一種基于線結(jié)構(gòu)光的遠(yuǎn)距離障礙感知傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種基于線結(jié)構(gòu)光的遠(yuǎn)距離障礙感知傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量方法是由光學(xué)三角法測(cè)量原理發(fā)展而來(lái)，是目前工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛 應(yīng)用的一種視覺(jué)測(cè)量方法。結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器主要由激光投射器和攝像機(jī)等組成，激光根 據(jù)需要經(jīng)由光學(xué)透鏡投射成一定形式的結(jié)構(gòu)光射向被測(cè)物，攝像機(jī)用于拍攝被測(cè)物表面形 成的光條圖像，再利用光學(xué)三角法獲得物體表面三維信息。當(dāng)前結(jié)構(gòu)光法主要集中在三 維實(shí)體的重建、物體表面輪廓的測(cè)量、焊縫跟蹤檢測(cè)和機(jī)器人的近距離視覺(jué)導(dǎo)航的研究中 (探測(cè)半徑〇. 64毫米）。以上結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)應(yīng)用多用于白天、近距離檢測(cè)，這和傳感器的 結(jié)構(gòu)、功率、檢測(cè)精度等都有直接的關(guān)系。另外線結(jié)構(gòu)光用于路面車(chē)轍檢研究較多，此研究 一般采用直射式三角法，而且測(cè)量距離一般不超過(guò)10米。當(dāng)前用于路面遠(yuǎn)距離檢測(cè)的應(yīng)用 研究并不多見(jiàn)。和前幾種研究不同的是，用線結(jié)構(gòu)光傳感器進(jìn)行路面障礙檢測(cè)的要求有距 離性、準(zhǔn)確性、快速性和模糊性。對(duì)無(wú)人車(chē)來(lái)說(shuō)，對(duì)路面障礙的理解要準(zhǔn)確，對(duì)于障礙物的精 度要求不是很高。同時(shí)，因?yàn)闊o(wú)人車(chē)運(yùn)動(dòng)速度的要求，使其必須對(duì)一定距離處的環(huán)境快速做 出正確的判斷。行進(jìn)過(guò)程中，無(wú)人車(chē)只要知道其前進(jìn)道路上是否有障礙和障礙的情況即可， 也就是哪里可通行。相比于現(xiàn)有面陣相機(jī)圖像處理和車(chē)載激光雷達(dá)的云數(shù)據(jù)處理，具有障 礙特征明顯、處理速度快的優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 相比于現(xiàn)有面陣相機(jī)圖像處理和車(chē)載激光雷達(dá)的云數(shù)據(jù)處理，線結(jié)構(gòu)光檢測(cè)方法 具有障礙特征明顯、處理速度快的優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 但是現(xiàn)有的線結(jié)構(gòu)光傳感器系統(tǒng)測(cè)試距離較近，僅是幾厘米或幾米之內(nèi)，在測(cè)試 距離、測(cè)試速度等各個(gè)方面不能滿(mǎn)足現(xiàn)有的無(wú)人車(chē)對(duì)其前進(jìn)道路上是否有障礙和障礙的情 況的快速判斷需求，因此，亟需一種基于線結(jié)構(gòu)光的遠(yuǎn)距離障礙感知傳感器。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于線結(jié)構(gòu)光的遠(yuǎn)距離障礙 感知傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車(chē)輛前方最遠(yuǎn)可到百米的水障礙、凹凸障礙物進(jìn)行全天時(shí)的檢測(cè) 識(shí)別。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的具體方案如下：
[0007] -種基于線結(jié)構(gòu)光的遠(yuǎn)距離障礙感知傳感器，包括：激光發(fā)射器，用于在計(jì)算機(jī)的 控制下發(fā)射線結(jié)構(gòu)光到被測(cè)目標(biāo)區(qū)域；
[0008] 激光測(cè)距儀，用于測(cè)量激光發(fā)射器到發(fā)射的線結(jié)構(gòu)光條的距離；
[0009] C⑶成像系統(tǒng)，用于捕獲被測(cè)目標(biāo)區(qū)域包含線結(jié)構(gòu)光光條的圖像并傳送至計(jì)算 機(jī)；
