基于CMOS攝像頭和平行激光束測距系統設計

監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(lái)獲得，其實(shí)質(zhì)可以理解為對監測位置空間距離的測量。有關(guān)距離的測量方法有很多，在航空航天領(lǐng)域，傳統的接觸式傳感器由于受體積、質(zhì)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(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注。利用攝像頭隨著(zhù)距離增加物體圖像越小的原理，采集目標圖像信息，并進(jìn)行數據處理，從而獲得目標點(diǎn)的距離。

1 非接觸測距系統簡(jiǎn)介

現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。然而，激光測距儀的技術(shù)過(guò)于復雜，制造的難度較大，成本較高，遠距離測距時(shí)要求的激光管功率較大，而且光學(xué)系統需要保持干凈，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(guān)的數字圖像處理方法，在一定的范圍內實(shí)現任意位移的高精度測量。

2 測距系統原理

本文的測距原理如圖1，將兩個(gè)激光器分別裝在攝像頭的兩側，并且將兩束激光調節為相互平行，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(gè)激光點(diǎn)如圖3，根據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(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(xiàn)和COMS攝像頭的中心線(xiàn)在同一個(gè)豎直平面內，激光光線(xiàn)和攝像頭成像軸完全平行，兩個(gè)激光器中心線(xiàn)距離為H，并且可以通過(guò)改變兩個(gè)激光器中心線(xiàn)距離，增大系統的測量范圍。COMS攝像頭連接到FPGA上，采用FPGA進(jìn)行圖像處理，利用圖像預處理方法對圖像進(jìn)行濾波、閾值分割，能有效去除噪聲對圖像的影響。再通過(guò)灰度質(zhì)心算法對圖像進(jìn)行細分，通過(guò)高斯擬合可以將光斑中心的計算精度提高，計算出兩個(gè)光斑中心點(diǎn)的距離h’，并且根據分辨率等參數得出豎直方向整個(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，被測物體離COMS攝像頭距離為L(cháng)。

根據簡(jiǎn)化光路圖可得：

根據成像原理

有對應關(guān)系，所以距離L與兩個(gè)光斑中心點(diǎn)的距離h’有對應關(guān)系。在實(shí)際情況中，先對COMS攝像頭的測距結果進(jìn)行曲線(xiàn)標定，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(xiàn)，最終能夠通過(guò)COMS攝像頭和平行激光束進(jìn)行測距。與單點(diǎn)激光CCD鏡頭三角測距相比，隨著(zhù)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)提高攝像頭的像素數和減小激光束發(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(shí)，通過(guò)調節兩束激光之間的距離可以提高攝像頭對兩個(gè)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(shí)際當中。

4 小結

基于CMOS攝像頭和平行激光束測距系統設計，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(shí)，該系統可以通過(guò)調節兩束激光之間的距離提高攝像頭對兩個(gè)光斑的識別能力，從而可以提高設備的測距范圍。該測距系統成本低，攜帶方便。隨著(zhù)COMS攝像頭性能和FPGA圖像處理能力不斷提高，未來(lái)會(huì )有更好的應用前景。