一种运用于室内导航的移动机器人

摘要

本发明公开一种运用于室内导航的移动机器人，该移动机器人的机体顶壳前端装配有摄像头系统，该摄像头系统包括激光光源发射器和摄像头模组，该摄像头模组包括按照常规摄像头依次固定连接的光学镜头和图像传感器，该摄像头模组还包括滤光片，图像传感器的预设感光区域上覆盖有滤光片，光学镜头以预设工作距离正对滤光片，滤光片用于将有效检测区域内反射的光信号聚焦于图像传感器的预设感光区域之前，过滤反射的光信号中的可见光；其中，激光光源发射器出射的激光光源信号与摄像头模组的视角相交形成一个位于移动机器人的前下方的有效检测区域；图像传感器上没覆盖滤光片的感光区域，用于采集移动机器人前方的室内环境图像，以进行定位导航。

说明书

技术领域

本发明涉及激光视觉检测障碍物的技术领域，尤其涉及一种运用于室内导航的移动机器人。

背景技术

基于单个摄像头的定位导航技术，有着结构简单、可靠性高、生产便利这些特点，获得了越来越大的应用。然而，这个技术有个缺点，就是前面物体的深度信息恢复复杂度高，现有技术必须依赖图像特征库进行特征比对才能识别出障碍物，而且障碍物位置识别的准确率受到各种场景的限制。

中国专利201420865149.1公开一种新型障碍物识别装置，它由激光光源和配套的光幕调制装置构成，用于发射平行于地面的光幕来标识障碍物，它还装有与光幕发射装置发射方向匹配的摄像头，用于拍摄障碍物的反射光斑，当水平光幕照射到前进方向上的障碍物时就会在上面形成一条明亮的带状光斑，被摄像头拍摄到含有反射光斑的场景画面，然后光斑检测装置就可以根据画面上光斑分布情况判断前进路径上障碍物的分布情况，这种根据光斑检测障碍物的技术不需要依赖图像特征库进行特征比对去识别出障碍物，但是，前述障碍物识别装置在工作环境下进行障碍物检测的过程中，所以光幕调制装置发射的平行光幕被室内环境的墙体区域反射，或者存在其他反射率较强的可见光，使得摄像头拍摄到的反射光斑图像不一定代表前方存在的障碍物，有可能是环境光带来的误判结果，从而增大通过光斑识别障碍物的难度，进而影响机器人导航的准确性。

发明内容

针对前述存在的技术问题，本技术方案在图像传感器的下部增加了红外滤光片，过滤掉可见光，大大降低环境带来的影响，增加系统的可靠性。具体的技术方案如下：

一种运用于室内导航的移动机器人，该移动机器人的机体顶壳前端装配有摄像头系统，该摄像头系统包括激光光源发射器和摄像头模组，该摄像头模组包括按照常规摄像头依次固定连接的光学镜头和图像传感器，该摄像头模组还包括滤光片，图像传感器的预设感光区域上覆盖有滤光片，光学镜头以预设工作距离正对滤光片，滤光片用于将有效检测区域内反射的光信号聚焦于图像传感器的预设感光区域之前，过滤反射的光信号中的可见光；其中，激光光源发射器出射的激光光源信号与摄像头模组的视角相交形成一个位于移动机器人的前下方的有效检测区域；图像传感器上没覆盖滤光片的感光区域用于采集移动机器人前方的室内环境图像，以进行定位导航。与现有技术相比，所述激光光源发射器配合摄像头模组的滤光片检测近距离的障碍物，利用不可见光反射形成的光斑去识别有效检测区域内的障碍物，降低摄像头通过拍摄的光斑图像检测障碍物的难度，同时利用摄像头模组的没被滤光片覆盖的区域采集图像信息进行常规的视觉导航。因此该技术方案既能避免图像传感器在成像平面因可见光干扰而出现误判，又能保持执行正常的导航定位功能。

