基于激光傳感器的小空間感興趣目標檢測

陸小鋒 許思源 許皓然 趙翼龍

（1.上海大學 上海市 200444 2.蒙特沃德高中(上海) 上海市 200940 3.康門威爾斯學校(上海) 上海市 200120）

1 引言

隨著科學技術的不斷發展，我們對物體距離的測量領域有了更高的要求，傳統的測量方式漸漸無法滿足人們的需求，自二十世紀六十年代第一臺激光器——紅寶石激光器發明以來，激光開始成為測距領域的研究熱點，激光測距技術與傳統測距技術相比有著更高的測量精度。激光測距通過激光這一載體，由激光發射器發射激光，到達物體表面后進行反射，再由激光接收器接受返回的激光信號，在光速不變的前提下，即可測得目標物體的距離。根據其工作方式的不同，激光測距技術大體上分為飛行時間測距技術和非飛行時間測距技術，其中飛行時間測距技術又包括相位激光測距技術和脈沖激光測距技術，而非飛行時間激光測距技術主要有三角測距技術、干涉測距技術、光子計數測距技術等[1]。激光傳感器具有體積小、重量輕、靈活性高等優勢，基于這些優勢，激光傳感器在國防軍事、航空航天、醫學衛生等領域都有著非常廣泛的應用，在科學研究、國防建設、日常生活中具有重要的意義。

從國外發展來看，西方國家針對激光測距的多種應用領域開發了用途不同的激光測距系統：單光束激光測距系統用于測量距離；二維激光掃描式測距系統用于掃描平面；三維測距系統用于對物體空間定位和掃描輪廓等。近年來，隨著激光測距技術與智慧城市、智慧交通理念的發展與融合，各大公司開始研制車載激光傳感器，用于無人駕駛等領域，其中美國Velodyne 公司研制的車載激光傳感系統因其優異的性能和極高的精度，成為當今無人駕駛領域的標準[2]。目前國外激光測距器的主要品牌有美國博士能測距器、里奧波特測距器、紐康測距器，日本尼康測距器，德國萊卡測距器等。

從國內發展來看，國內激光測距器的研究開始于二十世紀七十年代，武漢地震大隊與北京光學儀器廠合作研制出本我文國第一臺以氦氖氣體作光源的JCY-1 型精密氣體激光測距器，之后又相繼研發了JCY-2、DC-30JG、DCS-1 型氦氖激光測距器[1]。隨著國內無人駕駛行業和國際浪潮井噴發展，國內也涌現出幾家激光雷達和激光傳感器廠家。其中以速騰聚創、北科天繪、鐳神智能、思嵐科技、禾賽科技等創業公司為代表的國產激光雷達產品逐漸獲得市場認可[2]。

隨著激光測距技術的不斷發展，基于其具有結構簡單、原理可靠、體積小、重量輕、精度高、抗干擾性能好等優勢，將會更廣泛的應用于軍事，大氣探測，陸地、海洋探測[3]，城市化和工業化進程[4]，醫學研究、日常生活等各個領域。

圖1：ToF 激光測距原理

圖2：硬件結構圖

圖3：級聯測距示意圖

圖4：硬件實物圖

2 TOFSense激光傳感器技術原理

2.1 激光測距技術

激光測距總體上是激光器經由光學零件向目標物體連續發射激光脈沖信號，并接收由目標物體返回的激光脈沖信號，在光電器件的作用下轉變為電脈沖信號，經過運算得到目標物體的距離信息的一種探測技術。目前主流的激光雷達和激光傳感器使用的原理主要集中于非飛行時間激光測距的三角測距原理[5]和ToF（Time of Flight，飛行時間）原理。

ToF 是一種利用光飛行時間的光學測距方式，其主要原理如圖1所示。

如圖1所示，光速c 為常量，計時器負責記錄開始發射激光時刻t1和接收到返回激光時刻t2，這兩個時刻的差值即為光飛行的時間，根據公式（1）即可計算出目標物體的距離l:

