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基于CMOS攝像頭和平行激光束測距系統(tǒng)設計

作者: 時間:2016-10-29 來源:網(wǎng)絡 收藏

監(jiān)測對象的當前空間位置是最基本的信息之一,往往可以借助傳感器來獲得,其實質可以理解為對監(jiān)測位置空間距離的測量。有關距離的測量方法有很多,在航空航天領域,傳統(tǒng)的接觸式傳感器由于受體積、質量、安裝條件以及結構等因素限制逐漸被非接觸測量方式所取代。其中,基于數(shù)字圖像的測量方法由于具有速度快、信息量豐富、對被測對象的影響小等特點而受到廣泛的關注。利用攝像頭隨著距離增加物體圖像越小的原理,采集目標圖像信息,并進行數(shù)據(jù)處理,從而獲得目標點的距離。

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/201610/308691.htm

1 非接觸系統(tǒng)簡介

現(xiàn)代的非接觸式一般分為:1)超聲波;2)紅外測距;3)激光測距。而超聲波測距和紅外測距一般測量距離較近并且誤差較大,方向性差,抗干擾能力不強,并且超聲波測距不能用于真空環(huán)境。激光測距雖然能測量的距離較遠,并且達到了較高精度。然而,激光測距儀的技術過于復雜,制造的難度較大,成本較高,遠距離測距時要求的激光管功率較大,而且光學系統(tǒng)需要保持干凈,以免影響測量。

本文提出了距離的一種非接觸測量方法。以數(shù)碼攝像頭捕獲的可變距光斑圖像作為信息載體,利用圖像的預處理、閾值分割以及特征提取等相關的數(shù)字圖像處理方法,在一定的范圍內實現(xiàn)任意位移的高精度測量。

2 測距系統(tǒng)原理

本文的測距原理如圖1,將兩個激光器分別裝在攝像頭的兩側,并且將兩束激光調節(jié)為相互平行,當兩束激光照射到被測物體上,攝像頭采集照射到物體上的兩個激光點如圖3,根據(jù)物體離攝像頭遠就成像小,物體距離攝像頭近,成像大的原理。計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、響應速度快等優(yōu)點。固定攝像頭和激光器時,要保證兩個激光器的中心線和COMS攝像頭的中心線在同一個豎直平面內,激光光線和攝像頭成像軸完全平行,兩個激光器中心線距離為H,并且可以通過改變兩個激光器中心線距離,增大系統(tǒng)的測量范圍。COMS攝像頭連接到FPGA上,采用FPGA進行圖像處理,利用圖像預處理方法對圖像進行濾波、閾值分割,能有效去除噪聲對圖像的影響。再通過灰度質心算法對圖像進行細分,通過高斯擬合可以將光斑中心的計算精度提高,計算出兩個光斑中心點的距離h’,并且根據(jù)分辨率等參數(shù)得出豎直方向整個圖像幀的上下距離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的距離為y’。采集到圖像幀時焦距為f,被測物體離COMS攝像頭距離為L。

c.jpg

根據(jù)簡化光路圖可得:

d.jpgd.jpg

根據(jù)成像原理

e.jpg

有對應關系,所以距離L與兩個光斑中心點的距離h’有對應關系。在實際情況中,先對COMS攝像頭的測距結果進行曲線標定,使用Matlab整合出兩個光斑中心點的距離h’和距離L關系曲線,最終能夠通過COMS攝像頭和進行測距。與單點激光CCD鏡頭三角測距相比,隨著距離的增大,光斑中心點的距離變化更明顯,分辨率更高。

通過提高攝像頭的像素數(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,從而提高了測量精度。當測量距離較遠時,通過調節(jié)兩束激光之間的距離可以提高攝像頭對兩個光斑的識別能力,從而可以提高設備的測距范圍,能夠更好地應用到實際當中。

4 小結

基于測距系統(tǒng)設計,相對于單激光束三角測距測量距離更遠,精度更高。當測量距離較遠時,該系統(tǒng)可以通過調節(jié)兩束激光之間的距離提高攝像頭對兩個光斑的識別能力,從而可以提高設備的測距范圍。該測距系統(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,未來會有更好的應用前景。



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