夜间探路装置设计

李哲，彭思程，熊梓辰，廖无限（通讯作者）

（湖南工业大学电气与信息工程学院电气工程及其自动化系，湖南株洲，412007）

0 引言

人们日常工作、旅行等活动，随着社会和经济的发展，其频度日益增长，使得一天之中夜间出行所占比例相继增多；然而并非世上所有的道路均是一马平川，免不了有沟、坎、坑、断路和其它障碍，与白天相比，夜间出行的能见度较低，视野范围缩小，现阶段探路工具较简单和廉价是手电或探照灯，较高端和昂贵的采用红外、雷达、超声波或白光技术的夜视设备[1]；其中手电筒与探照灯，受人的眼睛在夜间有视觉延迟的影响，短时间内对亮光源照射到障碍物上获取的特征信息不全面，通常容易造成误差判断；因此现阶段市面上缺少为夜间出行提供相对方便、快捷、通用和廉价的装置[2]。

1 系统结构总体框体

系统核心控制单元为视觉采集系统；系统结构主要包括电源、控制器、阵列激光灯组件、摄像头、视觉采集器和上位机。以上均由电源供电，阵列激光灯组件的工作状态受制于控制器，由摄像头采集的光栅阵列影像传送给视觉采集器，再由视觉采集器将数据信号传送给上位机处理。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

2 电源模块设计

根据激光灯的伏安特性可知，其等效内阻在不同的环境温度下变化较大，且不恒定，因此是一种随温度变化而反应敏感器件。正是因为激光灯这一特性，如果采用传统的恒压控制器则难以在较宽的温度范围内保证所用激光灯的寿命和可靠性，只有采用恒流控制技术才能环境温度适应范围较窄的缺陷。本项目将制作专供激光灯工作的恒流源，目的是使稳定的工作。

所采用的恒流源是通过一系列电源电路的测试与变换，最终达到适合激光灯正常工作的电源要求。恒流源模块设计图如图2所示。

图2 恒流源模块设计图

3 激光组建模块设计

借鉴渔网效应，当渔网铺在平整的地面时，其网格大小一致，均匀整齐；当渔网铺在有多形物体上时，会发生形变，网格轮廓、面积呈现不一，即能突出地直接反映出物体的轮廓特征，尤其是边沿的轮廓特征，如图3所示。借鉴装修师傅使用的激光水平仪原理，师傅用激光水平仪在杂乱、不平整的地面和墙体上进行找平作业，特别是在昏暗的光线环境中，反而更加高效和简单。联想到如果能把激光水平仪的光线变成网格状，也可以进行夜间探路。

图3 渔网效应

通过研究光阵列图像在障碍物上的成像效果，选择最合适的阵列图像设计夜间探路装置的光源布局。

根据设计，本装置需要通过固定在栅格上的激光灯组组合成网，需选取合适材料，搭建合适的光栅网格组件。根据使用环境要求，有很多种金属及化工产物都可以作为光栅网格的原材料，但是考虑到本产品覆盖面广泛、市场巨大，需要将成本调制比较高的优先级，所以我们选择了硬质铝材，硬质铝材成本较低可塑性强，但是其成品相较于成本更低的塑料又有着更高的硬度和可靠性。激光模块设计图如图4所示。

图4 激光组件模块设计图

首先把单个的激光点光源变成线光源，组成一个激光阵列后，再把线光源变成网格影像的面光源，最终形成类似渔网效应的探路光栅阵列影像，在与路面的照射锐角保持不变的条件下，其照射在沟、坎、坑、断路和其他障碍的路面上，均会有不同的反射特征，呈现出不同的图像信息，这样就是对不同的路面情况作出了不同的反馈。通过分析这些图像信息，与平整且无障碍路面出现均匀、不变形的网状效果光栅阵列影像来对比，可以让使用者掌握路面情况。

通过研究这些效果在实际障碍中的反馈现象，选择最合适的阵列图像作为初始图像。激光阵列模组效果实例图如图5所示。

图5 激光阵列模组效果实例图

4 图像处理设计

根据激光阵列组成网格影像所形成的光谱信号，进行数字化处理，采取实时对比计算，把路面状况信息的结果传输出来。

为更好地使用数字图像处理技术，拟采用MATLAB工具进行数字图像变换、代数运算、几何变换等过程，能够更快的处理采集到的图像信息，如图6所示。根据现场照射出现网状效果组成的光栅阵列影像，选取出其含有的直线和面为参考元素，采用先局部、后整体的方式来进行几何反射线特征对比，最终实现对前方路面障碍情况的判断，获取路况信息。图像处理流程图如图7所示。

图6 图像处理部分

图7 图像处理流程图

5 结语

阵列激光灯夜间辅助探路装置，运用其光栅阵列影像照射在沟、坎、坑、断路和其它障碍的路面上，均会有不同的几何反射线特征的原理，克服了采用普通光源探路装置带来的人眼判断误差，且具有设计简单、结构合理、构建方便的突出优势，另外还克服了高端的夜视设备不利于大面积的推广所带来的缺陷。