式中l 是目標物體距激光傳感器距離；c 是光速；t1是激光脈沖發射時刻；t2是接收到激光脈沖時刻。

ToF 激光傳感器具有體積小、重量輕、靈活性好、抗干擾性能強等優勢，被廣泛應用于生產生活、醫療衛生、國防科技、航空航天等領域，本課題使用的TOFSense 激光傳感器就是一種基于ToF原理的激光傳感器。

2.2 TOFSense激光傳感器功能

TOFSense激光傳感器是一款基于ToF技術的激光測距傳感器，使用940mm 激光，測距范圍為1cm～5m，距離分辨率為1mm，典型測距精度±1.5cm，數據更新頻率為10Hz，可調FOV（視場角）15°～27°，支持UART 與CAN 通信且共用接口，支持主動輸出與查詢輸出數據，支持多傳感器級聯測距。

2.3 TOFSense激光傳感器數據傳輸協議

TOFSense 激光傳感器數據通信格式遵循NLink 協議。Protocol（協議幀）由Frame Header（幀頭）、Function Mark（功能字）、Data（數據）、Sum Check（校驗和）組成。其中Frame Header、Function Mark 為固定不變的數值；Data 為傳輸的數據內容；Sum Check為Frame Header、Function Mark、Data相加求和后的最低字節。

3 感興趣目標檢測軟硬件實現

3.1 硬件構成

系統的硬件由三部分構成。

第一部分是模擬的微小密閉空間，本系統采用大小為20cm*12cm*11cm 的紙盒模擬實際應用場景下的微小密閉空間，在紙盒頂部距兩側面6cm處中央各開一個大小為1.2cm*2.5cm的小口，同時，在紙盒正面與頂部小口同一平面處，距頂面和底面3cm 處再開幾個小口，總計6 個小口，用于安裝TOFSense 激光傳感器的激光器部分，在未安放激光器的側面再開一個稍小的口，用于插入待測量的感興趣目標物體。硬件概念圖如圖2所示。

圖5：目標1 測試實物圖

圖6：目標1 測試距離波形圖

圖7：目標2 測試實物圖

圖8：目標2 測試距離波形圖

第二部分是6 個TOFSense 激光傳感器，將它們固定在紙盒開好小口的地方。采用的激光傳感器是扇面形輻射傳感器，單個傳感器無法覆蓋密閉空間內其所在平面的全部范圍，因此構成同一平面的三個激光傳感器為一組，使用轉接線串接起來，三個傳感器的輻射扇面交織成為整個探測平面，當有物體從任意位置經過該平面時都能被激光傳感器準確檢測到。基于該設計原理，構建出多個傳感器模塊的級聯測距系統，連接示意圖如圖3所示。

第三部分為2 個TTL 串口轉USB 模塊，分別與2 組級聯測距傳感器相連，并接到上位機，用于激光傳感器的參數配置和數據傳輸。

連接完成后實物圖如圖4所示。

我國無人駕駛汽車的研制也始于上個世紀八十年代，1989年國防科技大學首先研制出第一輛智能小車，“1992年，國防科技大學、北京理工大學等著名大學研制成功了由中型面包車增加配備計算機、控制系統和傳感器改裝而成的我國第一輛真正意義上能夠自主行駛的測試樣車(ATB-1)”[3]。

當待測感興趣目標物體通過側面小口進入系統后，會依次觸碰到兩組級聯測距傳感器構成的探測平面，此時即可獲得該目標物體盒長方向的距離信息，同時，在級聯測距傳感器構成的平面內，頂部傳感器可以測量目標物體的高度信息，正面傳感器可以測量目標物體的水平信息，將目標物體三個方向的距離信息結合即可定位目標物體。

3.2 軟件實現

算法在Visual Studio 2019 平臺上開發，使用C++語言進行編寫，使用QT 軟件進行可視化界面設計和數據顯示。數據采集采用UART 串口傳輸數據，將三個激光傳感器級聯后通過串口轉USB模塊接到上位機系統。在實際操作過程中，由于難以實現同時使用一個串口讀寫數據，因此本方案采用主動輸出模式，即由激光傳感器模塊以頻率為10Hz 主動輸出測量數據幀。結果表明，模塊在級聯后通過主動輸出模式輸出的數據幀中包含配置的ID 信息，然后根據ID 信息分辨該數據幀來源自哪個傳感器。

