本發(fā)明屬于環(huán)境感知，具體地說(shuō)是一種基于激光測(cè)距和相機(jī)成像的環(huán)境感知系統(tǒng)及其使用方法。

背景技術(shù)：

1、社會(huì)勞動(dòng)生產(chǎn)力，首先是科學(xué)的力量，隨著中國(guó)工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級(jí)的腳步越走越遠(yuǎn)，智能化工業(yè)設(shè)備更加受到青睞，環(huán)境感知類傳感器作為智能設(shè)備的眼睛，其發(fā)展與應(yīng)用也越來(lái)越受到業(yè)界的青睞，但隨之而來(lái)的挑戰(zhàn)也越來(lái)越大。智能設(shè)備對(duì)周圍環(huán)境的理解以及后續(xù)工作的前提和基礎(chǔ)是環(huán)境感知，環(huán)境感知的結(jié)果對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響十分重要，因此，環(huán)境感知傳感器性能的持續(xù)不斷提升將無(wú)限助力工業(yè)數(shù)字化的轉(zhuǎn)型和升級(jí)。

2、隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前智能設(shè)備常用的環(huán)境感知傳感器有相機(jī)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)和激光雷達(dá)等。

3、相機(jī)是一種利用光學(xué)成像原理形成影像并使用底片或圖像傳感器記錄影像的設(shè)備。當(dāng)前相機(jī)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈成熟，并且數(shù)碼相機(jī)能夠?qū)崟r(shí)反饋拍攝畫(huà)面，所以相機(jī)是感知傳感器中普及率最高的傳感器之一，因其高幀率、高分辨率、高可靠性、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，在各行各業(yè)中都有其應(yīng)用，包括醫(yī)學(xué)影像、手術(shù)機(jī)器人、拍照、攝影、監(jiān)控、引導(dǎo)、測(cè)量等。

4、激光系統(tǒng)是利用激光對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定的系統(tǒng)，其在工作時(shí)向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，根據(jù)激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間，計(jì)算出目標(biāo)的距離。激光測(cè)距系統(tǒng)重量輕、體積小、操作簡(jiǎn)單、性能可靠、速度快而準(zhǔn)確，因而被廣泛用于地形測(cè)量，戰(zhàn)場(chǎng)測(cè)量，云層測(cè)量，工業(yè)測(cè)控，礦山和港口等領(lǐng)域。

5、不同傳感器的優(yōu)勢(shì)不同，上述的單一傳感器應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)受到其局限性的限制，因此部分學(xué)者研究不同傳感器的組合系統(tǒng)，利用不同傳感器的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)功能疊加，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠獲得更加豐富的信息，相比單一傳感器更加直觀、更加有效。

6、目前主流的組合多以相機(jī)成像系統(tǒng)和激光或雷達(dá)系統(tǒng)各自的坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定來(lái)實(shí)現(xiàn)空間上的相對(duì)組合，只能通過(guò)激光光軸在空間上掃描相機(jī)光軸來(lái)定位目標(biāo)物，其存在數(shù)據(jù)浪費(fèi)，算力需求高，運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性較低的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種基于激光測(cè)距和相機(jī)成像的環(huán)境感知系統(tǒng)及其使用方法。

2、本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案解決的：

3、一種基于激光測(cè)距和相機(jī)成像的環(huán)境感知系統(tǒng)，其特征在于：該環(huán)境感知系統(tǒng)包括相機(jī)成像系統(tǒng)和激光測(cè)距系統(tǒng)，該環(huán)境感知系統(tǒng)以相機(jī)成像系統(tǒng)的光心作為原點(diǎn)o、以相機(jī)成像系統(tǒng)的光軸為共軸、構(gòu)建基于相機(jī)成像系統(tǒng)坐標(biāo)系的環(huán)境感知系統(tǒng)坐標(biāo)系o-xyz，激光測(cè)距系統(tǒng)出射的激光形成的激光光路能夠穿過(guò)光心并與光軸共軸到達(dá)位于待探測(cè)區(qū)域的目標(biāo)物上。

4、所述的環(huán)境感知系統(tǒng)還包括運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)能夠帶動(dòng)相機(jī)成像系統(tǒng)和激光測(cè)距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圍繞光心的轉(zhuǎn)動(dòng)。

5、所述的相機(jī)成像系統(tǒng)包括圖像傳感器模塊和鏡頭模塊，其中鏡頭模塊位于相機(jī)成像系統(tǒng)的光心處。

6、所述激光測(cè)距系統(tǒng)出射的激光形成的激光光路直接沿著相機(jī)成像系統(tǒng)的光軸的方向延伸時(shí)，則圖像傳感器模塊位于激光測(cè)距系統(tǒng)和鏡頭模塊之間，且此時(shí)圖像傳感器模塊的有效像素中心設(shè)置有孔徑為φ的通孔、φ≥ω(l)，其中ω(l)為激光測(cè)距系統(tǒng)出射的激光準(zhǔn)直后經(jīng)過(guò)路程l到達(dá)圖像傳感器模塊上的孔徑為φ的通孔時(shí)的光束直徑；激光光路經(jīng)通孔穿過(guò)圖像傳感器模塊、且穿過(guò)光心并與光軸共軸。

7、所述激光測(cè)距系統(tǒng)出射的激光形成的激光光路需要通過(guò)反射才能沿著相機(jī)成像系統(tǒng)的光軸的方向延伸時(shí)，在圖像傳感器模塊和鏡頭模塊之間布置有反射鏡模塊，該反射鏡模塊能夠讓激光測(cè)距系統(tǒng)出射的激光反射后形成的激光反射光路穿過(guò)光心并與光軸共軸。

