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)光視覺測量方法是由光學(xué)三角法測量原理發(fā)展而來，是目前工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛 應(yīng)用的一種視覺測量方法。結(jié)構(gòu)光視覺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)光射向被測物，攝像機(jī)用于拍攝被測物表面形 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、物體表面輪廓的測量、焊縫跟蹤檢測和機(jī)器人的近距離視覺導(dǎo)航的研究中 (探測半徑〇. 64毫米）。以上結(jié)構(gòu)光視覺檢測應(yīng)用多用于白天、近距離檢測，這和傳感器的 結(jié)構(gòu)、功率、檢測精度等都有直接的關(guān)系。另外線結(jié)構(gòu)光用于路面車轍檢研究較多，此研究 一般采用直射式三角法，而且測量距離一般不超過10米。當(dāng)前用于路面遠(yuǎn)距離檢測的應(yīng)用 研究并不多見。和前幾種研究不同的是，用線結(jié)構(gòu)光傳感器進(jìn)行路面障礙檢測的要求有距 離性、準(zhǔn)確性、快速性和模糊性。對無人車來說，對路面障礙的理解要準(zhǔn)確，對于障礙物的精 度要求不是很高。同時，因為無人車運(yùn)動速度的要求，使其必須對一定距離處的環(huán)境快速做 出正確的判斷。行進(jìn)過程中，無人車只要知道其前進(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)圖像處理和車載激光雷達(dá)的云數(shù)據(jù)處理，線結(jié)構(gòu)光檢測方法 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)測試距離較近，僅是幾厘米或幾米之內(nèi)，在測試 距離、測試速度等各個方面不能滿足現(xiàn)有的無人車對其前進(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)對車輛前方最遠(yuǎn)可到百米的水障礙、凹凸障礙物進(jìn)行全天時的檢測 識別。
[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，用于在計算機(jī)的 控制下發(fā)射線結(jié)構(gòu)光到被測目標(biāo)區(qū)域；
[0008] 激光測距儀，用于測量激光發(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)，用于捕獲被測目標(biāo)區(qū)域包含線結(jié)構(gòu)光光條的圖像并傳送至計算 機(jī)；
[0010] 計算機(jī)，通過測量收到激光脈沖的幅度獲得探測對象的反射激光的強(qiáng)度，通過激 光測距儀獲得探測對象的距離，再通過圖像處理系統(tǒng)對得到的線結(jié)構(gòu)光光條的圖像進(jìn)行處 理，得到目標(biāo)信息，計算機(jī)實(shí)時與激光發(fā)射器、激光測距儀及CCD成像系統(tǒng)通信繼而實(shí)現(xiàn)對 遠(yuǎn)距離障礙的全天時檢測。
[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，計算機(jī)對激光 器的傾角控制具體為對激光光源、偏擺鏡和激光測距儀的云臺傾角控制，三者傾角保持一 致性。
[0012] 所述圖像處理系統(tǒng)包括：圖像探測器、信號處理器、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算機(jī)，圖像探測器的傾角控制主要是計算機(jī)對CCD的云臺傾 角控制。CO)，英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷親合元件，可以稱為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的最大距離Rniax之間的關(guān)系，主要考慮大氣分子對 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)探測所需要的最小功率為，As光束在識別 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光軸與被測物 體表面法線之間的夾角為，P識別物體的表面反射率為，λ激光器波長（ym) ; λ。指定波 長，取值0.61或0.55 μ m;Rv波長λ。處得氣象學(xué)距離，也稱作可視距離（km) ;q經(jīng)驗常數(shù)， 取值與氣象學(xué)距離Rv有關(guān)。
[0016] q的經(jīng)驗取值如下：
[0018] 由以上，探測距離的遠(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)光的時候，偏擺鏡和激光器需要對準(zhǔn)、光條 位置確定和追蹤，線結(jié)構(gòu)光條的調(diào)整過程如下：首先，在傳感器設(shè)備未通電的情況下，將激 光器和偏擺鏡云臺調(diào)水平，確保激光器出光口和偏擺鏡的鏡面中心對齊；其次，檢查供電電 源和控制信號大小，確保激光器功率調(diào)到所需大小，通電；第三，通過相機(jī)鏡頭找尋車前線 結(jié)構(gòu)光條；第四，觀察光條位置，根據(jù)云臺上的三個方向傾角傳感器返回的值微調(diào)云臺傾 角，直至光條投向車前指定位置。
[0020] 根據(jù)云臺上的三個方向傾角傳感器返回的值微調(diào)云臺傾角，直至光條投向車前指 定位置具體的調(diào)整規(guī)律如下：偏擺鏡云臺俯仰角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，順時針調(diào)α光條向右移動，連續(xù)調(diào)整α直至光條位于車前路面正 中；如果光條傾斜，不垂直于行車方向，則需要調(diào)整偏擺鏡云臺的傾斜轉(zhuǎn)角β。
[0021] (XD成像系統(tǒng)通過分色棱鏡實(shí)現(xiàn)多光譜，將從同一個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)可見光和 近紅外光譜的分離。
[0022] 兩個CXD和計算機(jī)之間分別通過圖像處理器、幀存儲器、以太網(wǎng)卡及GigE網(wǎng)口相 連，GigE網(wǎng)口與計算機(jī)通信。
[0023] 圖像處理器對線結(jié)構(gòu)光圖像的處理包括對圖像進(jìn)行濾波處理和對光條中心線的 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圖像中的椒鹽噪聲進(jìn)行快 速有效的濾除，同時考慮對光條邊緣細(xì)節(jié)信息的保護(hù)；然后通過基于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。
[0024] 計算機(jī)對目標(biāo)信息進(jìn)行判斷時：當(dāng)遇到凹坑或者凸起的障礙時，光條在障礙邊沿 處會發(fā)生變形；對于凹坑，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] 計算機(jī)對目標(biāo)信息進(jìn)行判斷時：當(dāng)遇到水坑的時候，計算機(jī)對連續(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發(fā)生突變，將連續(xù)多幀圖像中的突變點(diǎn)記 錄、存儲并連接起來，就可以繪制出水體的外圍輪廓圖，并計算出水體的長度和寬度。
[0026] 本實(shí)用新型的有益效果：
[0027] 1、本實(shí)用新型為了滿足越野條件下無人車對障礙物的檢測識別，采用新型線結(jié)構(gòu) 光視覺傳感器，對車輛前方最遠(yuǎn)可到百米的水障礙、凹凸障礙物進(jìn)行全天時檢測識別。
[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，理論分析和試驗驗證了傳感器的可行性，具有測試距離遠(yuǎn)、全天時、感測快、識別準(zhǔn)、成 本低等特點(diǎn)，圖像處理算法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理。
[0029] 3、本實(shí)用新型針對水障礙物，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 障礙檢測識別的"黑洞"算法，通過連續(xù)掃描可以提取水障礙輪廓，實(shí)驗表明能夠?qū)崿F(xiàn)水障 礙物的快速識別。
【附圖說明】
[0030] 圖1線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)原理圖；
[0031] 圖2視覺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與計算機(jī)之間信息傳輸過程；
[0034] 圖5線結(jié)構(gòu)光光條處理過程框圖；
[0035] 圖6在不同類型障礙上線結(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)光光條遇到水坑時光條掃描過程。
【具體實(shí)施方式】：
[0037] 下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明：
[0038] 線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(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)和被測對象。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，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)光光面與被測對象相交生成線結(jié)構(gòu)光光條，根據(jù) 光條變化規(guī)律，可以判斷出障礙類型和尺寸。CCD成像系統(tǒng)將CCD采集