖形的射束。
為了使電光裝置免受通過背景發(fā)射和反射的寬帶輻射的損害，該裝置可以配備具有窄帶的帶通光學(xué)濾波器2，使得透射比波峰集中于發(fā)射器裝置5的發(fā)射波峰。
通過發(fā)射器裝置5發(fā)射的輻射的強度(并因此通過產(chǎn)生的光束的發(fā)射功率)、通過被輻射撞擊的物體的反射率和通過接收器裝置1的靈敏度來確定有助于被接收器裝置1探測的光流的物體的最大距離。
對處理裝置8執(zhí)行光流算法，以確定障礙在場景中相對于移動單元以什么速度發(fā)展。
通過接收器裝置獲得的圖像的焦平面的點(x，y)中的兩維光流(F.O.)是在方向x和方向y上光流的矢量和，也就是F.O.=(F.O.)xx^+(F.O.)yy^]]>其中， 和 分別是在x和y方向上的相反值。
利用各種數(shù)學(xué)近似方法(梯度法、基于相關(guān)性的方法、空間-時間法等)可以測量光流。具體地，梯度法基于對與獲得圖像的每個點相關(guān)的空間導(dǎo)數(shù)Ix(x，y)、Iy(x，y)和時間導(dǎo)數(shù)It(x，y)的估計，并基于根據(jù)發(fā)光度守恒方程的光流分量的計算Ix(O.F)x+Iy(O.F.)y+It＝0在一維光流的情況下，例如如果(O.F.)y＝0，則等式僅將未知的(O.F.)x計算為(O.F.)x=-ItIx]]>在二維光流的情況下，以允許計算兩個分量(O.F.)y和(O.F.)x的迭代技術(shù)來求解具有兩個未知量的方程。
圖3a和3b示出了依據(jù)本發(fā)明的電光裝置的操作的實例。圖3a示意性示出了具有在其中存在兩個附近的物體的在無窮遠(yuǎn)處的背景的場景，這兩個物體一個具有矩形形狀，另一個具有圓形形狀。以這種方式獲得依據(jù)本發(fā)明的裝置，從而照明接收器裝置的視場中單個行的像素。圖3a中的條帶對應(yīng)于被發(fā)射器裝置照明的視場。
圖3b示出了通過接收器裝置獲得的信息。在被發(fā)射器裝置照明的視場處，接收器裝置隨著時間探測附近障礙的存在。
處理裝置8僅基于被輻射撞擊的接收器矩陣的元素(像素)提供的信號來計算光流。在圖3示出的實例中，通過物體反射并集中于傳感器矩陣上的輻射能夠撞擊傳感器的單個行(像素)或彼此相鄰的一束行。
依據(jù)本發(fā)明的裝置允許限定有助于光流計算的物體的最大距離。通過由發(fā)射器裝置發(fā)射的輻射的強度、通過被輻射撞擊的物體的反射率和通過接收器裝置的靈敏度來確定所述距離。因此可以以這種方式校準(zhǔn)依據(jù)本發(fā)明的裝置，從而將有助于測量光流的物體的最大距離限定至預(yù)定值。以這種方式，光學(xué)濾波關(guān)于場景(包括背景)的其它物體的信息。這允許大大地減小用于確定障礙探測的光流的算法執(zhí)行的數(shù)據(jù)的數(shù)量。換句話說，該系統(tǒng)獲得場景的簡化信息，其中僅增亮定位在視場的確定部分中(通過發(fā)射束的形狀限定)并且在通過發(fā)射束功率、通過物體的反射率和通過接收器裝置的靈敏度來限定的距離范圍內(nèi)部的物體。
在圖4a和4b示出的實例中，以通過物體反射并集中于傳感器矩陣之上的輻射撞擊彼此分離的多行的方式來成形通過發(fā)射器產(chǎn)生的輻射束。每一行可以撞擊矩陣的單個傳感器陣列(像素)或一束相互鄰近的傳感器。
在圖3a和4b示出的實例中，通過物體反射并集中于傳感器矩陣之上的輻射撞擊單線(圖3b)或一組相互平行的線(圖4b)，其平行于通過圖3b和4b中箭頭10指示的運動方向。
可以以通過物體反射并集中于傳感器矩陣之上的輻射撞擊傳感器矩陣的單個列或一束相互鄰近的列的方式來成形通過發(fā)射器產(chǎn)生的輻射束。在圖5a和5b示出的實例中，以通過物體反射并集中于傳感器矩陣之上的輻射撞擊多個相互分離的列的方式來成形通過發(fā)射器產(chǎn)生的輻射束。每列可以撞擊傳感器的單個陣列或一束相互鄰近的傳感器陣列。在圖5b示出的實例中，集中于傳感器矩陣上的輻射也撞擊一條或多條線，其平行于通過箭頭10指示的主運動方向。
在圖6a和6b示出的實例中，集中于傳感器矩陣上的輻射撞擊依據(jù)通常的格柵結(jié)構(gòu)的多個行和多個列。每一行和每一列能夠照明傳感器矩陣的單個像素陣列或一束相互鄰近的像素陣列。在圖6b中，行平行于運動方向的第一分量10′，并且列平行于運動方向的第二分量10″。
在圖7a和圖7b示出的附加實例中，通過物體反射并集中于傳感器矩陣上的輻射撞擊單獨的多條傾斜線，其平行于運動方向10。作為進(jìn)一步的變形，集中于傳感器矩陣上的輻射能夠撞擊一組斜線，每一條斜線平行于其中一個主運動方向。
也可以以通過物體反射并集中于傳感器矩陣之上的輻射撞擊一組線束的方式來成形通過發(fā)射器產(chǎn)生的輻射，其中每束線相互平行并且并行于其中一個運動分量，同時各束彼此不平行。不同的束可以由同樣數(shù)量的不同輻射源產(chǎn)生。用于不同束的輻射源可以具有相互不同的峰值波長。此外，通過不同的接收器可以收集不同束的具有不同波長的線。
