CN105629261B - 基于结构光的无扫描汽车防撞激光雷达系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

基于结构光的无扫描汽车防撞激光雷达系统及其工作方法，包括：信号处理部件、红外CCD、滤光片和激光发射部件；红外CCD安装有滤光片，只接收激光发射部件发射出的波长，信号处理部件采集红外CCD输出数据、对出射激光在红外CCD表面成像进行提取并计算处理，得到雷达照射区域潜在目标轮廓及其距离。本发明可以较准确的检测车辆前方及周边较近距离威胁目标，并且成本低廉，适合大范围推广，可更加有效避免目前城市中常见的各种追尾、侵犯行人等事故，保障人身财产安全。

Description

基于结构光的无扫描汽车防撞激光雷达系统及其工作方法
技术领域
本发明属于汽车防撞激光雷达领域，具体说是一种基于结构光的无扫描汽车防撞激光雷达系统及其工作方法。
背景技术
近年来随着工业化推进和人民生活水平的提高，我国汽车保有量急速上升。对于普通家庭用车，用车区域主要集中于城市路段。城市行车具有速度低，密度大，路况复杂等特点，堵车问题越来越严重，激光雷达依靠激光高精度指向性能，可以获取周围精确的三维位置信息。在城市行车中，可以根据依靠激光雷达系统监测车辆前方潜在车辆行人等目标，实现事故预防预警，结合伺服机构实现堵车自动跟车等功能。
目前市面上用来进行路面目标检测的设备主要有微波雷达、超声波雷达、摄像头、常规扫描激光雷达。基于微波雷达的车辆防撞系统通过安装于车辆前方的微波雷达测量前方区域，来实现潜在目标检测。超声波雷达系统原理与毫米波类似，但是测量距离较近，只有一到两米，实物如倒车雷达。基于摄像头的目标识别系统通过摄像头采集车辆前方图像，再经过识别算法按特征提取出目标并简单计算目标距离。常规扫描激光雷达系统安装于车辆前部或者顶部，通过机械结构件转动使得激光偏转扫描不同区域得到精细的周边目标信息。
超声波雷达测量距离太近，无法及时有效识别到潜在威胁目标。采用微波雷达的监测雷达系统，相比于超声波雷达，可以大幅增加作用距离，提高车辆行车安全系数，但微波雷达由于其发射的微波波束较宽，目标方位识别不够精确，而且成本较高。在车辆上使用摄像头做行车前向监测时，严重依赖外界光条件，在夜间等光线不好的环境中效果较差；采用常规扫描式激光雷达系统，可以获取高精度目标数据，但是由于激光扫描部件的引入，设备体积较大，且成本较高，就目前技术方案来说，无法将成本降低到适合大多数车辆使用。
现有技术中，专利号为ZL 200720186308.5，名称为基于格雷码和线移条纹的结构光三维测量装置，所用结构光测量方法，核心部件之一的DLP激光发射部件，常用于产生格雷码的DLP投射器常用于投影仪内部，成本较高。因为编码方式复杂造成信号处理速度低，信号处理电路硬件成本较高，无法达到车辆行驶中的实时需求。公开号为CN102338875B，名称为一种多线扫描前视防撞激光雷达装置及应用，为一传统激光雷达系统，需要机械扫描部件，体积大成本高。公开号为CN202975326U，名称为一种汽车防撞激光雷达系统，是一个无扫描激光雷达系统，但是由于只有单点探测，所以其实只是一激光测距机，无法实现目标分辨和识别。
发明内容
针对现有技术存在上述缺点或者不足，本发明提供了一种基于结构光的无扫描汽车防撞激光雷达系统及其工作方法，可以较准确的检测车辆前方及周边较近距离威胁目标，并且成本低廉，适合大范围推广，可更加有效避免目前城市中常见的各种追尾、侵犯行人等事故，保障人身财产安全。
