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CN111239760A - 基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置和方法 - Google Patents

基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置和方法 Download PDF

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CN111239760A
CN111239760A CN202010049656.8A CN202010049656A CN111239760A CN 111239760 A CN111239760 A CN 111239760A CN 202010049656 A CN202010049656 A CN 202010049656A CN 111239760 A CN111239760 A CN 111239760A
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侯鹏程
周子建
柳邦
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Hubei Sanjiang Aerospace Hongfeng Control Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置和方法，采集装置中，数据处理及输出系统通过系统辅助控制及通信系统分别与激光发射测时系统和图像控制采集处理系统相连接，激光发射测时系统与激光二极管相连接，图像控制采集处理系统与摄像头相连接；MEMS微振镜的镜面处于激光二极管的输出光路和摄像头的接收光路的角度范围，MEMS微振镜与数据处理及输出系统相连接，接收光学系统通过光电探测系统与数据处理及输出系统相连接；数据处理及输出系统计算得到相匹配的目标视场的环境点云数据和二维图像信息。通过本发明的技术方案，增加了目标环境的信息丰富程度，提高了目标环境信息采集的可靠性和高效性，提高了系统实用性。

Description

基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置和方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置和一种基于融合传感器的多视场目标环境信息采集方法。
背景技术
随着计算机和机器人技术的不断发展，人工智能和无人驾驶领域逐渐变为现实，以机器人和无人驾驶车为代表的智能机器是一种集环境感知、动态决策规划、行为控制等多项功能于一体的高智能化机器系统，而进行避障和地图构建导航首先要解决的问题就是精确的采集目标视场的环境信息。
未知环境中单一传感器很难针对目标进行精确的信息采集，因此通过多传感器进行多视场扫描，对多个传感器的信息进行比对和分析是得到可靠环境信息的有效方法。目前激光雷达作为一种新兴技术被广泛应用于环境感知领域中，其特点是探测精度高，实时性好，而采集的信息数据量较大，处理复杂，同时针对目标的色彩信息采集能力欠佳；而摄像头成本低廉，能够以二维图像的形式获取大量周围环境信息，而其测定距离精度低，实时性和稳定性较差。而机器人和无人驾驶车的推广和普及首先应解决的问题就是安全性，因此，在没有一种类型的传感器可以在所有条件下发挥最佳性能的情况下，多传感器融合方案是十分有必要的。
在目标环境信息采集过程中，不同距离和视场的信息采集对于实时性要求极高的无人驾驶领域是至关重要的，针对不同距离范围的目标进行精确提取，结合不同视场的切换的信息采集方式可极大提高安全性。同时由于光学元件的精度极高，对出厂调试有很高要求，低效率的调试装配是主要的产能释放和成本降低瓶颈。
发明内容