依據(jù)本發(fā)明的一個或多個有源電光裝置可被用作在自主導(dǎo)航系統(tǒng)中用于探測障礙的裝置。圖8示出了具有三個電光裝置9的系統(tǒng)的實例，所述電光裝置用于測量具有以箭頭10表示的運動方向的移動單元的兩個側(cè)面圖的前部區(qū)域的光流。在圖8的實例中，各個電光裝置9的視場不重疊?？商娲?，可以以各自的視場相互至少部分重疊的方式來定位裝置9。
可將依據(jù)本發(fā)明的一個或多個電光裝置與慣性測量和定位裝置集成，以獲得用于自主穩(wěn)定和導(dǎo)航地面移動或飛行平臺的集成系統(tǒng)。圖9示意性示出了自主導(dǎo)航系統(tǒng)，包括微處理器計算單元14、慣性測量裝置11、航向指示(course indicating)裝置13、衛(wèi)星定位裝置12和上面描述類型的一個或多個電光裝置9。慣性測量裝置11可以是具有六個自由度并由其軸在三個正交方向上取向的三個陀螺儀和三個加速計組成的“捷聯(lián)(strap-down)”類型。航向指示裝置13可以采用測量地球磁場的三軸磁力計。衛(wèi)星定位裝置12可以由GPS(或伽利略)接收器和天線組成。
當(dāng)然，在不改變本發(fā)明的原理的情況下，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和實施例可以相對于在此僅通過舉例進(jìn)行描述和說明的內(nèi)容發(fā)生很大的改變，而不脫離在下面的權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種能夠裝載于地面移動或飛行單元上的電光系統(tǒng)，其用于確定由關(guān)于移動單元相對移動的障礙產(chǎn)生的光流，其特征在于它包括輻射發(fā)射器裝置(5)、用于將被物體反射的輻射轉(zhuǎn)換成電信號的接收器裝置(1)、和用于處理由所述接收器裝置(1)產(chǎn)生的信號的裝置(8)，其中所述接收器裝置(1)包括具有接收器矩陣構(gòu)造的至少一個視覺傳感器，并且其中所述發(fā)射器裝置(5，6)使輻射束符合這樣一種方式，即通過物體反射并通過接收器裝置收集的輻射撞擊接收器矩陣的至少一部分，并且其中所述處理裝置僅對被輻射撞擊的接收器矩陣的元素計算光流。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于在預(yù)定距離范圍內(nèi)確定光流。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于通過由發(fā)射器裝置(5)發(fā)射的輻射的強度、通過被輻射撞擊的物體的反射率和通過接收器裝置(1)的靈敏度來確定有助于光流的物體的最大距離。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于矩陣內(nèi)部接收器的分布和形狀連接至由發(fā)射器裝置(5)發(fā)射的輻射束的形狀。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于它包括具有窄帶(2)的帶通光學(xué)濾波器，其透射率波峰集中于發(fā)射器裝置(5)的發(fā)射波峰處。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述傳感器裝置(1)包括CCD或CMOS傳感器的矩陣。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于以通過物體反射并集中于傳感器矩陣(1)之上的輻射(4)撞擊單個傳感器陣列或一束相鄰的傳感器陣列的方式來成形通過發(fā)射器裝置(5)產(chǎn)生的輻射束(7)。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于以通過物體反射并集中于傳感器矩陣(1)之上的輻射(4)撞擊一組相互分離的行的方式來成形通過發(fā)射器裝置(5，6)產(chǎn)生的輻射束(7)。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于以通過物體反射并集中于傳感器矩陣(1)之上的輻射(4)撞擊一組行束的方式來成形通過所述發(fā)射器裝置(5，6)產(chǎn)生的輻射束(7)，其中每束的行相互鄰近，并且各束彼此分離。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于以通過物體反射并集中于傳感器矩陣(1)之上的輻射(4)撞擊單個列或一束相鄰的列的方式來成形通過所述發(fā)射器裝置(5，6)產(chǎn)生的輻射束(7)。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于以通過物體反射并集中于傳感器矩陣(1)之上的輻射(4)撞擊多個相互分離的列的方式來成形通過所述發(fā)射器裝置(5，6)產(chǎn)生的輻射束(7)。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于以通過物體反射并集中于傳感器矩陣(1)之上的輻射(4)撞擊一組列束的方式來成形通過所述發(fā)射器裝置(5，6)產(chǎn)生的輻射束(7)，其中每束的列相互鄰近，并且各束彼此分離。
