CN112698353A - 一种结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统，包括外壳及其内部固定的一根支撑杆，支撑杆上固定有两个铝合金摄像头座，两个铝合金摄像头座上分别安装有摄像头模组，支撑杆上在两个铝合金摄像头座中间还安装有弧形激光器支架，所述弧形激光器支架上设有若干等角度环向分布红外激光器和衍射光学镜片，衍射光学镜片位于红外激光器发射端外侧，并与红外激光器一一对应。本发明采用结构线激光和双目摄像头实现类似多线扫描激光雷达的能力，相比激光雷达有巨大的价格优势。同时，因采用摄像头作为激光信息接收端，结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统不存在激光雷达常见的串扰问题，可以大规模密集应用。
Description
技术领域
本发明涉及车载电子领域，特别设计一种结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统。
背景技术
在ADAS和自动驾驶领域，汽车前向系统中主要有四种传感器，包括毫米波雷达、激光雷达、单目摄像头、双目摄像头。
激光雷达是一种用于精确获取被测物体位置、大小、速度、外部轮廓的传感器。而LiDAR(Light Detection and Ranging)：是激光探测及测距系统的简称。其工作原理是通过激光测距设备测量激光的飞行时间来计算激光扫描仪与目标之间的直线距离。在激光雷达中的基本光电元件是半导体激光器和APD。
激光雷达的干扰（串扰）问题，真正对激光雷达产生干扰的，是外来的、激光雷达无法判断是否为自己发出的脉冲光。准确地说，这是一种串扰。举例说来，如果在一段200米的双向四车道上，行驶的车都是安装有激光雷达自动驾驶车辆，那么，其中的一辆车，很有可能就会接收到来自其他一两百辆车的脉冲串扰。激光雷达的串扰极易带来误判和漏判问题，而不能有效解决串扰问题，就会大大缩小LiDAR的应用范围。
激光雷达价格问题。按照当下的技术水平来算，无论是Google Waymo、Uber还是与国内的百度，来一次路测表演、基础场景体验可以说是绰绰有余，只是如何进行合理的商业化普及，这是一个大门槛。门槛最核心的问题就是无人驾驶汽车的成本。无人驾驶汽车激光雷达生产商Velodyne销售的64 线激光雷达价格高达 7.5 万美元，一台激光雷达比一台整车都贵！而且不同设计一台车需要的激光雷达数量不同。“廉价”版的16线激光雷达，价格也是 7999 美元起步。
双目立体视觉测距是通过几何三角测量原理进行，根据物体在两幅图像中的视差关系换算出真实距离。在障碍物检测方面，它通过景深的分析找到障碍物，优点是无需海量数据进行训练，也不受障碍物属性的限制，精度非常高。通过景深信息和路面分析，可以获得前面是否有危险。
但是双目的缺点也是非常明显：
1）对环境光照非常敏感。光线变化导致图像偏差大，进而会导致匹配失败或精度低，夜间环境下很难工作。
2）不适用单调缺乏纹理的场景。双目视觉根据视觉特征进行图像匹配，没有特征会导致匹配失败。
发明内容
本发明目的是：解决上述问题，本发明提出一种结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统，结合了主动激光解决夜视问题，采用结构线激光和双目摄像头实现类似多线扫描激光雷达的能力，相比激光雷达有巨大的价格优势。同时，因采用摄像头作为激光信息接收端，结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统不存在激光雷达常见的串扰问题，可以大规模密集应用。另外，本系统可以安装于挡风玻璃内侧，采用旋转套筒螺母这种简单的调节方式不仅减小了产品体积，还使产品可以适用于不同倾斜角度的挡风玻璃，极大地方便了产品的安装、普及和维护。
本发明的技术方案是：
一种结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统，包括外壳及其内部固定的一根支撑杆，支撑杆上固定有两个铝合金摄像头座，两个铝合金摄像头座上分别安装有摄像头模组，支撑杆上在两个铝合金摄像头座中间还安装有弧形激光器支架，所述弧形激光器支架上设有若干等角度环向分布红外激光器和衍射光学镜片0，衍射光学镜片0位于红外激光器发射端外侧，并与红外激光器一一对应。
优选的，所述若干红外激光器的发射角与水平面夹角从-5°到30°均匀分布；衍射光学镜片将发射的点激光转化成线激光，调整各衍射光学镜片的角度得到若干条水平方向的线激光。