8、所述反射鏡模塊中采用的反射鏡具有半反半透性能，反射鏡模塊的大小不小于圖像傳感器模塊的大小除以cosβ；所述的反射鏡模塊與光軸的夾角為β且0＜β＜90°，激光測(cè)距系統(tǒng)出射的激光在反射鏡模塊上形成的激光入射角為α且0＜α＜90°。

9、所述的圖像傳感器模塊由一塊或多塊獨(dú)立設(shè)置的圖像傳感器構(gòu)成；多塊圖像傳感器布置在同一平面且相鄰的圖像傳感器之間采用擋光柵隔擋，圖像傳感器模塊內(nèi)的圖像傳感器滿足中心對(duì)稱得要求。

10、所述的環(huán)境感知系統(tǒng)坐標(biāo)系o-xyz為相機(jī)成像系統(tǒng)的坐標(biāo)系，相機(jī)成像系統(tǒng)的光軸在o-xyz坐標(biāo)系內(nèi)的所在直線表示為l1、激光測(cè)距系統(tǒng)的激光光路在o-xyz坐標(biāo)系內(nèi)的所在直線表示為l2；由于光軸l1經(jīng)過(guò)點(diǎn)m1(x1,y1,z1)、其方向向量為s1＝(m1,n1,p1)，因此光軸l1的直線方程表示為：l1:由于激光光路l2經(jīng)過(guò)點(diǎn)m2(x2,y2,z2)、其方向向量為s2＝(m2,n2,p2)，因此激光光路l2的直線方程表示為：l1:

11、當(dāng)md、nd、pd(d＝1,2)皆不為0時(shí)，此時(shí)光軸l1和激光光路l2共軸的限定條件為：且

12、當(dāng)md、nd、pd(d＝1,2)中有一個(gè)為零，如md＝0、nd≠0、pd≠0時(shí)，光軸l1和激光光路l2的直線方程為：l1:x-x1＝0，l2:x-x2＝0，此時(shí)光軸l1和激光光路l2共軸的限定條件為：m1＝m2＝0，且x1＝x2，

13、當(dāng)md、nd、pd(d＝1,2)中有兩個(gè)為零，如md＝nd＝0、pd≠0時(shí)，光軸l1和激光光路l2的直線方程為：l1:x-x1＝0，y-y1＝0、l2:x-x2＝0，y-y2＝0，此時(shí)光軸l1和激光光路l2共軸的限定條件為：m1＝m2＝0，n1＝n2＝0且x1＝x2，y1＝y(tǒng)2；進(jìn)一步的，當(dāng)x1＝x2＝0，y1＝y(tǒng)2＝0時(shí)，此時(shí)光軸l1和激光光路l2與環(huán)境感知系統(tǒng)坐標(biāo)系o-xyz的z軸重合。

14、一種基于激光測(cè)距和相機(jī)成像的環(huán)境感知系統(tǒng)的使用方法為：

15、步驟a、相機(jī)成像系統(tǒng)根據(jù)周圍待探測(cè)區(qū)域的光學(xué)信號(hào)生成對(duì)應(yīng)的圖像信號(hào)；

16、步驟b、識(shí)別步驟a中的圖像信號(hào)中的目標(biāo)并進(jìn)行標(biāo)記；

17、步驟c、識(shí)別步驟b中的標(biāo)記目標(biāo)的中心像素，并選取中心像素內(nèi)的b個(gè)點(diǎn)、計(jì)算b個(gè)點(diǎn)在環(huán)境感知系統(tǒng)坐標(biāo)系o-xyz的方位角θ；

18、步驟d、以環(huán)境感知系統(tǒng)坐標(biāo)系o-xyz的原點(diǎn)o為旋轉(zhuǎn)中心，按照b個(gè)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的方位角θ將光軸分別轉(zhuǎn)動(dòng)至b個(gè)點(diǎn)并在每個(gè)點(diǎn)處啟動(dòng)激光測(cè)距系統(tǒng)出射設(shè)定波長(zhǎng)、設(shè)定頻率和設(shè)定強(qiáng)度的激光信號(hào)對(duì)相應(yīng)點(diǎn)處的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，接收b個(gè)點(diǎn)處的b個(gè)目標(biāo)的激光回波信號(hào)；

19、步驟e、激光測(cè)距系統(tǒng)根據(jù)激光回波信號(hào)，計(jì)算出該幅圖像上的目標(biāo)平均距離、目標(biāo)移動(dòng)速度和目標(biāo)移動(dòng)加速度；

20、步驟f、重復(fù)步驟a～步驟e，輸出周圍待探測(cè)區(qū)域的圖像及目標(biāo)平均距離、方位、目標(biāo)移動(dòng)速度和目標(biāo)移動(dòng)加速度信息。

21、本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：

22、本發(fā)明提供的基于激光測(cè)距和相機(jī)成像的環(huán)境感知系統(tǒng)通過(guò)相機(jī)成像系統(tǒng)和激光測(cè)距系統(tǒng)的共軸融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)成像系統(tǒng)光軸上的目標(biāo)點(diǎn)(物)的測(cè)距，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)(物)的準(zhǔn)確定位，從而能夠精確感知周圍環(huán)境，該環(huán)境感知系統(tǒng)輸出內(nèi)容簡(jiǎn)潔、算力需求小、系統(tǒng)穩(wěn)定且可靠。