完成數據采集后需要對數據進行相關處理，包括有效幀的判斷、數據格式轉換以及降低數據波動等。

首先是對幀格式的判斷，接收到data 字符串后，判斷data 字符串長度為16 字節，根據數據幀NLink_TOFSense_Frame0 協議，Frame Header（幀頭）為0x57，Function Mark（功能字）為0x00，且Sum Check（校驗和）等于前15 位數據相加求和后的最低字節的data 字符串為有效幀，此時data 字符串的第四位為激光傳感器的ID 標識，第七至第九位為當前測量物體的距離信息。

實驗發現，TOFSense 激光傳感器測量獲得的距離信息會不穩定，波動明顯，針對這一問題，本文采用了將一段時間內的距離信息取平均值的方式來降低數據的波動程度，且只有當距離參數相差小于等于2mm 時才會進行取平均值的操作，這樣在距離數據產生較大程度變換時（即感興趣目標物體插入時），距離數據將不再進行取平均值的操作，只有當距離數據相對穩定后才會繼續進行取平均值的操作。

在完成數據采集與數據處理后，第三部分是顯示處理后的數據。在本系統中，使用QT 軟件進行可視化界面設計，分別顯示界面優化后的三個激光傳感器的測試距離數據。

4 實驗結果與分析

本課題設計對形狀和大小不同的物體進行了在模擬密閉空間內的目標檢測實驗，以測試本系統的實際效果。實驗共設置了兩組，分別是大小和直徑不同的柱狀目標物體，通過對測試結果的橫向對比，驗證該系統在不同類型待測目標物體進入后的距離檢測效果。

距離波形圖顯示，物體位于1 號傳感器和2 號傳感器測試的范圍內，由于測試采用手持方式，受手部抖動影響較大，本物體測試距離結果大約是是，距1 號傳感器4cm，距2 號傳感器5.3cm，與物體實際距離誤差為0.5cm。

測試二：對直徑約0.5cm 的筷子進行了測試。實物圖如圖7所示，系統界面距離波形圖如圖8所示。

距離波形圖顯示，本物體測試過程中位于1 號傳感器和3 號傳感器所形成的平面內，距1 號傳感器8.4cm，距3 號傳感器5.5cm，與物體實際距離誤差為0.5cm。

通過上述測試，本系統對微小密閉空間內感興趣目標物體的測試效果良好，與物體實際距離誤差均在0.5cm 以內，測試顯示，本系統對較大目標的測量效果更加明顯，對較小目標的測量主要受物體是否穩定的影響較大，本系統適合于測量微小密閉空間內較穩定物體的距離信息，同時可以依靠改變激光傳感器放置位置來實現對感興趣目標物體更精確的定位。

5 總結與展望

本課題設計的實驗系統實現了對感興趣目標物體的檢測與定位，在實驗過程中，首先對激光傳感器可檢測的最小物體尺寸進行了研究，當可測量物體正對著激光傳感器發射口時，該激光傳感器最小可以檢測到直徑1mm 的金屬棒，而當物體偏離激光傳感器發射口時，需要保證物體直徑大于1cm 才可以穩定檢測到。同時實驗發現，改變激光傳感器的視場角可以改變該激光傳感器的測量精度。延伸探究了室內外光照差異對該激光傳感器的探測能力的影響，當在室外強光下，測量的有效距離變短、精度變差、波動幅度變大，但在極近距離下的測距效果依然良好，能準確的測量極近場景中的物體；探究了測量物體的顏色對該激光傳感器的探測能力的影響，發現該激光傳感器對深色目標的探測精度遠高于淺色目標，而對于透明目標則幾乎無法探測。

本課題的主要目標是實現在微小密閉空間內對感興趣目標的檢測與定位，希望能應用于醫療健康領域的針體檢測，并能在虛擬平臺上準確反映微小物體的位置。該激光測距技術，對很多需要置于微小密閉環境下完成精準定位的應用需求，具有重要參考價值。