13.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于以通過物體反射并集中于傳感器矩陣(1)之上的輻射(4)撞擊單個線或一組平行于主運動方向(10)的相互平行的線的方式來成形通過所述發(fā)射器裝置(5，6)產(chǎn)生的輻射束(7)。
14.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于以通過物體反射并集中于傳感器矩陣(1)之上的輻射(4)撞擊一組每一條均平行于其中一個主運動方向的傾斜線的方式來成形通過所述發(fā)射器裝置(5，6)產(chǎn)生的輻射束(7)。
15.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于以通過物體反射并集中于傳感器矩陣(1)之上的輻射(4)撞擊一組線束的方式來成形通過所述發(fā)射器裝置(5，6)產(chǎn)生的輻射束(7)，其中每束線彼此平行，并且平行于其中一個運動分量，同時，射束彼此不平行。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于不同的線束由同樣數(shù)量的不同輻射源產(chǎn)生。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于用于不同束的輻射源具有不同的峰值波長。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于通過不同的接收器收集具有不同波長的不同線束。
19.一種自主導(dǎo)航裝置，其包括依據(jù)一個或多個前述權(quán)利要求的多個系統(tǒng)，每個系統(tǒng)以不同的空間方向取向、彼此有角度地隔開，從而使各個電光系統(tǒng)的視場不重疊。
20.一種用于探測障礙的裝置，其包括依據(jù)權(quán)利要求1-18的一個或多個的多個系統(tǒng)，每個系統(tǒng)以不同的空間方向取向、彼此有角度地隔開，從而使各個電光系統(tǒng)的視場相互至少部分地重疊。
21.一種用于移動單元的防撞系統(tǒng)或自主導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于它包括依據(jù)權(quán)利要求1-18的一個或多個、用于測量光流的電光系統(tǒng)。
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于它包括“捷聯(lián)”慣性導(dǎo)航裝置。
23.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于慣性導(dǎo)航裝置包括三個陀螺儀、三個加速計和/或用作航向指示器和/或衛(wèi)星定位系統(tǒng)的具有三個軸的磁力計。
24.如權(quán)利要求1所述的電光系統(tǒng)，其中在利用VLST(超大規(guī)模集成電路)技術(shù)的處理器上執(zhí)行用于確定光流的算法。
25.如權(quán)利要求1所述的電光系統(tǒng)，其特征在于它包括用于測量障礙的距離的光學(xué)裝置。
全文摘要
一種能夠裝載于移動地面或飛行單元上的電光系統(tǒng)，其用于確定由關(guān)于移動單元相對運動的障礙產(chǎn)生的光流。該系統(tǒng)包括輻射(5)、用于將被物體反射的輻射轉(zhuǎn)換成電信號的接收器裝置(1)、以及用于處理由接收器裝置產(chǎn)生的信號的裝置(8)。接收器裝置(1)基于具有矩陣構(gòu)造的視覺傳感器。發(fā)射器裝置(5，6)以通過物體反射并通過接收器裝置收集的輻射撞擊接收器矩陣的至少一部分的方式來成形輻射束。處理裝置僅對被輻射撞擊的接收器矩陣的元素計算光流。
文檔編號G01S17/00GK1697982SQ200480000592
公開日2005年11月16日 申請日期2004年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月14日
發(fā)明者R·菲尼齊奧, P·雷佩托, P·珀洛, S·貝爾納, C·卡維格內(nèi)斯, N·帕拉羅 申請人:C.R.F.阿西安尼顧問公司