夜間探路裝置設(shè)計

李哲，彭思程，熊梓辰，廖無限（通訊作者）

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院電氣工程及其自動化系，湖南株洲，412007）

0 引言

人們?nèi)粘９ぷ鳌⒙眯械然顒樱S著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其頻度日益增長，使得一天之中夜間出行所占比例相繼增多；然而并非世上所有的道路均是一馬平川，免不了有溝、坎、坑、斷路和其它障礙，與白天相比，夜間出行的能見度較低，視野范圍縮小，現(xiàn)階段探路工具較簡單和廉價是手電或探照燈，較高端和昂貴的采用紅外、雷達(dá)、超聲波或白光技術(shù)的夜視設(shè)備[1]；其中手電筒與探照燈，受人的眼睛在夜間有視覺延遲的影響，短時間內(nèi)對亮光源照射到障礙物上獲取的特征信息不全面，通常容易造成誤差判斷；因此現(xiàn)階段市面上缺少為夜間出行提供相對方便、快捷、通用和廉價的裝置[2]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框體

系統(tǒng)核心控制單元為視覺采集系統(tǒng)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括電源、控制器、陣列激光燈組件、攝像頭、視覺采集器和上位機(jī)。以上均由電源供電，陣列激光燈組件的工作狀態(tài)受制于控制器，由攝像頭采集的光柵陣列影像傳送給視覺采集器，再由視覺采集器將數(shù)據(jù)信號傳送給上位機(jī)處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 電源模塊設(shè)計

根據(jù)激光燈的伏安特性可知，其等效內(nèi)阻在不同的環(huán)境溫度下變化較大，且不恒定，因此是一種隨溫度變化而反應(yīng)敏感器件。正是因為激光燈這一特性，如果采用傳統(tǒng)的恒壓控制器則難以在較寬的溫度范圍內(nèi)保證所用激光燈的壽命和可靠性，只有采用恒流控制技術(shù)才能環(huán)境溫度適應(yīng)范圍較窄的缺陷。本項目將制作專供激光燈工作的恒流源，目的是使穩(wěn)定的工作。

所采用的恒流源是通過一系列電源電路的測試與變換，最終達(dá)到適合激光燈正常工作的電源要求。恒流源模塊設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 恒流源模塊設(shè)計圖

3 激光組建模塊設(shè)計

借鑒漁網(wǎng)效應(yīng)，當(dāng)漁網(wǎng)鋪在平整的地面時，其網(wǎng)格大小一致，均勻整齊；當(dāng)漁網(wǎng)鋪在有多形物體上時，會發(fā)生形變，網(wǎng)格輪廓、面積呈現(xiàn)不一，即能突出地直接反映出物體的輪廓特征，尤其是邊沿的輪廓特征，如圖3所示。借鑒裝修師傅使用的激光水平儀原理，師傅用激光水平儀在雜亂、不平整的地面和墻體上進(jìn)行找平作業(yè)，特別是在昏暗的光線環(huán)境中，反而更加高效和簡單。聯(lián)想到如果能把激光水平儀的光線變成網(wǎng)格狀，也可以進(jìn)行夜間探路。

圖3 漁網(wǎng)效應(yīng)

通過研究光陣列圖像在障礙物上的成像效果，選擇最合適的陣列圖像設(shè)計夜間探路裝置的光源布局。

根據(jù)設(shè)計，本裝置需要通過固定在柵格上的激光燈組組合成網(wǎng)，需選取合適材料，搭建合適的光柵網(wǎng)格組件。根據(jù)使用環(huán)境要求，有很多種金屬及化工產(chǎn)物都可以作為光柵網(wǎng)格的原材料，但是考慮到本產(chǎn)品覆蓋面廣泛、市場巨大，需要將成本調(diào)制比較高的優(yōu)先級，所以我們選擇了硬質(zhì)鋁材，硬質(zhì)鋁材成本較低可塑性強，但是其成品相較于成本更低的塑料又有著更高的硬度和可靠性。激光模塊設(shè)計圖如圖4所示。

圖4 激光組件模塊設(shè)計圖

首先把單個的激光點光源變成線光源，組成一個激光陣列后，再把線光源變成網(wǎng)格影像的面光源，最終形成類似漁網(wǎng)效應(yīng)的探路光柵陣列影像，在與路面的照射銳角保持不變的條件下，其照射在溝、坎、坑、斷路和其他障礙的路面上，均會有不同的反射特征，呈現(xiàn)出不同的圖像信息，這樣就是對不同的路面情況作出了不同的反饋。通過分析這些圖像信息，與平整且無障礙路面出現(xiàn)均勻、不變形的網(wǎng)狀效果光柵陣列影像來對比，可以讓使用者掌握路面情況。

通過研究這些效果在實際障礙中的反饋現(xiàn)象，選擇最合適的陣列圖像作為初始圖像。激光陣列模組效果實例圖如圖5所示。

圖5 激光陣列模組效果實例圖

4 圖像處理設(shè)計

根據(jù)激光陣列組成網(wǎng)格影像所形成的光譜信號，進(jìn)行數(shù)字化處理，采取實時對比計算，把路面狀況信息的結(jié)果傳輸出來。

為更好地使用數(shù)字圖像處理技術(shù)，擬采用MATLAB工具進(jìn)行數(shù)字圖像變換、代數(shù)運算、幾何變換等過程，能夠更快的處理采集到的圖像信息，如圖6所示。根據(jù)現(xiàn)場照射出現(xiàn)網(wǎng)狀效果組成的光柵陣列影像，選取出其含有的直線和面為參考元素，采用先局部、后整體的方式來進(jìn)行幾何反射線特征對比，最終實現(xiàn)對前方路面障礙情況的判斷，獲取路況信息。圖像處理流程圖如圖7所示。

圖6 圖像處理部分

圖7 圖像處理流程圖

5 結(jié)語

陣列激光燈夜間輔助探路裝置，運用其光柵陣列影像照射在溝、坎、坑、斷路和其它障礙的路面上，均會有不同的幾何反射線特征的原理，克服了采用普通光源探路裝置帶來的人眼判斷誤差，且具有設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)合理、構(gòu)建方便的突出優(yōu)勢，另外還克服了高端的夜視設(shè)備不利于大面積的推廣所帶來的缺陷。