进一步地，所述激光光源发射器安装在所述摄像头模组的上方，所述激光光源发射器的发射方向相对于水平面斜向下设置，所述激光光源发射器的发射方向与所述摄像头模组的光学镜头的光轴呈一个预设锐角，使得所述激光光源发射器发射的激光光源信号在所述摄像头系统的前方预设距离范围内与所述摄像头模组的光学镜头的视角相交形成所述有效检测区域。在该技术方案中，所述激光光源发射器发射的激光光源信号经过所述有效检测区域的障碍物反射，进入所述摄像头模组的有效检测视角范围，从而将检测障碍物的区域限制在距离所述摄像头系统较近的区域内，排除远距离的室内障碍物的反射光的影响；也方便检测地平面凸起的障碍物。

进一步地，所述光学镜头的光轴设置为水平向上20度，所述摄像头模组的视角范围设置为80度到120度，所述预设锐角设置在40度至50度之间。有利于覆盖并交叉于所述摄像头模组的有效检测视角，从而交叉形成有效检测区域。

进一步地，所述激光光源发射器包括左激光光源发射器和右激光光源发射器，对称地安装在所述摄像头模组的左右两侧，左激光光源发射器出射的激光光源信号、右激光光源发射器出射的激光光源信号与所述摄像头模组的视角相交形成一个位于移动机器人的前下方的有效检测区域，该技术方案提供的左激光光源发射器和右激光光源发射器的左右对射结构，增加所述激光光源发射器出射的激光光源信号的覆盖面积，扩大所述有效检测区域。

进一步地，在所述图像传感器内置的感光面固定位置处，所述预设感光区域是自感光面的下边缘朝其上边缘的方向上，覆盖感光面的表面四分之一面积的区域。有利于引导入射光信号在所述预设感光区域内成像。

进一步地，所述激光光源发射器所处的安装位置与所述摄像头所处的安装位置存在预设间距值，使得不同距离处的障碍物反射光斑分布于所述摄像头的成像画面的不同位置处；其中，在保持所述预设锐角和所述光学镜头的光轴不变的前提下，预设间距值设置得越大，所述有效检测区域越大。该技术方案可根据室内环境的分布状况，对所述激光光源发射器与所述摄像头模组的相对间距进行调节，使得所述滤光片更为有效地滤除可见光，入射更多的来自所述激光光源发射器的红外激光信号，进而提高障碍物的检测效果。

进一步地，所述滤光片以特定材料贴在所述预设感光区域处，且所述滤光片的面积等于所述预设感光区域的面积。该技术方案的滤光片固定结构简单，简化摄像头模组的结构，节约成本，有利于引导入射的红外激光信号在所述预设感光区域内红外成像，并滤除可见光在所述预设感光区域内成像。

进一步地，所述激光光源发射器是一个红外激光发射管，其发射的激光光源信号表现为一条直线的红外激光，该红外激光的波长为800nm至920nm，或者是所述波长范围内一个或预设数量的波长的红外光源的组合。该技术方案采用红外激光光源，充分利用红外激光高方向性、低散射的特点，使照射出的激光发散角度极小、几乎没有散射光，同时减弱可见光的干扰。

进一步地，所述滤光片是红外带通滤光片或红外低通滤光片，用于滤出所述红外激光，并在所述预设感光区域完成红外光斑成像；其中，所述滤光片是抑制或滤除可见光的红外滤光片，或贴在所述图像传感器的感光面的镀膜。该技术方案通过采用红外光识别障碍物，达到降低环境光带来的干扰的目的。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种运用于室内导航的移动机器人及其形成的有效检测区域的示意图（所述激光光源发射器安装在所述摄像头模组的上方，且所述激光光源发射器的发射方向相对于水平面斜向下设置）。

图2是本发明实施例提供的两种不同高度障碍物分别在所述摄像头模组对应的感光面上呈现的光斑图像的示意图。

图3是本发明实施例提供的一种运用于室内导航的移动机器人及其形成的有效检测区域的示意图（所述激光光源发射器安装在所述移动机器人的壳体左右两侧）。

图4是本发明实施例提供的一种运用于室内导航的移动机器人的俯视图及其形成的有效检测区域的示意图（所述激光光源发射器安装在所述摄像头模组的左右两侧，处于左右对射装配状态）。