为实现上述目的，本发明的技术方案是，基于结构光的无扫描汽车防撞激光雷达系统，包括：信号处理部件、红外CCD、滤光片和激光发射部件；红外CCD安装有滤光片，只接收激光发射部件发射出的波长，信号处理部件采集红外CCD输出数据、对出射激光在红外CCD表面成像进行提取并计算处理，得到雷达照射区域潜在目标轮廓及其距离。
进一步的，所述的激光发射部件发射出的激光波长选用人眼不可见的近红外激光。
进一步的，激光发射部件，包括激光器和汇聚透镜。
进一步的，所述的红外CCD前方安装有接收透镜。
进一步的，所述红外CCD置于激光发射部件上面，红外CCD中轴线与激光束中轴线呈锐角。
作为更进一步的，激光束中水平线与目标车辆平行，中心垂直线与目标车辆水平面垂直并成像于红外CCD像面中心竖线。
基于结构光的无扫描汽车防撞激光雷达的工作方法，是在上述系统中实现的，其具体步骤为：
S1：激光发射部件发射出一条水平线和若干条垂直线的激光束；
S2：取激光束中水平线上某一点，根据目标车辆距离远近不同，其照射点在红外CCD上某一竖直列上移动；
S3：信号处理部件通过采集红外CCD上某点得到x’之后，所述x’为目标车辆在红外CCD上成像点与测距零点在红外CCD上成像点之间距离，进而计算出目标车辆到激光雷达测距零点的实际距离。
进一步的，所述目标车辆到雷达零点的实际距离为：
公式中：a为接收透镜中心到激光雷达测距零点的距离，b为接收透镜中心到红外CCD上测距零点相对应点的距离，θ1为照射激光与激光雷达前向的夹角，θ2为测距零点到红外CCD上测距零点相对应点连线与激光雷达前向的夹角，x’为目标车辆在红外CCD上成像点与测距零点在红外CCD上成像点之间距离。
作为更进一步的，将步骤S1-S3单点测量推广到整条水平激光线，线上不同点对应红外CCD上不同的数值条状区域，进而得到整个水平激光线所照射到的目标形态及距离。
作为更进一步的，发射激光束中的若干条垂直线，在不同距离处交点将成像于红外CCD的不同视场角，从而算出交点到车辆的真实距离。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：采用红外激光线条状照明，能量集中且不影响其他车辆，由于红外光不可见，所以也不影响行人。由于CCD添加滤光片所以也不受其他车辆灯光影响。
相比较摄像头类系统不需要外界光源条件，相比较于超声波系统可以探测更远距离，且能对目标进行精确测量。
附图说明
本发明共有附图5幅：
图1为本发明的结构框图；
图2为实施例中出射光形式示意图；
图3为实施例中激光收发部件结构示意图；
图4为激光测量原理图；
图5为激光雷达测距原理示意图。
图中序号说明：1、激光器，2、汇聚透镜，3、接收透镜。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。本发明设计了一种适用于车辆中低速行驶，特别是城市较拥堵路况下的行车障碍检测及跟车行驶用低成本激光雷达系统。
实施例1
基于结构光的无扫描汽车防撞激光雷达系统，包括：信号处理部件、红外CCD、滤光片和激光发射部件；激光发射部件，包括激光器1和汇聚透镜2。红外CCD安装有滤光片，只接收激光发射部件发射出的波长，避免外界杂光的干扰，信号处理部件采集红外CCD输出数据、对出射激光在红外CCD表面成像进行提取并计算处理，得到雷达照射区域潜在目标轮廓及其距离，从而实现障碍物检测功能；所述的红外CCD前方安装有接收透镜3。所述红外CCD置于激光发射部件上面，红外CCD中轴线与激光束中轴线呈锐角。所述的激光发射部件发射出的激光波长选用人眼不可见的近红外激光。激光束中水平线与目标车辆平行，中心垂直线与目标车辆水平面垂直并成像于红外CCD像面中心竖线。
本发明雷达测距采用激光三角法测量原理，当激光器1与红外CCD安装位置固定之后，激光照射不同距离目标将在红外CCD上成像于不同位置。基于结构光的无扫描汽车防撞激光雷达的工作方法，是在上述系统中实现的，其具体步骤为：
