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獲得，其實質可以理解為對監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，并進行數據處理，從而獲得目標點的距離。

1 非接觸測距系統簡介

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的數字圖像處理方法，在一定的范圍內實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激光點如圖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，具有生產成本低、抗干擾能力強、響應速度快等優點。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’，并且根據分辨率等參數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。

根據簡化光路圖可得：

根據成像原理

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攝像頭和平行激光束進行測距。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和減小激光束發出光斑，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，該系統可以通過調節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。