针对上述问题中的至少之一，本发明提供了一种基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置和方法，利用激光雷达和摄像头通过MEMS微振镜扫描的方式来获取目标环境二维信息，通过激光雷达来获取目标环境的三维信息，通过数据融合比对可增加目标环境的信息丰富程度，以提高目标环境感知的可靠性；利用摄像头加MEMS微振镜扫描的方案可有效增加目标环境视场的二维信息采集范围，采用了双波长不同功率的激光发射单元可针对不同距离和不同扫描视场进行三维信息采集，从而可极大丰富目标环境的信息采集，以保证目标环境信息采集的可靠性和高效性。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置，包括：数据处理及输出系统、系统辅助控制及通信系统、激光发射测时系统、激光二极管、图像控制采集处理系统、摄像头、MEMS微振镜、接收光学系统和光电探测系统；所述数据处理及输出系统通过所述系统辅助控制及通信系统分别与所述激光发射测时系统和所述图像控制采集处理系统相连接，所述激光发射测时系统与所述激光二极管相连接，所述图像控制采集处理系统与所述摄像头相连接；所述MEMS微振镜的镜面处于所述激光二极管的输出光路和所述摄像头的接收光路的角度范围，所述MEMS微振镜与所述数据处理及输出系统相连接；所述接收光学系统的信号接收范围处于所述激光二极管发射激光的回波信号范围内，所述接收光学系统与所述光电探测系统相连接，所述光电探测系统与所述数据处理及输出系统相连接；所述数据处理及输出系统根据所述摄像头采集到的目标视场的二维图像信息以及结合所述接收光学系统接收的激光的回波信号和所述MEMS微振镜反馈的对激光的偏转角度，计算得到相匹配的目标视场的环境点云数据和二维图像信息。
在上述技术方案中，优选地，所述激光二极管采用至少两组不同波长的激光二极管，所述激光发射测时系统按照预设条件驱动不同波长的激光二极管，以发出不同波长的激光。
在上述技术方案中，优选地，采用两组波长分别为1550nm和905nm的激光二极管，1550nm的激光二极管作为高功率发射器，小角度入射经所述MEMS微振镜反射扫描后形成远场窄视场扫描区，905nm的激光二极管作为低功率发射器，大角度入射经所述MEMS微振镜反射扫描后形成近场大视场扫描区。
在上述技术方案中，优选地，基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置还包括三棱镜，所述激光二极管发射的激光通过所述三棱镜到达所述MEMS微振镜。
在上述技术方案中，优选地，所述接收光学系统镀设有针对1550nm波长和905nm波长的增透膜。
本发明还提出一种基于融合传感器的多视场目标环境信息采集方法，应用于上述技术方案所述的基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置，包括：通过激光发射测时系统向激光二极管发出出光信号，以控制所述激光二极管发射激光，并触发同步信号给MEMS微振镜；激光经过所述MEMS微振镜进入目标环境扫描，并经目标反射至接收光学系统，所述接收光学系统将回波信号通过光电探测系统进行放大处理后反馈至数据处理及输出系统；所述数据处理及输出系统采集所述MEMS微振镜反馈的激光偏转角度，并结合所述回波信号计算出目标距离，并将当前目标距离转换为空间坐标点；通过图像采集处理系统控制摄像头采集通过所述MEMS微振镜扫描得到的目标视场的二维图像；改变所述MEMS微振镜的偏转角度以将发射的激光扫描区域和二维图像扫描区域遍历整个目标视场；将目标环境的所述空间坐标点转换得到的雷达点云数据和所述二维图像信息进行融合匹配并输出。
在上述技术方案中，优选地，所述激光发射测时系统驱动波长分别为1550nm和905nm的所述激光二极管；1550nm的激光二极管作为高功率发射器，小角度入射经所述MEMS微振镜反射扫描后形成远场窄视场扫描区，905nm的激光二极管作为低功率发射器，大角度入射经所述MEMS微振镜反射扫描后形成近场大视场扫描区。
在上述技术方案中，优选地，所述MEMS微振镜包括微振镜镜片和微振镜驱动电路，所述微振镜驱动电路分别在所述微振镜镜片的X轴和Y轴加载预设幅值和频率的正弦信号或锯齿波信号；所述微振镜驱动电路将针对所述微振镜镜片的加载信号发送至所述数据处理及输出系统，以反馈所述MEMS微振镜的偏转角度。
在上述技术方案中，优选地，根据所述同步信号、所述回波信号和所述激光偏转角度计算得到目标视场的目标距离，并转换形成空间三维坐标的所述雷达点云数据；通过扩束准直系统经所述MEMS微振镜对所述摄像头进行扫描视场切换，并将所述摄像头采集到的所述二维图像信息进行拼接处理，得到整个目标视场的二维图像信息。