图5是本发明实施例提供的摄像头模组的内部装配示意图。

附图标记：

101：移动机器人的机体；102：驱动轮；103：摄像头模组；104：激光光源发射器，1041：右激光光源发射器，1042：左激光光源发射器；105：激光光源；106：摄像头模组103的视角；107：有效检测区域。

201：中心A高度为h的光斑图像；202:201所在的影像感测片；203：中心A1高度为h1的光斑图像；204:203所在的影像感测片。

1031：图像传感器的感光面；1032：滤光片；1033：光学镜头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

本发明实施例提供一种运用于室内导航的移动机器人，如图1和图3所示，该移动机器人的机体101外壳前端装配有一种带有激光光源的摄像头系统，该移动机器人的机体101的底部装配有驱动轮102，所述摄像头系统包括激光光源发射器和摄像头模组103，该摄像头模组103包括按照常规摄像头依次连接的光学镜头和图像传感器，该摄像头模组103还包括滤光片，本实施例在图像传感器的感光面的预设感光区域上覆盖有滤光片，在优选应用中，滤光片可以通过特殊的材料贴在图像传感器的感光面的预设感光区域上，从而将滤光片固定在摄像头模组103的内部,相对于现有技术,通过支架将滤光片与图像传感器的感光面保持一定距离,本实施例的设计减少摄像头模组的设计难度,提高摄像头模组的成像性能和降低可见光的透过率,也适应所述移动机器人超薄摄像头系统的技术趋势。激光光源发射器的发射端和摄像头模组103的光学镜头都设置为朝向移动机器人的前进方向，激光光源发射器发射的激光光源105在移动机器人的前方预设距离范围内与摄像头模组103的视角106相交形成有效检测区域，有效检测区域107位于移动机器人的前下方。光学镜头以预设工作距离正对滤光片，光学镜头通过摄像头模组103的内部的常规镜座固定设置在远离图像传感器的预设感光区域的一侧，用于将有效检测区域107内反射的光信号聚焦于图像传感器的预设感光区域；所述滤光片用于在激光光源105信号聚焦于感光面之前，过滤反射的光信号中的可见光，使得所述感光面的预设感光区域只接收激光光源发射器104发出的红外光谱,而图像传感器上没覆盖滤光片的感光区域继续用于采集移动机器人前方的室内环境图像，并根据实时采集的图像同步构建地图，从而持续执行视觉定位导航功能。与现有技术相比，所述激光光源发射器配合摄像头模组的滤光片检测近距离的障碍物，利用不可见光反射形成的光斑去识别有效检测区域内的障碍物，避免图像传感器在成像平面因可见光干扰而出现误判，同时利用摄像头模组的没被滤光片覆盖的区域采集图像信息进行常规的视觉导航。因此本实施例提供的移动机器人既能避免图像传感器在成像平面因可见光干扰而出现误判，又能保持执行正常的导航定位功能。进而降低摄像头通过拍摄的光斑图像检测障碍物的难度，同时也减少图像库匹配的运算资源。

作为一种实施例，如图1所示，所述激光光源发射器104安装在所述摄像头模组103的上方，且所述激光光源发射器104的发射方向相对于水平面斜向下设置，所述摄像头模组103的光学镜头的光轴L相对于水平面斜向上设置，所述激光光源发射器104的发射方向与所述摄像头模组103的光学镜头的光轴L呈一个预设锐角，使得所述激光光源发射器104出射的激光光源105与所述摄像头模组103的视角106相交形成有效检测区域107，实现激光光源105自上而下地覆盖并交叉于所述摄像头模组103的有效检测视角范围，然后利用所述摄像头模组103内部的设置的滤光片排除可见光后，从而将检测障碍物的区域限制在距离所述移动机器人前下方较近的区域内，排除远距离的室内障碍物的反射光的影响，辅助检测有效检测区域107内凸起的障碍物。