[0010] 計(jì)算機(jī)，通過(guò)測(cè)量收到激光脈沖的幅度獲得探測(cè)對(duì)象的反射激光的強(qiáng)度，通過(guò)激 光測(cè)距儀獲得探測(cè)對(duì)象的距離，再通過(guò)圖像處理系統(tǒng)對(duì)得到的線結(jié)構(gòu)光光條的圖像進(jìn)行處 理，得到目標(biāo)信息，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)與激光發(fā)射器、激光測(cè)距儀及CCD成像系統(tǒng)通信繼而實(shí)現(xiàn)對(duì) 遠(yuǎn)距離障礙的全天時(shí)檢測(cè)。
[0011] 所述激光發(fā)射器包括激光器及與之按一定角度配合安裝的偏擺鏡，計(jì)算機(jī)對(duì)激光 器的傾角控制具體為對(duì)激光光源、偏擺鏡和激光測(cè)距儀的云臺(tái)傾角控制，三者傾角保持一 致性。
[0012] 所述圖像處理系統(tǒng)包括：圖像探測(cè)器、信號(hào)處理器、圖像處理器依次相連，圖像處 理器將處理后的圖像輸出至計(jì)算機(jī)，圖像探測(cè)器的傾角控制主要是計(jì)算機(jī)對(duì)CCD的云臺(tái)傾 角控制。CO)，英文全稱(chēng)：Charge-coupled Device，中文全稱(chēng)：電荷親合元件，可以稱(chēng)為CO) 圖像傳感器，也叫圖像控制器。
[0013] 所述激光器功率選擇和能探測(cè)的最大距離Rniax之間的關(guān)系，主要考慮大氣分子對(duì) 激光的吸收和懸浮微粒散射引起激光強(qiáng)度衰減，將激光光束在被測(cè)物體表面的反射看作郎 伯反射，根據(jù)激光光束在大氣中的傳輸特性，可以由以下公式推算：
[0015] 式中，P。激光器功率為，P _攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)探測(cè)所需要的最小功率為，As光束在識(shí)別 物體表面的光束截面積為，A。攝像機(jī)在物體表面的接收面積為，A dSA。所對(duì)應(yīng)的攝像機(jī)靶 面處的面積為，Gs物體表面發(fā)現(xiàn)與光束光軸的夾角激光束的入射角為，0 d光軸與被測(cè)物 體表面法線之間的夾角為，P識(shí)別物體的表面反射率為，λ激光器波長(zhǎng)（ym) ; λ。指定波 長(zhǎng)，取值0.61或0.55 μ m;Rv波長(zhǎng)λ。處得氣象學(xué)距離，也稱(chēng)作可視距離（km) ;q經(jīng)驗(yàn)常數(shù)， 取值與氣象學(xué)距離Rv有關(guān)。
[0016] q的經(jīng)驗(yàn)取值如下：
[0018] 由以上，探測(cè)距離的遠(yuǎn)近，跟激光器的功率峰值、發(fā)射光束截面積、探測(cè)器的響應(yīng) 功率等有關(guān)。
[0019] 所述激光器與偏擺鏡配合產(chǎn)生線結(jié)構(gòu)光的時(shí)候，偏擺鏡和激光器需要對(duì)準(zhǔn)、光條 位置確定和追蹤，線結(jié)構(gòu)光條的調(diào)整過(guò)程如下：首先，在傳感器設(shè)備未通電的情況下，將激 光器和偏擺鏡云臺(tái)調(diào)水平，確保激光器出光口和偏擺鏡的鏡面中心對(duì)齊；其次，檢查供電電 源和控制信號(hào)大小，確保激光器功率調(diào)到所需大小，通電；第三，通過(guò)相機(jī)鏡頭找尋車(chē)前線 結(jié)構(gòu)光條；第四，觀察光條位置，根據(jù)云臺(tái)上的三個(gè)方向傾角傳感器返回的值微調(diào)云臺(tái)傾 角，直至光條投向車(chē)前指定位置。
[0020] 根據(jù)云臺(tái)上的三個(gè)方向傾角傳感器返回的值微調(diào)云臺(tái)傾角，直至光條投向車(chē)前指 定位置具體的調(diào)整規(guī)律如下：偏擺鏡云臺(tái)俯仰角Θ可以調(diào)整光條的遠(yuǎn)近；水平轉(zhuǎn)角α可 以調(diào)整光條的左右位置，順時(shí)針調(diào)α光條向右移動(dòng)，連續(xù)調(diào)整α直至光條位于車(chē)前路面正 中；如果光條傾斜，不垂直于行車(chē)方向，則需要調(diào)整偏擺鏡云臺(tái)的傾斜轉(zhuǎn)角β。
[0021] (XD成像系統(tǒng)通過(guò)分色棱鏡實(shí)現(xiàn)多光譜，將從同一個(gè)鏡頭入射的同軸光分別投射 至2片C⑶傳感器上，使得2片CXD上的圖像可以獲得完全一致的視角，從而實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光和 近紅外光譜的分離。
[0022] 兩個(gè)CXD和計(jì)算機(jī)之間分別通過(guò)圖像處理器、幀存儲(chǔ)器、以太網(wǎng)卡及GigE網(wǎng)口相 連，GigE網(wǎng)口與計(jì)算機(jī)通信。