在上述技术方案中，优选地，利用数据融合比对算法，对所述雷达点云数据和所述二维图像信息进行比对分析，并将目标视场的雷达点云数据和二维图像信息匹配输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：利用激光雷达和摄像头通过MEMS微振镜扫描的方式来获取目标环境二维信息，通过激光雷达来获取目标环境的三维信息，通过数据融合比对可增加目标环境的信息丰富程度，提高了目标环境感知的可靠性；利用摄像头加MEMS微振镜扫描的方案有效增加了目标环境视场的二维信息采集范围，采用了双波长不同功率的激光发射单元可针对不同距离和不同扫描视场进行三维信息采集，从而极大丰富了目标环境的信息采集，以保证目标环境信息采集的可靠性和高效性。此外，利用了探测器平行入射加三棱镜的方案，在不明显增加系统体积的情况下可对系统光路进行快速装配，提高了系统实用性。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置的结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置的传感器结构示意图；
图3为本发明一种实施例公开的基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置的传感器视场范围示意图。
图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：
1.数据处理及输出系统，2.系统辅助控制及通信系统，3.激光发射测时系统，4.激光二极管，41.激光二极管Ⅰ，42.激光二极管Ⅱ，5.图像控制采集处理系统，6.摄像头，7.MEMS微振镜，8.接收光学系统，9.光电探测系统，10.三棱镜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1和图2所示，根据本发明提供的一种基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置，包括：数据处理及输出系统1、系统辅助控制及通信系统2、激光发射测时系统3、激光二极管4、图像控制采集处理系统5、摄像头6、MEMS微振镜7、接收光学系统8和光电探测系统9；数据处理及输出系统1通过系统辅助控制及通信系统2分别与激光发射测时系统3和图像控制采集处理系统5相连接，激光发射测时系统3与激光二极管4相连接，图像控制采集处理系统5与摄像头6相连接；MEMS微振镜7的镜面处于激光二极管4的输出光路和摄像头6的接收光路的角度范围，MEMS微振镜7与数据处理及输出系统1相连接；接收光学系统8的信号接收范围处于激光二极管4发射激光的回波信号范围内，接收光学系统8与光电探测系统9相连接，光电探测系统9与数据处理及输出系统1相连接；数据处理及输出系统1根据摄像头6采集到的目标视场的二维图像信息以及结合接收光学系统8接收的激光的回波信号和MEMS微振镜7反馈的对激光的偏转角度，计算得到相匹配的目标视场的环境点云数据和二维图像信息。
在该实施例中，利用激光雷达和摄像头6通过MEMS微振镜7扫描的方式来获取目标环境二维信息，通过激光雷达来获取目标环境的三维信息，通过数据融合比对可增加目标环境的信息丰富程度，提高了目标环境感知的可靠性；利用摄像头6加MEMS微振镜7扫描的方案有效增加了目标环境视场的二维信息采集范围，从而极大丰富了目标环境的信息采集，以保证目标环境信息采集的可靠性和高效性。
在上述实施例中，优选地，激光二极管4采用至少两组不同波长的激光二极管，激光发射测时系统3按照预设条件驱动不同波长的激光二极管4，以发出不同波长的激光，采用了多个不同波长的激光发射单元，可针对不同距离和不同扫描视场进行三维信息采集。
如图3所示，在上述实施例中，优选地，采用两组波长分别为1550nm和905nm的激光二极管4，1550nm的激光二极管4作为高功率发射器，小角度入射经MEMS微振镜7反射扫描后形成远场窄视场扫描区，905nm的激光二极管4作为低功率发射器，大角度入射经MEMS微振镜7反射扫描后形成近场大视场扫描区。