具体地，所述激光光源发射器104的发射方向与所述摄像头模组103的光学镜头的光轴L呈40度至50度之间的预设锐角，所述激光光源发射器104的发射端与所述摄像头模组103的光学镜头都朝向所述摄像头系统的前方，辅助检测所述摄像头系统的前方地平面上凸起的障碍物，所述激光光源发射器104的发射方向与水平方向成一个预设出射角度，使得所述激光光源发射器104发射的激光光源105在所述摄像头系统的前方预设距离范围内与所述摄像头模组103的视角相交形成有效检测区域107。在本实施例中，所述摄像头模组103的安装方式将检测障碍物的区域限制在距离所述摄像头系统较近的区域内，即所述有效检测区域107，加上所述摄像头模组103的滤光片排除可见光后，可以实现排除远距离的室内障碍物的反射光或外界强可见光反射的干扰，去除强光斑造成的虚假障碍物，适用于室内各种复杂环境。值得注意的是，所述预设出射角度的角度范围为40度至80度。精确限制所述激光光源发射器相对于水平面的发射方向，有利于覆盖并交叉于所述摄像头的有效检测视角范围。

作为一种实施例，结合图3和图4可知，所述激光光源发射104器包括左激光光源发射器1042和右激光光源发射器1041，如图4所示它们对称或不对称地安装在所述摄像头模组103的左右两侧，对应装配在所述移动机器人的机体101的左右侧面壳体上，并都与所述摄像头模组103保持一定的间距。左激光光源发射器1042出射的激光光源信号105、右激光光源发射器1041出射的激光光源信号105与所述摄像头模组103的视角106相交形成一个位于移动机器人的前下方的有效检测区域107，相对于前述实施例提供的所述激光光源发射器104安装在所述摄像头模组103的上方的结构，本实施例提供的左激光光源发射器1042和右激光光源发射器1041的左右对射结构，增加所述激光光源发射器104出射的激光光源信号的覆盖面积，扩大所述有效检测区域。

具体地，激光光源发射器1042和右激光光源发射器1041都优选为单线激光雷达，它们发出的激光光源信号105都是单线，用于扫描平面，可以帮助所述移动机器人规避障碍物，其扫描速度快、分辨率强、可靠性高。本实施例将激光光源发射器1042和右激光光源发射器1041按一定形状排布于所述摄像头模组103的左右两侧，且它们发射方向都与所述摄像头模组103的光学镜头的光轴相交，彼此互成一定的角度，大幅度增强激光光源105的线性集中程度。

本优选实施方式还可以设置预设数量的左激光光源发射器和右激光光源发射器，相应地安装在所述摄像头模组103的左右两侧以排布成规则的形状，使这些激光光源发射器在障碍物的反射面上形成的光斑是有一定形状的，该光斑在所述摄像头模组103的成像平面中形成较为容易识别的图形，有利于通过光斑识别障碍物；多个激光光源发射器发射的激光可以在障碍物上形成多个光斑，这些光斑尤其为形成可方便识别的图形，进一步地减少外界光线(例如强光)在障碍物形成的亮点造成的干扰。也同时也有利于从多个方位去检测所述摄像头系统的前方地平面周围凸起的障碍物，如图4所示，通过左激光光源发射器1042形成的光斑测出所述移动机器人的机体101前进方向右侧的障碍物，而通过右激光光源发射器1041形成的光斑测出所述移动机器人的机体101前进方向左侧的障碍物。

值得说明的是，前述实施例利用最常见的色彩边缘检测算法等常用算法即可完成所述摄像头模组103的成像画面上的反射光斑的检测识别，使所述移动机器人运算工作量大幅度下降，从而更好地提供更多的资源空间给实时定位导航工作。

在前述实施例的基础上，在所述图像传感器内置的感光面301当前固定位置处，所述预设感光区域是自感光面301的下边缘朝其上边缘的方向上，覆盖感光面301的表面四分之一面积的区域，如图5 中黑色斜线覆盖的区域，结合上述实施例中所述激光光源发射器104的发射方向与所述摄像头模组103的光学镜头的光轴L呈40度至50度之间的预设锐角，有利于引导入射光信号在所述预设感光区域内成像。其中，感光面301是由多个三基色(R、G、B)感光元器件按照特定顺序规则排列组成，本实施例将所述预设感光区域内的感光元器件设置为被红外光成像区覆盖，用于输出红外光成像数据。

