到的数字图像经图 像采集卡传送到计算机。激光测距仪和激光发射器的倾角相对应，确保投射出的光条与激 光测距仪测试点的高度和距离相同，即测距仪测得的是光条所在的准确位置。摄像机坐标 系（OXYJ。）为传感器坐标系，为参考坐标系。线结构光光条投射于车体前方一 定距离的路面上，进行障碍的检测。图1中所示的被测对象属于凹坑障碍。
[0039] 本申请设计的线结构光视觉传感器系统主要由激光器、发射光学系统、接收光学 系统、探测器、图像处理系统、控制系统等组成。其基本结构如下。其中，激光器及发射光学 系统发射线结构光到被测目标区域，被测目标区域的一部分散射光被CCD接收光学系统捕 获。通过测量收到激光脉冲的幅度获得探测对象的反射激光的强度，通过测量发射激光脉 冲和收到激光脉冲的时间获得测量目标的距离。再通过图像处理系统对得到的线结构光图 像进行处理，得到目标信息。其中倾角控制包括激光发射器和激光测距仪的云台倾角控制， 二者倾角应该保持一致性；图像探测器的倾角控制主要是CCD的云台倾角控制。
[0040] 激光器波长：激光器波长的选择考虑到军民两用，中心波长定为808nm，属于近红 外光。出光功率峰值2000mW。激光安全等级属于III B。
[0041] 所述激光器功率选择和能探测的最大距离Rniax之间的关系，主要考虑大气分子对 激光的吸收和悬浮微粒散射引起激光强度衰减，将激光光束在被测物体表面的反射看作郎 伯反射，根据激光光束在大气中的传输特性，可以由以下公式推算：
[0043] 式中，激光器功率为P。，摄像机实现探测所需要的最小功率为P_，光束在识别物 体表面的光束截面积为As，摄像机在物体表面的接收面积为A。，A。所对应的摄像机靶面处 的面积为A d，物体表面发现与光束光轴的夹角激光束的入射角为Θ s，光轴与被测物体表 面法线之间的夹角为Θ d，识别物体的表面反射率为P，X 激光器波长（Ii m) ; λ。 指定波长，取值0.61或0.55 μ m;Rv-一波长λ。处得气象学距离，也称作可视距离（km); q-一经验常数，取值与气象学距离Rv有关。
[0044] q的经验取值如下：
[0046] 由以上，探测距离的远近，跟激光器的功率峰值、发射光束截面积、探测器的响应 功率等有关。
[0047] 结构光光条调整：在用点激光器和偏摆镜配合产生线结构光的时候，偏摆镜和激 光器对准、光条位置确定和追踪是关键之一。实验中，光条调整过程如下：首先，在设备未通 电的情况下，将激光器和偏摆镜云台调水平，确保激光器出光口和镜面中心对齐；其次，检 查供电电源和控制信号大小，确保激光器功率调到很低（通电后根据环境光调整功率），实 验人员带上防护镜，通电；第三，通过相机镜头找寻车前光条；第四，观察光条位置，根据三 个方向倾角传感器返回的值微调云台倾角，直至光条投向车前指定位置。角度调整如图3， 调整规律如下：偏摆镜云台俯仰角Θ可以调整光条的远近；水平转角α可以调整光条的 左右位置，顺时针调α光条向右移动，反之则相反，连续调整α直至光条位于车前路面正 中；如果光条倾斜，不垂直于行车方向，则需要调整偏摆镜云台的倾斜转角β。
[0048] 双CXD和计算机之间的通信：通过分色棱镜实现多光谱，将从同一个镜头入射的 同轴光分别投射至2片C⑶传感器上，使得2片C⑶上的图像可以获得完全一致的视角，从 而实现可见光和近红外光谱的分离。为了获得最佳光学性能，需要使用专用透镜，以便保证 色差最小，同时保证可见光和近红外光在焦点上。
[0049] 两个C⑶和计算机之间通过两个RJ_45(GigE)千兆以太网接口进行连接。彩色 C⑶的输出和黑白近红外CXD的输出各连一个网口。如图4所示。
[0050] GigE Vision 是由自动化图像协会 AIA(Automated Imaging Association)发起 指定的一种基于千兆以太网的图像传输的标准。该标准可以让相机硬件和软件实现无缝连 接，让不同厂商的软硬件之间实现互相操作。具有传输距离长（无中继时100米）、传输效 率高并可向上升级到万兆网、通信控制方便、软硬件互换性强、可靠性高等优点，是未来数 字图像领域的主要接口标准，现下被越来越多的商家采用。
[0051] 线结构光光条图像处理：线结构光图像的处理包括对图像进行滤波处理和对光条 中心线的提取两部分（图5)。系统首先采用基于排序的自适应极值中值（RAEM)的滤波方 法对图像中的椒盐噪声进行快速有效的滤除，同时考虑对光条边缘细节信息的保护；然后 通过基于Hessian矩阵求取光条法线方向的方法，把光条中心亚像素坐标提取出来。