在该实施例中，两组不同波长的激光二极管4结合，双波长不同功率的激光发射单元可针对不同距离和不同扫描视场进行三维信息采集。其中，激光二极管Ⅰ41的波长为1550nm，大大超过可见光的波长范围而对人眼更加安全，其功率可大幅度提升，因此将其作为高功率发射器，由于其入射角度较小，经MEMS微振镜7反射扫描后形成远场窄视场扫描区；激光二极管Ⅱ42的波长为905nm，它比较接近可见光的波长而损害人眼，其功率受到严格限制而成本较低，因此将其作为低功率发射器，由于其入射角度较大经MEMS微振镜7反射扫描后形成近场大视场扫描区。
在上述实施例中，优选地，基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置还包括三棱镜10，激光二极管4发射的激光通过三棱镜10到达MEMS微振镜7。具体地，多组激光二极管4平行设置使得出射激光平行入射至三棱镜10，通过相对位置和相对角度的调整，从而快速调整系统光路。
在上述实施例中，优选地，接收光学系统8镀设有针对1550nm波长和905nm波长的增透膜(图中未示出)，以保证回波信号的准确接收。在其他实施例中选用不同波长的激光二极管4时，则选用对应波长的增透膜。
本发明还提出一种基于融合传感器的多视场目标环境信息采集方法，应用于上述实施例的基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置，包括：通过激光发射测时系统3向激光二极管4发出出光信号，以控制激光二极管4发射激光，并触发同步信号给MEMS微振镜7；在接收同步触发信号后，控制系统对MEMS微振镜7进行扫描参数设置，此时激光经过MEMS微振镜7进入目标环境扫描，并经目标反射至接收光学系统8，接收光学系统8将回波信号通过光电探测系统9进行放大处理后反馈至数据处理及输出系统1；数据处理及输出系统1采集MEMS微振镜7反馈的激光偏转角度，并结合回波信号计算出目标距离，并将当前目标距离转换为空间坐标点；通过图像采集处理系统控制摄像头6采集通过MEMS微振镜7扫描得到的目标视场的二维图像，得到不同时刻采集的不同范围视场图像；改变MEMS微振镜7的偏转角度以将发射的激光扫描区域和二维图像扫描区域遍历整个目标视场；将目标环境的空间坐标点转换得到的雷达点云数据和二维图像信息进行融合匹配并输出。
如图3所示，在上述实施例中，优选地，激光发射测时系统3驱动波长分别为1550nm和905nm的激光二极管4；1550nm的激光二极管4作为高功率发射器，小角度入射经MEMS微振镜7反射扫描后形成远场窄视场扫描区，905nm的激光二极管4作为低功率发射器，大角度入射经MEMS微振镜7反射扫描后形成近场大视场扫描区。其中，激光发射测试系统包括激光二极管4驱动电路和激光发射测试电路，激光二极管4驱动电路可根据实际需求驱动不同的激光二极管4，所述的激光二极管4包括不同的波长和功率，以满足不同视场扫描要求。
在上述实施例中，优选地，MEMS微振镜7包括微振镜镜片和微振镜驱动电路，微振镜驱动电路分别在微振镜镜片的X轴和Y轴加载预设幅值和频率的正弦信号或锯齿波信号；微振镜驱动电路将针对微振镜镜片的加载信号发送至数据处理及输出系统1，以反馈MEMS微振镜7的偏转角度。
优选地，在MEMS微振镜7的X轴和Y轴加载正弦信号，设定相应的扫描幅度和扫描频率，则激光二极管4在经过MEMS微振镜7后可在目标环境完成李萨如空间轨迹扫描。
在上述实施例中，优选地，根据同步信号、回波信号和激光偏转角度计算得到目标视场的目标距离，并转换形成空间三维坐标的雷达点云数据；通过扩束准直系统经MEMS微振镜7对摄像头6进行扫描视场切换，并将摄像头6采集到的二维图像信息进行拼接处理，得到整个目标视场的二维图像信息。
具体地，接收光学系统8为大视场光学系统，其针对特定的激光波长镀设增透膜，以保证回波信号准确接收，光电探测系统9针对回波信号进行高效探测，在对回波信号进行放大处理后，反馈给数据处理及输出系统1和激光发射测时系统3。通过系统辅助控制及通信系统2控制激光二极管4不断出光，激光发射二极管通过扫描系统发射角度不停改变，最终遍历整个目标视场完成扫描采集。数据处理及输出系统1针对激光测时电路反馈的激光飞行时间和MEMS微振镜7当前反馈的偏转角度，对数据进行处理，转换为目标环境中目标物的距离，并转换为以采集装置为中心点的空间三维坐标。
