基于线激光的3D扫描车辆防撞与报警装置及报警方法与流程

本发明涉及行车辅助系统技术领域，尤其涉及一种基于线激光的3D扫描车辆防撞与报警装置及报警方法。

背景技术：

近年来，我国汽车工业迅速发展，汽车保有量也逐年递增，但是交通事故频率也随之增加。行车辅助系统尤其是车辆防撞与报警，可以给予驾驶者以警示，目前，市面上已有一些车辆防撞警示的产品，但多是依靠声音报警，或者是二维图像，并且不能从图像上直观准确地看出车辆与障碍物的距离远近。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于线激光的3D扫描车辆防撞与报警装置及报警方法，在危险距离辅以报警，提高安全性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于线激光的3D扫描车辆防撞与报警装置，包括：信息获取模块、步进电机、车载处理模块、信息存储模块、人机交互模块；

所述步进电机为信息获取模块提供驱动力，所述信息获取模块的信号传递给信息存储模块，所述的车载处理模块接收来自信息获取模块、信息存储模块、步进电机、人机交互模块的信号，所述的车载处理模块输出执行信号传递至步进电机，所述的车载处理模块将图像处理结果传输至人机交互模块。

进一步地，所述信息获取模块包括线激光器、CMOS摄像机、图像采集卡；所述人机交互模块包括显示器、键盘、报警器；

所述信息获取模块采用线激光器发出多线激光，对障碍物形成三维图像，所述的车载处理模块根据三维图像判断障碍物与车辆距离的远近并将障碍物与车辆距离的远近用颜色不同来表示，所述的车载处理模块输出图像颜色信息至人机交互模块的显示器，若障碍物与车辆距离低于预设的危险距离时，所述的车载处理模块输出报警信息至人机交互模块的报警器。

一种采用上述基于线激光的“3D扫描”车辆防撞与报警装置的报警方法，具有如下步骤：

步骤1：开始；

步骤2：打开线激光器发出多线激光；

步骤3：结合CMOS摄像机采集一帧图片；

步骤4：车载处理模块控制步进电机转到下一角度；

步骤5：再次结合CMOS摄像机采集一帧图片；

步骤6：减去背景，计算当前帧的三维坐标并保存；

步骤7：判断是否大于设定的采集帧数，若是，则进行下一步；否则，回返执行步骤4；

步骤8：车载控制模块识别出激光点并计算出障碍物与车辆的实际距离，若障碍物与车辆距离低于预设的危险距离时，所述的车载处理模块输出报警信息至人机交互模块的报警器。

本发明的有益效果是：本发明利用信息获取模块和步进电机，对障碍物形成三维图像，在危险距离辅以声音报警，以此实现车辆防撞及报警。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的控制原理图；

图2是本发明的3D扫描原理图；

图3是本发明的3D扫描坐标计算原理图；

图4是本发明的报警方法的流程图；

图5是本发明的功能概念图；

图6是本发明的显示器的成像结果；

图7是本发明的CMOS摄像机拍摄的图片结果。

其中:10、信息存储模块，20、信息获取模块，30、步进电机，40、人机交互模块，50、车载处理模块，21、线激光器，22、CMOS摄像机，23、图像采集卡，41、显示器，42、键盘，43、报警器。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，一种基于线激光的3D扫描车辆防撞与报警装置，包括：信息获取模块20、步进电机30、车载处理模块50、信息存储模块10、人机交互模块40；

所述步进电机30为信息获取模块提供驱动力，所述信息获取模块20的信号传递给信息存储模块10，所述的车载处理模块50接收来自信息获取模块10、信息存储模块20、步进电机30、人机交互模块40的信号，所述的车载处理模块50输出执行信号传递至步进电机30，所述的车载处理模块50将图像处理结果传输至人机交互模块40。

所述信息获取模块20包括线激光器21、CMOS摄像机22、图像采集卡23；所述人机交互模块40包括显示器41、键盘42、报警器43；

所述信息获取模块20采用线激光器21发出多线激光，对障碍物形成三维图像，所述的车载处理模块50根据三维图像判断障碍物与车辆距离的远近并将障碍物与车辆距离的远近用颜色不同来表示，所述的车载处理模块50输出图像颜色信息至人机交互模块40的显示器41，若障碍物与车辆距离低于预设的危险距离时，所述的车载处理模块50输出报警信息至人机交互模块40的报警器43。