所述激光光源发射器优选为一个红外激光发射管，其发射的激光光源信号表现为一条直线的红外激光，该红外激光的波长为800nm至920nm，或者是所述波长范围内一个或预设数量的波长的红外光源的组合，该红外激光是近红外光源，由于红外激光为不可见光，并且人眼对红外感受微弱甚至不感受，红外激光对人无侵扰，红外激光应用在人不察觉中进行，所述摄像头系统可以利用红外激光在黑暗中进行避障。本实施例采用红外激光光源，充分利用红外激光高方向性、低散射的特点，使照射出的激光发散角度极小、几乎没有散射光，同时减弱可见光的干扰。如图1的激光光源105所示，始终与地面相交，地面反射的光斑只有射入所述有效检测区域107才能被所述摄像头模组103拍摄到。当所述激光光源105对物体照射时就会在该物体上投射出一条明亮的带状光斑。如图1 所示，当所述激光光源105与路面相交并以所述预设出射角度倾斜向下照射时，如果路面上有障碍物就会在该障碍物表面反射出一条明亮的光斑，且进入所述有效检测区域107被所述摄像头模组103拍摄到。

因此，所述滤光片优选是红外带通滤光片或红外低通滤光片，用于抑制或滤除可见光以及高频段的光谱信号，只是允许红外光信号通过，在具体应用中，所述滤光片为低通型、带通型、长通截止型或截通型的红外滤光片，比如当所述激光光源发射器出射850nm的红外激光进行障碍物识别时，可以采用配合中心波长为850nm的红外带通滤光片，使得850nm的红外反射激光通过，而滤除其他波长的反射光线。本实施例采用的所述红外带通滤光片或所述红外低通滤光片，可以是抑制或滤除可见光的红外滤光片、或贴在所述图像传感器的感光面的镀膜，它们用于滤出所述红外激光，从而阻挡可见光进入所述图像传感器的感光面301，使得感光面301的所述预设感光区域内的光斑成像可以不受可见光的干扰，提高红外光成像质量，从而实现所述图像传感器接收所述红外激光，并在所述预设感光区域完成红外光斑成像。本实施例在所述摄像头系统中预设感光区域内配置所述滤光片后，采用红外光识别障碍物，降低环境光带来的干扰，同时所述摄像头系统还能利用可见光进行视觉导航定位，将避障功能和同步定位功能由所述摄像头系统的图像传感器的不同感光区域分布承担，加快所述移动机器人的处理速度，也增加所述摄像头系统的可靠性。

如图5所示，所述滤光片1032以特定材料贴在所述预设感光区域处，且所述滤光片1032的面积等于所述预设感光区域的面积，用于通过吸收或反射可见光的方式过滤出入射光学镜头1033的光信号中的红外激光，使其射入所述图像传感器的感光面1031，如图5的带箭头的虚线，光学镜头1033右侧的带箭头的虚线表示摄像头模组外界入射的光信号，该光信号先入射到光学镜头1033，然后经过折射变为光学镜头1033左侧的带箭头的虚线，进入所述图像传感器的感光面1031的所述预设感光区域处，即进入图5对应的所述滤光片1032进行可见光的滤除。

在图5中，滤光片可以通过专用胶水粘贴在所述图像传感器的感光面1031的预设感光区域上，从而将滤光片1032固定在所述摄像头模组103的内部，其中，所述图像传感器在具体应用中，可以通过任意可行的方式固定于支架，进而通过支架固定于线路板，从而使光学镜头1033正对图像传感器的感光面设置，例如，通过卡扣卡合固定、通过胶水粘贴或通过螺纹紧固件紧固等方式将所述图像传感器固定于支架。光学镜头1033以预设工作距离正对所述滤光片1032。同理，光学镜头1033通过所述摄像头模组103的内部的镜座固定设置在远离图像传感器的预设感光区域的一侧，用于有效检测区域107内反射的光信号聚焦于贴在感光面1031上的所述滤光片1032，其中，光学镜头1033具体通过卡扣卡合固定、通过胶水粘贴或通过螺纹紧固件紧固等方式固定于常规的镜座上。本实施例中，所述滤光片1032用于在激光光源信号聚焦于感光面1031之前，过滤反射的光信号中的可见光，使得所述感光面1031的预设感光区域只接收激光光源发射器104发出的红外光谱。本实施例将所述滤光片1032在所述图像传感器上的固定结构设置得比较简单，有利于引导入射的红外激光信号在所述预设感光区域内红外成像，并滤除可见光。

