基于CMOS攝像頭和平行激光束測距系統(tǒng)設計

李龍星，李 波，牟春陽

(中北大學機電工程學院，山西太原030051)

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。

1 非接觸測距系統(tǒng)簡介

現(xiàn)代的非接觸式測距一般分為:1)超聲波測距;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［1］。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平行激光束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。

圖1 測距原理

圖2 系統(tǒng)原理框圖

圖3 激光光斑在圖像幀上的成像

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［2］。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［3］。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。

圖4 簡化光路圖

根據(jù)簡化光路圖可得:

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CMOS攝像頭和平行激光束測距系統(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。

［1］胡曙光，陳靜，華艷秋，等.基于激光三角法的傳感器設計［J］.測控技術，2006，25(6):7 －12.

［2］林小倩，林斌，潘泰才.基于COMS單點激光三角法測距系統(tǒng)設計［J］.光學儀器，2006，28(2):27 －30.

［3］唐冠群.幾種激光光斑中心定位算法的比較［J］.北京機械工業(yè)學院學報，2009，24(1):61 －64.

［4］Lin JM，Xing ML，Sha DG，et al.Distortion Measurement of CCD Imaging System with Short Focal Length and Large-Field Objective［J］.Optics and Lasers in Engineering，2005，43:1137 －1144.