本发明中，车辆行驶过程中遇到的障碍物一般是表面复杂的实物，用信息获取模块对其进行扫描会获取高密度的点云，并且该点云具有散乱排列的特征。这种点云数据量巨大、密集程度高。这样采集到的结果图会繁杂不清。因此，需要在对CMOS拍摄到的图片进行处理，处理方法如下。

如图4所示，一种采用上述基于线激光的“3D扫描”车辆防撞与报警装置的报警方法，具有如下步骤：

步骤1：开始；

步骤2：打开线激光器发出多线激光；

步骤3：结合CMOS摄像机采集一帧图片；

步骤4：车载处理模块控制步进电机转到下一角度；

步骤5：再次结合CMOS摄像机采集一帧图片；

步骤6：减去背景，计算当前帧的三维坐标并保存；

步骤7：判断是否大于设定的采集帧数，若是，则进行下一步；否则，回返执行步骤4；

步骤8：车载控制模块识别出激光点并计算出障碍物与车辆的实际距离，若障碍物与车辆距离低于预设的危险距离时，所述的车载处理模块输出报警信息至人机交互模块的报警器。

本发明中，根据线激光器发出多线激光，获得的三维轮廓线点数据实现三维数据可视化，用以侦测并分析车辆附近的物体及环境的形状、构造与外观数据，采集的数据信息在OpenGL平台上用于三维模型重塑计算，从而构建车辆附近障碍物的三维图像，并用不同颜色标记障碍物与车辆距离的远近。

1、三维坐标的形成

本发明中，采用非接触式的光学测距方法，在实物上以激光的形式反射，辅以CMOS摄像头接收，从而提取数据，数据经过筛选过滤，在OpenGL中转换为实物的三维坐标，如图2、图3所示。

在图3中，计算长度l及角度α。

其中，l表示线段AR的长度；h表示线段AD的长度；b表示线段DR的长度；a表示线段RL的长度，表示校准常量；r表示线段AL的长度；α表示yaw_angel(偏航角)，即角度∠DAR；表示角度∠ALC。

根据图2和上面计算出的长度l利用以下公式计算出待测点A的三维坐标。

x＝l×cos(h-a)×sin(α+θ)

y＝l×cos(h-a)×cos(α+θ)

z＝l×sin(γ)

其中，a表示线段RL的长度，表示校准常量；r表示线段AL的长度；α表示yaw_angel(偏航角)，即角度∠DAR；θ表示步进电机的实时转角；γ表示pitch_angel(俯仰角)。

CMOS摄像机将3D扫描的拍摄画面输送到车载处理模块，车载处理模块识别出激光点然后计算出障碍物的实际距离。由于一般车载处理模块的PC机运算速度已达到每秒几千亿次，而且PC机的结果精度也可达到几十位有效数字，所以PC机对扫描速度基本没有影响。主要制约扫描速度的因素就在于CMOS摄像机的帧率，一般的CMOS摄像机的帧率为30fRs，也就是每秒可以拍30张照片，所以如果要扫描180°，并且每x度测一次距离得到公式如下：

同时，扫描频率的大小还与车速的大小有关，当车辆倒车速度增加时，扫描频率也随之增加。因此，扫描频率与车速成反比关系，关系如下：

其中，x表示CMOS摄像机扫描的角度；f表示CMOS摄像机的扫描频率；u₀表示当前车速。

成像精度：

分辨率是成像精度的重要指标，分辨率越高，成像越清晰。利用角分辨率来衡量其性能，其角分辨率主要受制于物镜自身的分辨率N_f和CMOS摄像机的成像面本身的分辨率N_c。如果需要充分利用CMOS摄像机的分辨率，则需满足

N_f＞N_C

物镜自身的角分辨率为：

其中，N_f为物镜的最小角分辨率；D为入瞳直径，此处即物镜的直径，对λ＝650nm的单色光，D＝8.0mm时，N_f＝9.9×10^-5。

CMOS摄像机的分辨率是相邻两像素之间能够分辨的最小角度，其又分为横向分辨率和纵向分辨率。由图7及几何关系知：

其中p为相邻像素之间的间隔，f₁为物镜的焦距，z为空间深度。

可得

其中，d表示像面中心到北侧像素点的物理距离。

由上式可知，对于已经选定的CMOS摄像机，其横向角分辨率近似是定值，在p＝10.4μm，f₁＝8.0mm时，θ_x＝0.0013。

对于纵向分辨率，还受像素点距成像中心的影响。离中心越近，分辨率越小。边缘处最大，对于上面给定的条件θ_z＝0.003125；因此CMOS摄像机的分辨率远小于物镜的分辨率，也即是物镜的分辨率不影响整个系统的分辨率。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。