[0023] 圖像處理器對(duì)線結(jié)構(gòu)光圖像的處理包括對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理和對(duì)光條中心線的 提取兩部分；首先采用基于排序的自適應(yīng)極值中值的濾波方法對(duì)圖像中的椒鹽噪聲進(jìn)行快 速有效的濾除，同時(shí)考慮對(duì)光條邊緣細(xì)節(jié)信息的保護(hù)；然后通過(guò)基于Hessian矩陣求取光 條法線方向的方法，把光條中心亞像素坐標(biāo)提取出來(lái)。
[0024] 計(jì)算機(jī)對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行判斷時(shí)：當(dāng)遇到凹坑或者凸起的障礙時(shí)，光條在障礙邊沿 處會(huì)發(fā)生變形；對(duì)于凹坑，結(jié)構(gòu)光光線在坑邊沿處出現(xiàn)折彎現(xiàn)象，坑內(nèi)部分的光投射到前方 坑內(nèi)壁上，坑內(nèi)的光條在坑外地面的前方，折線沿著坑邊沿方向彎曲，對(duì)于凸起的障礙，和 凹坑光線變化相反，光線在凸起邊沿處折彎。
[0025] 計(jì)算機(jī)對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行判斷時(shí)：當(dāng)遇到水坑的時(shí)候，計(jì)算機(jī)對(duì)連續(xù)幀的多幅圖像 進(jìn)行處理，根據(jù)線結(jié)構(gòu)光光條遇水的變化特性可以對(duì)水坑形狀進(jìn)行掃描提取，在線結(jié)構(gòu)光 二值灰度化圖像中，水、地交界處光條灰度值會(huì)發(fā)生突變，將連續(xù)多幀圖像中的突變點(diǎn)記 錄、存儲(chǔ)并連接起來(lái)，就可以繪制出水體的外圍輪廓圖，并計(jì)算出水體的長(zhǎng)度和寬度。
[0026] 本實(shí)用新型的有益效果：
[0027] 1、本實(shí)用新型為了滿(mǎn)足越野條件下無(wú)人車(chē)對(duì)障礙物的檢測(cè)識(shí)別，采用新型線結(jié)構(gòu) 光視覺(jué)傳感器，對(duì)車(chē)輛前方最遠(yuǎn)可到百米的水障礙、凹凸障礙物進(jìn)行全天時(shí)檢測(cè)識(shí)別。
[0028] 2、本實(shí)用新型創(chuàng)建了一種基于線結(jié)構(gòu)光遠(yuǎn)距離水障礙、凹凸障礙感知的新型傳感 器，理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器的可行性，具有測(cè)試距離遠(yuǎn)、全天時(shí)、感測(cè)快、識(shí)別準(zhǔn)、成 本低等特點(diǎn)，圖像處理算法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。
[0029] 3、本實(shí)用新型針對(duì)水障礙物，提出了一種根據(jù)線結(jié)構(gòu)光條灰度值突變特征進(jìn)行水 障礙檢測(cè)識(shí)別的"黑洞"算法，通過(guò)連續(xù)掃描可以提取水障礙輪廓，實(shí)驗(yàn)表明能夠?qū)崿F(xiàn)水障 礙物的快速識(shí)別。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)原理圖；
[0031] 圖2視覺(jué)成像傳感器原理及構(gòu)成；
[0032] 圖3結(jié)構(gòu)光光條調(diào)整原理；
[0033] 圖4 (XD與計(jì)算機(jī)之間信息傳輸過(guò)程；
[0034] 圖5線結(jié)構(gòu)光光條處理過(guò)程框圖；
[0035] 圖6在不同類(lèi)型障礙上線結(jié)構(gòu)光光條模擬，（a)凹坑（b)平坦路面（C)凸起土堆 (d)水坑；
[0036] 圖7線結(jié)構(gòu)光光條遇到水坑時(shí)光條掃描過(guò)程。
【具體實(shí)施方式】：
[0037] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：
[0038] 線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)原理圖如圖1所示。圖1主要包括激光發(fā)射器、C⑶成像 系統(tǒng)和被測(cè)對(duì)象。其中，激光發(fā)射器由激光光源和偏擺鏡組成。相比于普通白光光源，激光 光源具有高亮度、方向性好等優(yōu)點(diǎn)。而相比于常見(jiàn)激光線光源，由點(diǎn)激光加偏擺鏡生成的線 結(jié)構(gòu)光具有生成激光器功率低的特點(diǎn)。偏擺鏡在控制電壓的作用下實(shí)現(xiàn)偏擺振動(dòng)，點(diǎn)激光 器光源投射到鏡面上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光面。結(jié)構(gòu)光光面與被測(cè)對(duì)象相交生成線結(jié)構(gòu)光光條，根據(jù) 光條變化規(guī)律，可以判斷出障礙類(lèi)型和尺寸。CCD成像系統(tǒng)將CCD采集