优选地，所述激光光源发射器104所处的安装位置与所述摄像头模组103所处的安装位置存在预设间距值，使得不同距离处的障碍物反射红外光斑偏离所述光学镜头的光心的距离不同，分布于所述摄像头模组103的成像画面的位置也不同，其中所述摄像头模组103的镜头光轴的位置是固定的。在保持所述预设锐角和所述光学镜头1033的光轴不变的前提下，当预设间距值设置得越大，所述激光光源105覆盖并交叉于所述摄像头模组103的视角106的区域越大，形成的所述有效检测区域107越大。本实施例可根据室内环境的分布状况，对所述激光光源发射器与所述摄像头模组的相对间距进行调节，使得所述滤光片更为有效地滤除可见光，入射更多的来自所述激光光源发射器的红外激光信号，进而提高障碍物的检测效果。

结合图1和图2可知，所述摄像头模组103拍摄到所述有效检测区107内的第一预设位置处的障碍物反射光斑，并在所述摄像头模组103的成像画面位置处的影像感测片202上形成光斑图像201，光斑图像201的中心位置A在影像感测片202上的高度为h；当障碍物相对于所述第一预设位置拉近其与所述摄像头模组103的距离时，所述摄像头模组103拍摄到所述有效检测区107内的第二预设位置处的障碍物反射光斑，并在所述摄像头模组103的成像画面位置处的影像感测片204上形成光斑图像203，光斑图像203的中心位置A1在影像感测片204上的高度为h1，其中高度h1明显大于高度h，而且第一预设位置与所述摄像头模组103的水平距离大于第二预设位置与所述摄像头模组103的水平距离。因此本实施例可以根据所述摄像头模组103的成像画面上的反射红外光斑图像来判断其与所述有效检测区107内的障碍物的远近程度。值得说明的是，所述摄像头系统完成识别障碍物后还可以依据光斑分布于所述摄像头模组103的成像画面中的高度差异估算出障碍物的距离，其依据的就是中学课本几何光学中的凸透镜成像原理，该原理在很多光学测距仪器中都有应用属于公知技术，不再具体赘述。同理，图3对应的实施例下也会出现图2所示规律的光斑图像，只是光斑图像相对旋转90度，但是图3对应实施例依然可以根据所述摄像头模组103的成像画面上的反射红外光斑图像来判断其与所述有效检测区107内的障碍物的远近程度。

结合图1、图2和图3可知，在所述移动机器人前进过程中，当前方的障碍物在所述有效检测区域107之外时，所述摄像头模组103的成像平面上没有来自前方的障碍物反射的光斑图像，本实施例可以将所述摄像头模组103的成像平面视为所述图像传感器的感光面1031；在所述移动机器人前进过程中，当前方的障碍物比较远，所述激光光源105和所述摄像头模组103视角没有交集，所述摄像头模组103拍摄不到激光光源，当前面有障碍物逐渐靠近，开始进入所述激光光源105和所述摄像头模组103的视角106的交集点区域时，前方的障碍物出现在所述有效检测区域107内，来自前方的障碍物反射的红外光斑图像出现在所述图像传感器的感光面1031上,且在所述有效检测区域107内，前方的障碍物越靠近所述移动机器人，光斑图像在所述图像传感器的感光面1031上的位置偏离所述光学镜头的光心的距离越大。因此所述移动机器人可以根据所述摄像头模组103的成像画面上的反射光斑图像来判断其与所述有效检测区107内的障碍物的远近程度，进而做出相应的避障路径规划。本实施例根据室内环境的分布状况，在所述移动机器人的机体101上对所述激光光源发射器104与所述摄像头模组103的相对间距位置进行调节，尽可能提高障碍物的检测效果。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作出的等同变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。