[发明专利]一种用于机器人的TOF模组的安装方法

说明书

本发明公开了一种用于机器人的TOF模组的安装方法，包括：调整TOF模组的光轴与地面的倾角，使得TOF模组光心离地高度H、模组垂直方向视场角VFoV、模组最短可测距离L₂和机器人最短需求探测距离R_min之间满足相应的约束关系。本发明有效解决了地面点云下沉和被测平面误差较大的问题。

技术领域

本发明特别涉及一种用于机器人的TOF模组的安装方法。

背景技术

TOF(Time of flight，“飞行时间”)传感器本质上其测距原理是：通过面光源向待测量目标连续发送光信号(脉冲或者连续调制波等)，然后用接收传感器(‘相机’)接收从物体返回的光，直接测得或者间接计算出光信号的飞行(往返)时间来得到目标物体距离，参见图1。

如图2所示，一种两相脉冲式TOF传感器的深度计算过程如下所示(本发明也适用于其他类型的TOF)。

如果每个光脉冲的时间宽度为Δt，对于接收传感器的每一个像素来说，假设光信号只有单一反射路径到达该接收像素，在两个时间窗口C1，C2内累计接收的光能量(电荷)为Q1，Q2，则光的传播时间T可以由下式计算得到：

假设光速是C，那么该像素对应的物体点的距离为：

d＝0.5*C*T。

目前TOF模组安装存在如下问题：

一、地面反射的影响

TOF模组用在一些应用里，比如服务机器人和扫地机器人，其安装高度一般比较低，有时候低至离地几厘米。这种情况下，很多像素的接收光线会经历典型的多径干扰现象，特别是来自地面的漫反射光线会和待测物体的反射光线迭加在一起，由于两者的传播时延往往显著不同，导致前述的计算公式产生计算误差。

图3所示为该问题的一个示意，为了说明该问题，图中光路、像素、成像平面和多镜反射点等图示均做了简化。在实际使用环境中，每个像素都会接收到来自多条光路能量不同的反射信号。

在理想条件下，像素A、B只会接收到常规光路的反射光线，根据描述的原理，成像平面中每个像素处观测到的物理世界点的深度可以被准确测量。实际工作中，因为多径的影响，像素A会接收到常规光路和多径光路的反射光线，根据前面描述的原理，计算的深度值会在A和B的深度之间。参见图4，实际使用中表现的问题为地面点的点云高度出现下沉(低于地面实际高度)，实际待测墙面也因为多径效应导致点云精度较低(厚度变大)。

二、FOV的不充分利用

TOF模组有最短可测距离(L₂)的概念，即待测目标点距离TOF光心的连线在水平面上的投影线段长度。小于L₂的区域称为测量盲区，TOF不能准确测量该区域内的目标点深度。

TOF模组有垂直视场角(VFOV)的概念，即图像传感器、镜头和光源有效垂直视场角的交集。实际使用中，TOF模组VFOV外的目标点不能准确测量其深度。

机器人应用中有最短需求探测距离(R_min)的概念，即待测目标点距离机器人边界的连线在水平面上的投影线段长度。小于R_min的的距离不要求准确测量深度，一般通过其他辅助传感器测量或采用其他算法进行处理。一般R_min≥L₂。

在实际应用中，当TOF模组安装高度较低时(例如扫地机器人等较矮的机器人中的典型安装高度10cm)，存在VFOV内的部分区域对应的目标点深度小于L₂的情况，因此会造成VFOV浪费；当TOF模组安装高度较高时(例如服务机器人等形体较高的机器人中的典型安装高度10～100cm)，存在VFOV不能满足R_min需求的情况。

发明内容