优选的，所述两个摄像头模组和水平方向成45°夹角，以提高双目系统对横向线激光的感知匹配能力。
优选的，所述外壳上还连接有产品侧万向节螺柱，产品侧万向节螺柱通过套筒螺母连接车侧万向节螺柱，车侧万向节螺柱另一端连接固定板，固定板通过双面胶贴合在汽车挡风玻璃上；通过旋转套筒螺母调节摄像头及激光器朝向角。
优选的，所述外壳外部还连接有两个合页片，两个合页片分别通过贴在汽车挡风玻璃上。
优选的，所述两个合页片分别位于两个摄像头模组的正下方，减少中控台对摄像头模组的反光。
优选的，所述衍射光学镜片和红外激光器放置在弧形激光器支架预留的卡槽内，并用胶水固定以防止抖动，弧形激光器支架通过两个内六角紧固螺钉固定在圆柱形的金属支撑杆上。
本发明的优点是：
1．本发明提出的结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统，采用结构线激光和双目摄像头实现类似多线扫描激光雷达的能力，相比激光雷达有巨大的价格优势。同时，因采用摄像头作为激光信息接收端，结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统不存在激光雷达常见的串扰问题，可以大规模密集应用；
2．本发明采用若干等角度环向分布的衍射光学镜片可以将点激光转化成线激光，调整角度环向分布的衍射光学镜片的角度得到若干条水平方向的线激光，此时和常见激光雷达的发射模式类似，但相比激光雷达昂贵的发射和接收系统，本发明采用了常规激光器作为发射端，常规摄像头传感器作为接收端，皆为成熟的量产件，大大低于激光雷达的成本；
3．本发明的摄像头倾斜安装，大幅降低了水平方向上的匹配相似性，使系统可以准确计算线激光视差；
4. 本发明可以安装于挡风玻璃内侧，采用旋转套筒螺母这种简单的调节方式不仅减小了产品体积，还使产品可以适用于不同倾斜角度的挡风玻璃，极大地方便了产品的安装、普及和维护。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统结构图；
图2为车载视觉雷达系统激光发射角度示意图；
图3为车载视觉雷达系统激光在汽车前挡风玻璃上安装的示意图；
图4为车载视觉雷达系统双目立体视觉算法的视差计算方式示例；
图5为车载视觉雷达系统标定板标定流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统，包括：一个外壳1，两个铝合金摄像头座2，两个摄像头模组3，一个圆柱形金属支撑杆4，一个产品侧万向节螺柱5，一个套筒螺母6，一个车侧万向节螺柱7，一个带有双面胶的固定板8，一个弧形激光器支架9，八个等角度环向分布的衍射光学镜片10，两个带双面胶的合页片11，八个等角度环向分布的红外激光器12。其中：
两个摄像头模组3固定在两个铝合金摄像头座2上，铝合金摄像头座2通过螺钉固定在圆柱形金属支撑杆上；
八个等角度环向分布的衍射光学镜片10和八个等角度环向分布的红外激光器12放置在弧形激光器支架9预留的卡槽内，并用胶水固定以防止抖动，弧形激光器支架9通过两个内六角紧固螺钉固定在圆柱形金属支撑杆4上；圆柱形金属支撑杆4固定在外壳1上；
外壳1向外连接有两个带双面胶的合页片11和产品侧万向节螺柱5；两个带双面胶的和叶片11通过双面胶贴在汽车挡风玻璃上；套筒螺母6连接产品侧万向节螺柱5和车侧万向节螺柱7；旋转套筒螺母6可以调节摄像头及激光器朝向角，调整完毕后，将带有双面胶的固定板8贴合在汽车挡风玻璃上，完成产品组装和安装，如图3所示。
结构线激光发射机构由弧形激光器支架9、八个等角度环向分布的红外激光器12和八个等角度环向分布的衍射光学镜片10组成。如图2所示，激光发射器发射角与水平面夹角从-5°到30°均匀分布。八个等角度环向分布的衍射光学镜片10的作用是将点激光转化成线激光，调整八个等角度环向分布的衍射光学镜片10的角度得到8条水平方向的线激光，此时和常见激光雷达的发射模式类似。弧形激光器支架9为金属加工件，以方便散热。
两个摄像头模组3有别于常规水平安装的方式，为和水平方向成45°夹角的方式安装。这种安装方式的目的主要是为了减少水平方向上的过多相似匹配点，从而提高视差计算成功率。双目视差计算的原理如图4所示，对左图的任意一点，在右图同一行上寻找和该点最相近的点，一般采用区域特征代替点像素值进行比较。因激光器经转化后发射的激光为水平线激光，如摄像头水平安装，则在摄像头上的激光线成像也是水平线为主，故水平方向上的相似度会非常高，不利于找到最佳匹配点。当摄像头角度倾斜时，水平线激光在摄像头上的成像变成了倾斜线，此时水平方向上的相似点会大幅降低，易于找到最佳匹配点。
