基于相似原理的新型双目测距法

　　1 引 言

　　实现移动机器人路径规划和实时避障的一个关键技术就是准确地测出机器人到障碍的距离。目前常用的测距方法主要分为主动测距法和被动测距法两种。

　　1) 主动测距法。主动测距法主要包括反射能量法、超声时间法等。反射能量法需要发射一束红外光或激光到被测物体表面，同时接收被测物体的反射光能量，根据接收到的能量来判断被测物体的距离;超声时间法测量一束超声波从发射到反射回仪器的时间来判断被测物的距离[1]。主动测距法的优点是受外界环境干扰较小，其缺点是需要额外的能量发射装置，增加了成本，而且有的可能需要能量传播介质，限制了其使用环境。

　　2) 被动测距法。被动测距法根据被测物体本身发出的信号(如光信号)来测量距离，主要包括立体视觉测距法、单目测距法、测角被动测距法等[2]。立体视觉测距法是仿照人类利用双目感知距离的一种测距方法，该方法的难点是选择合理的匹配特征和匹配准则[3];单目测距法是通过在光学系统中引进满足一定条件的“mask”，使成像系统的光学传递函数形成一系列周期变化的与目标物体距离有关的零点，该方法要求目标物体具有低空间频率特性[4];测角被动测距法通过对目标两次测角来实现测距，该方法要求平台加速度不能为零。

　　上述各种测距法都存在一定的不足。为给移动机器人提供一种低成本、高精度的测距方法，本文基于相似原理提出了一种新型双目视觉测距法。

　　2 原 理

　　该新型双目视觉测距法的原理如图1 所示。图中有两片焦距不同的透镜，分别命名为透镜1 和透镜2，其焦距分别为f1和f2;AB 为被测物体，长度为h，到透镜的垂直距离为u;A1B1为 AB 通过透镜 1 的成像，A2B2为 AB 通过透镜2 的成像;v1是透镜1 成像的像距，v2是透镜2 成像的像距。

式中：h 为被测物体AB 的长度，对应图1 中的|AB|;U 为被测物体到透镜的距离，对应图1 中的|AO1|;h1为被测物体通过透镜 1 成像的长度，对应图 1 中的|A1B1|;h2为被测物体通过透镜2 成像的长度，对应图1中的|A2B2|;v1为透镜1成像的像距，对应图1中的|A1O1|;v2为透镜2成像的像距，对应图1中的|B2O2|;f1为透镜 1 的焦距;f2为透镜2 的焦距。

　　3 实验与分析

　　对式(4)和式(5)，需要专门的摄像头来验证其正确性，这两个摄像头应该具有固定焦距，而且以通过改变像距的方式调焦。当前没有这样的实验条件，暂时用两部数码相机搭建了双目测距实验台(图2)。其中一部相机的型号为富士 S9500，变焦范围相当于 135 相机的 28~300 mm，最高分辨率为 910 万像素;另一部相机的型号为索尼 W100，变焦范围相当于 135 相机的 38~114 mm，最高分辨率为 800 万像素。