S1：激光发射部件发射出一条水平线和若干条垂直线的激光束；以5条垂直线为例的照射效果如图2所示。
S2：取激光束中水平线上某一点,根据目标车辆距离远近不同，其照射点在红外CCD上某竖直列上移动；
S3：信号处理部件通过采集红外CCD上某点得到x’之后，所述x’为目标车辆在红外CCD上成像点与测距零点在红外CCD上成像点之间距离，进而计算出目标车辆到激光雷达测距零点的实际距离为：
如图4所示，激光雷达前向与图中虚线平行，方向朝前。激光雷达的测量零点为A点，其对应于红外CCD成像点为A’，当在激光照射路径上出现目标B时，其在红外CCD上成像点为B’；目标B距离测距零点的距离即为线段AB在激光雷达前向即图中虚线方向的投影x，公式中：a为接收透镜3中心到激光雷达测距零点A的距离，b为接收透镜3中心到红外CCD上A点对应相点A’的距离，θ1为照射激光与激光雷达前向(虚线)的夹角，θ2为A点与A’点的连线与激光雷达前向(虚线)的夹角。x’为目标B在红外CCD上成像点B’与A’之间距离，通过红外CCD上读出得到，对应计算出目标B距离雷达零点A的距离为x。
将步骤S1-S3单点测量推广到整条水平激光线，线上不同点对应红外CCD上不同的数值条状区域，进而得到整个水平激光线所照射到的目标形态及距离，本发明测量原理示意图如图5所示。
发射激光束中的若干条垂直线，由于线间夹角已知，在不同距离处交点将成像于红外CCD的不同视场角，从而算出交点到车辆的真实距离，可以用来对CCD测量由于镜头畸变带来影响进行标校修正。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于结构光的无扫描汽车防撞激光雷达的工作方法，其特征在于，具体步骤为：
S1：激光发射部件发射出一条水平线和若干条垂直线的激光束；
S2：取激光束中水平线上某一点，根据目标车辆距离远近不同，其照射点在红外CCD上某一竖直列上移动；
S3：信号处理部件通过采集红外CCD上某点得到x’之后，所述x’为目标车辆在红外CCD上成像点与测距零点在红外CCD上成像点之间距离，进而计算出目标车辆到激光雷达测距零点的实际距离；
该方法是在无扫描汽车防撞激光雷达系统中实现的，该系统包括：信号处理部件、红外CCD、滤光片和激光发射部件；红外CCD安装有滤光片，只接收激光发射部件发射出的波长，信号处理部件采集红外CCD输出数据、对出射激光在红外CCD表面成像进行提取并计算处理，得到雷达照射区域潜在目标轮廓及其距离。
2.根据权利要求1所述的基于结构光的无扫描汽车防撞激光雷达的工作方法，其特征在于，所述目标车辆到测距零点的实际距离为：
公式中：a为接收透镜(3)中心到测距零点的距离，b为接收透镜(3)中心到红外CCD上测距零点相对应点的距离，θ1为照射激光与激光雷达前向的夹角，θ2为测距零点到红外CCD上测距零点相对应点的连线与激光雷达前向的夹角，x’为目标车辆在红外CCD上成像点与测距零点在红外CCD上成像点之间距离。
3.根据权利要求1所述的基于结构光的无扫描汽车防撞激光雷达的工作方法，其特征在于，将步骤S1-S3单点测量推广到整条水平激光线，线上不同点对应红外CCD上不同的数值条状区域，进而得到整个水平激光线所照射到的目标形态及距离。
4.根据权利要求1所述的基于结构光的无扫描汽车防撞激光雷达的工作方法，其特征在于，发射激光束中的若干条垂直线，在不同距离处交点将成像于红外CCD的不同视场角，从而算出交点到车辆的真实距离。
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