[0052] 障碍判断：无人车行进过程中，线结构光光条投射到车前地面上，示意图如图6所 示。当遇到凹坑或者凸起的障碍（非透明）时，光条在障碍边沿处会发生变形。对于凹坑， 从图6(a)看到，结构光光线在坑边沿处出现折弯现象，坑内部分的光投射到前方坑内壁 上，坑内的光条在坑外地面的前方，折线沿着坑边沿方向弯曲。对于凸起的障碍，和凹坑光 线变化相反，光线在凸起边沿处折弯，如图6(c)所示。
[0053] 尤其路面上有水坑的时候，也意味着此处地势比水平路面低，可以看作是凹坑里 面有水。水可以视作镜面，在入射角远大于45度时（当远距离（百米）线结构光测试的时 候，入射角远大于此角度。），几乎全部的光会被反射，CXD相机接收不到，因而出现光条"消 失"的现象，原理如图6(d)所示。
[0054] 水障碍轮廓的提取：对连续帧的多幅图像进行处理，根据线结构光光条遇水的变 化特性可以对水坑形状进行扫描提取。图7是线结构光光条遇到水坑时二维光条扫描过程 示意。在线结构光二值灰度化图像中，水、地交界处光条灰度值会发生突变。将连续多帧图 像中的突变点记录、存储并连接起来，就可以绘制出水体的外围轮廓图，并计算出水体的长 度和宽度。称根据线结构光条灰度值突变特征进行水障碍检测识别的算法为"黑洞"算法。
[0055] 本申请提出的线结构光传感器用于远距离的水障碍检测。由于线结构光和地面之 间的夹角比较小，激光光线遇到水体的时候，大部分光线被反射，极少发生折射；所以此处 不考虑水深检测，而只是进行车体前方路面水障碍轮廓的提取。根据轮廓图得到水体的长 度和宽度，再根据行车能力判断是否避障。
[0056] 本文传感器仅用于小水体检测（例如水洼），而不适用于大水体（例如池塘和湖 泊）。
[0057] 上述虽然结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本实用新 型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领 域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范 围以内。
【主权项】
1. 一种基于线结构光的远距离障碍感知传感器，其特征是，包括：激光发射器，用于在 计算机的控制下发射线结构光到被测目标区域； 激光测距仪，用于测量激光发射器到发射的线结构光条的距离； CCD成像系统，用于捕获被测目标区域包含线结构光光条的图像并传送至计算机； 计算机，通过测量收到激光脉冲的幅度获得探测对象的反射激光的强度，通过激光测 距仪获得探测对象的距离，再通过图像处理系统对得到的线结构光光条的图像进行处理， 得到目标信息，计算机实时与激光发射器、激光测距仪及CCD成像系统通信继而实现对远 距离障碍的全天时检测。2. 如权利要求1所述的一种基于线结构光的远距离障碍感知传感器，其特征是，所述 激光发射器包括激光器及与之按一定角度配合安装的偏摆镜，计算机对激光器的倾角控制 具体为对激光光源、偏摆镜和激光测距仪的云台倾角控制，三者倾角保持一致性。3. 如权利要求1所述的一种基于线结构光的远距离障碍感知传感器，其特征是，所述 图像处理系统包括：图像探测器、信号处理器、图像处理器依次相连，图像处理器将处理后 的图像输出至计算机，图像探测器的倾角控制主要是计算机对CCD的云台倾角控制。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于线结构光的远距离障碍感知传感器，包括：激光发射器，用于在计算机的控制下发射线结构光到被测目标区域；激光测距仪，用于测量到激光发射系统发射的线结构光条的距离；CCD成像系统，用于捕获被测目标区域的部分散射光并传送至计算机；计算机，通过测量收到激光脉冲的幅度获得探测对象的反射激光的强度，通过激光测距仪获得探测对象的距离，再通过图像处理系统对得到的线结构光图像进行处理，得到目标信息。本实用新型为了满足越野条件下无人车对障碍物的检测识别，采用新型线结构光视觉传感器，对车辆前方最远可到百米的水障碍、凹凸障碍物进行全天时检测识别。
【IPC分类】G01C11/02
【公开号】CN204881619
【申请号】CN201520456146
【发明人】邵海燕, 杨玉娥, 张辉, 马玉真, 宋方臻, 韩青, 孙选
【申请人】济南大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年6月29日