基于CMOS攝像頭和平行激光束測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)對(duì)象的當(dāng)前空間位置是最基本的信息之一，往往可以借助傳感器來(lái)獲得，其實(shí)質(zhì)可以理解為對(duì)監(jiān)測(cè)位置空間距離的測(cè)量。有關(guān)距離的測(cè)量方法有很多，在航空航天領(lǐng)域，傳統(tǒng)的接觸式傳感器由于受體積、質(zhì)量、安裝條件以及結(jié)構(gòu)等因素限制逐漸被非接觸測(cè)量方式所取代。其中，基于數(shù)字圖像的測(cè)量方法由于具有速度快、信息量豐富、對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響小等特點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注。利用攝像頭隨著距離增加物體圖像越小的原理，采集目標(biāo)圖像信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得目標(biāo)點(diǎn)的距離。

1 非接觸測(cè)距系統(tǒng)簡(jiǎn)介

現(xiàn)代的非接觸式測(cè)距一般分為：1)超聲波測(cè)距;2)紅外測(cè)距;3)激光測(cè)距。而超聲波測(cè)距和紅外測(cè)距一般測(cè)量距離較近并且誤差較大，方向性差，抗干擾能力不強(qiáng)，并且超聲波測(cè)距不能用于真空環(huán)境。激光測(cè)距雖然能測(cè)量的距離較遠(yuǎn)，并且達(dá)到了較高精度。然而，激光測(cè)距儀的技術(shù)過(guò)于復(fù)雜，制造的難度較大，成本較高，遠(yuǎn)距離測(cè)距時(shí)要求的激光管功率較大，而且光學(xué)系統(tǒng)需要保持干凈，以免影響測(cè)量。

本文提出了距離的一種非接觸測(cè)量方法。以數(shù)碼攝像頭捕獲的可變距平行激光束光斑圖像作為信息載體，利用圖像的預(yù)處理、閾值分割以及特征提取等相關(guān)的數(shù)字圖像處理方法，在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意位移的高精度測(cè)量。

2 測(cè)距系統(tǒng)原理

本文的測(cè)距原理如圖1，將兩個(gè)激光器分別裝在攝像頭的兩側(cè)，并且將兩束激光調(diào)節(jié)為相互平行，當(dāng)兩束激光照射到被測(cè)物體上，攝像頭采集照射到物體上的兩個(gè)激光點(diǎn)如圖3，根據(jù)物體離攝像頭遠(yuǎn)就成像小，物體距離攝像頭近，成像大的原理。計(jì)算在圖像幀上的光斑距離就可以得到物體的距離信息。

3 測(cè)距系統(tǒng)分析

采用COMS攝像頭，它與CCD攝像頭相比，具有生產(chǎn)成本低、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。固定攝像頭和激光器時(shí)，要保證兩個(gè)激光器的中心線和COMS攝像頭的中心線在同一個(gè)豎直平面內(nèi)，激光光線和攝像頭成像軸完全平行，兩個(gè)激光器中心線距離為H，并且可以通過(guò)改變兩個(gè)激光器中心線距離，增大系統(tǒng)的測(cè)量范圍。COMS攝像頭連接到FPGA上，采用FPGA進(jìn)行圖像處理，利用圖像預(yù)處理方法對(duì)圖像進(jìn)行濾波、閾值分割，能有效去除噪聲對(duì)圖像的影響。再通過(guò)灰度質(zhì)心算法對(duì)圖像進(jìn)行細(xì)分，通過(guò)高斯擬合可以將光斑中心的計(jì)算精度提高，計(jì)算出兩個(gè)光斑中心點(diǎn)的距離h’，并且根據(jù)分辨率等參數(shù)得出豎直方向整個(gè)圖像幀的上下距離h。COMS攝像頭的光敏面豎直高度為y，激光束中心在光敏面上成像點(diǎn)的距離為y’。采集到圖像幀時(shí)焦距為f，被測(cè)物體離COMS攝像頭距離為L(zhǎng)。

根據(jù)簡(jiǎn)化光路圖可得：

根據(jù)成像原理

有對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以距離L與兩個(gè)光斑中心點(diǎn)的距離h’有對(duì)應(yīng)關(guān)系。在實(shí)際情況中，先對(duì)COMS攝像頭的測(cè)距結(jié)果進(jìn)行曲線標(biāo)定，使用Matlab整合出兩個(gè)光斑中心點(diǎn)的距離h’和距離L關(guān)系曲線，最終能夠通過(guò)COMS攝像頭和平行激光束進(jìn)行測(cè)距。與單點(diǎn)激光CCD鏡頭三角測(cè)距相比，隨著距離的增大，光斑中心點(diǎn)的距離變化更明顯，分辨率更高。

通過(guò)提高攝像頭的像素?cái)?shù)和減小激光束發(fā)出光斑，可以提高圖像在每一幀上的精度，從而提高了測(cè)量精度。當(dāng)測(cè)量距離較遠(yuǎn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)兩束激光之間的距離可以提高攝像頭對(duì)兩個(gè)光斑的識(shí)別能力，從而可以提高設(shè)備的測(cè)距范圍，能夠更好地應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。

4 小結(jié)

基于CMOS攝像頭和平行激光束測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)，相對(duì)于單激光束三角測(cè)距測(cè)量距離更遠(yuǎn)，精度更高。當(dāng)測(cè)量距離較遠(yuǎn)時(shí)，該系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩束激光之間的距離提高攝像頭對(duì)兩個(gè)光斑的識(shí)別能力，從而可以提高設(shè)備的測(cè)距范圍。該測(cè)距系統(tǒng)成本低，攜帶方便。隨著COMS攝像頭性能和FPGA圖像處理能力不斷提高，未來(lái)會(huì)有更好的應(yīng)用前景。