李哲，彭思程，熊梓辰，廖無限（通訊作者）

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

0 引言

人們日常工作、旅行等活動，隨著社會和經濟的發(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、超聲波或白光技術的夜視設備[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)結構總體框體

系統(tǒng)核心控制單元為視覺采集系統(tǒng)；系統(tǒng)結構主要包括電源、控制器、陣列激光燈組件、攝像頭、視覺采集器和上位機。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據信號傳送給上位機處理。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 電源模塊設計

根據激光燈的伏安特性可知，其等效內阻在不同的環(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保證所用激光燈的壽命和可靠性，只有采用恒流控制技術才能環(huán)境溫度適應范圍較窄的缺陷。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，最終達到適合激光燈正常工作的電源要求。恒流源模塊設計圖如圖2所示。

圖2 恒流源模塊設計圖

3 激光組建模塊設計

借鑒漁網效應，當漁網鋪在平整的地面時，其網格大小一致，均勻整齊；當漁網鋪在有多形物體上時，會發(fā)生形變，網格輪廓、面積呈現不一，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。聯想到如果能把激光水平儀的光線變成網格狀，也可以進行夜間探路。

圖3 漁網效應

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計夜間探路裝置的光源布局。

根據設計，本裝置需要通過固定在柵格上的激光燈組組合成網，需選取合適材料，搭建合適的光柵網格組件。根據使用環(huán)境要求，有很多種金屬及化工產物都可以作為光柵網格的原材料，但是考慮到本產品覆蓋面廣泛、市場巨大，需要將成本調制比較高的優(yōu)先級，所以我們選擇了硬質鋁材，硬質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。激光模塊設計圖如圖4所示。

圖4 激光組件模塊設計圖

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，再把線光源變成網格影像的面光源，最終形成類似漁網效應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均勻、不變形的網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 圖像處理設計

根據激光陣列組成網格影像所形成的光譜信號，進行數字化處理，采取實時對比計算，把路面狀況信息的結果傳輸出來。

為更好地使用數字圖像處理技術，擬采用MATLAB工具進行數字圖像變換、代數運算、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。根據現場照射出現網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、后整體的方式來進行幾何反射線特征對比，最終實現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，且具有設計簡單、結構合理、構建方便的突出優(yōu)勢，另外還克服了高端的夜視設備不利于大面積的推廣所帶來的缺陷。