两个带双面胶的合页片11位于摄像头模组的正下方，一方面两侧固定，平衡外壳重量；另一方面，在摄像头正下方屏蔽了中控台反光，减少了挡风玻璃对摄像头的反光干扰，而反光干扰是悬挂式车载视觉产品的通病。
所述套筒螺母6加两个万向节螺柱57作为角度调节装置，避免了在外壳1内部设计角度调节装置带来的尺寸增大，使产品更加紧凑。同时，旋转套筒螺母6这种简单的调节方式使产品可以适用于不同倾斜角度的挡风玻璃。
将两个摄像头模组固定在两个铝合金摄像头座上，铝合金摄像头座通过螺钉固定在圆柱形金属支撑杆上；八个等角度环向分布的衍射光学镜片和八个等角度环向分布的红外激光器放置在弧形激光器支架预留的卡槽内，并用胶水固定以防止抖动，弧形激光器支架通过两个内六角紧固螺钉固定在圆柱形金属支撑杆上；圆柱形金属支撑杆固定在外壳上；外壳向外连接有两个带双面胶的合页片和产品侧万向节螺柱；两个带双面胶的和叶片通过双面胶贴在汽车挡风玻璃上；套筒螺母连接产品侧万向节螺柱和车侧万向节螺柱；旋转套筒螺母可以调节摄像头及激光器朝向角，调整完毕后，将带有双面胶的固定板贴合在汽车挡风玻璃上，完成产品组装和安装。
如图5所示，利用标定板标定摄像头内部和外部参数，建立摄像头图像坐标系至世界坐标系的转换方程，利用感知图像计算出障碍物的空间位置。
系统上电后，线激光发射8束红外光，类似8线激光雷达扫描的效果。两个红外摄像头曝光成像，之后，通过视差匹配算法BM，SGM等计算出8束红外光扫描线上的视差值，进而推算出距离值。利用障碍物检测算法，就可以知道前方是否有障碍物以及该障碍物的距离信息。
因摄像头频率基本处于30Hz以上，故相对于激光雷达10Hz的扫描频率，能够更加及时发现异常，辅助安全驾驶。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统，其特征在于，包括外壳（1）及其内部固定的一根支撑杆（4），支撑杆（4）上固定有两个铝合金摄像头座（2），两个铝合金摄像头座（2）上分别安装有摄像头模组（3），支撑杆（4）上在两个铝合金摄像头座（2）中间还安装有弧形激光器支架（9），所述弧形激光器支架（9）上设有若干等角度环向分布红外激光器（12）和衍射光学镜片（10），衍射光学镜片（10）位于红外激光器（12）发射端外侧，并与红外激光器（12）一一对应。
2.根据权利要求1所述的结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统，其特征在于，所述若干红外激光器（12）的发射角与水平面夹角从-5°到30°均匀分布；衍射光学镜片（10）将发射的点激光转化成线激光，调整各衍射光学镜片（10）的角度得到若干条水平方向的线激光。
3.根据权利要求2所述的结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统，其特征在于，所述两个摄像头模组（3）和水平方向成45°夹角，以提高双目系统对横向线激光的感知匹配能力。
4.根据权利要求1所述的结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统，其特征在于，所述外壳（1）上还连接有产品侧万向节螺柱（5），产品侧万向节螺柱（5）通过套筒螺母（6）连接车侧万向节螺柱（7），车侧万向节螺柱（7）另一端连接固定板（8），固定板（8）通过双面胶贴合在汽车挡风玻璃上；通过旋转套筒螺母（6）调节摄像头及激光器朝向角。
5.根据权利要求4所述的结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统，其特征在于，所述外壳（1）外部还连接有两个合页片（11），两个合页片（11）分别通过贴在汽车挡风玻璃上。
6.根据权利要求5所述的结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统，其特征在于，所述两个合页片（11）分别位于两个摄像头模组（3）的正下方，减少中控台对摄像头模组（3）的反光。
7.根据权利要求1所述的结构线激光与倾斜双目组合的车载视觉雷达系统，其特征在于，所述衍射光学镜片（10）和红外激光器（12）放置在弧形激光器支架（9）预留的卡槽内，并用胶水固定以防止抖动，弧形激光器支架（9）通过两个内六角紧固螺钉固定在圆柱形的金属支撑杆（4）上。
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