具体地，图像采集处理系统可对摄像头6的采集频率和图像质量等有关参数进行设置，以控制摄像头6进行目标视场二维图像信息采集，通过扩束准直系统经MEMS微振镜7进行视场扫描切换，得到不同时刻采集的不同范围视场图像，图像采集处理系统对所需的图像信息进行拼接处理可得到大视场目标环境二维图像信息。
其中，系统辅助控制及通信系统2主要实现系统工作模式切换、系统工作状态监控和系统供电控制、信号传输控制等功能。根据实际工作模式要求，对激光二极管4和摄像头6进行选择切换以进行不同目标环境视场的信息采集。
在上述实施例中，优选地，数据处理及输出系统1利用数据融合比对算法，对雷达点云数据和二维图像信息进行比对分析，并将目标视场的雷达点云数据和二维图像信息匹配输出，增加了目标环境的信息丰富程度，提高了目标环境感知的可靠性。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置，其特征在于，包括：数据处理及输出系统、系统辅助控制及通信系统、激光发射测时系统、激光二极管、图像控制采集处理系统、摄像头、MEMS微振镜、接收光学系统和光电探测系统；
所述数据处理及输出系统通过所述系统辅助控制及通信系统分别与所述激光发射测时系统和所述图像控制采集处理系统相连接，所述激光发射测时系统与所述激光二极管相连接，所述图像控制采集处理系统与所述摄像头相连接；
所述MEMS微振镜的镜面处于所述激光二极管的输出光路和所述摄像头的接收光路的角度范围，所述MEMS微振镜与所述数据处理及输出系统相连接；
所述接收光学系统的信号接收范围处于所述激光二极管发射激光的回波信号范围内，所述接收光学系统与所述光电探测系统相连接，所述光电探测系统与所述数据处理及输出系统相连接；
所述数据处理及输出系统根据所述摄像头采集到的目标视场的二维图像信息以及结合所述接收光学系统接收的激光的回波信号和所述MEMS微振镜反馈的对激光的偏转角度，计算得到相匹配的目标视场的环境点云数据和二维图像信息。
2.根据权利要求1所述的基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置，其特征在于，所述激光二极管采用至少两组不同波长的激光二极管，所述激光发射测时系统按照预设条件驱动不同波长的激光二极管，以发出不同波长的激光。
3.根据权利要求2所述的基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置，其特征在于，采用两组波长分别为1550nm和905nm的激光二极管，
1550nm的激光二极管作为高功率发射器，小角度入射经所述MEMS微振镜反射扫描后形成远场窄视场扫描区，
905nm的激光二极管作为低功率发射器，大角度入射经所述MEMS微振镜反射扫描后形成近场大视场扫描区。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置，其特征在于，还包括三棱镜，所述激光二极管发射的激光通过所述三棱镜到达所述MEMS微振镜。
5.根据权利要求3所述的基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置，其特征在于，所述接收光学系统镀设有针对1550nm波长和905nm波长的增透膜。
6.一种基于融合传感器的多视场目标环境信息采集方法，应用于如权利要求1所述的基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置，其特征在于，包括：
通过激光发射测时系统向激光二极管发出出光信号，以控制所述激光二极管发射激光，并触发同步信号给MEMS微振镜；
激光经过所述MEMS微振镜进入目标环境扫描，并经目标反射至接收光学系统，所述接收光学系统将回波信号通过光电探测系统进行放大处理后反馈至数据处理及输出系统；
所述数据处理及输出系统采集所述MEMS微振镜反馈的激光偏转角度，并结合所述回波信号计算出目标距离，并将当前目标距离转换为空间坐标点；
通过图像采集处理系统控制摄像头采集通过所述MEMS微振镜扫描得到的目标视场的二维图像；
改变所述MEMS微振镜的偏转角度以将发射的激光扫描区域和二维图像扫描区域遍历整个目标视场；
将目标环境的所述空间坐标点转换得到的雷达点云数据和所述二维图像信息进行融合匹配并输出。
7.根据权利要求6所述的基于融合传感器的多视场目标环境信息采集方法，其特征在于，所述激光发射测时系统驱动波长分别为1550nm和905nm的所述激光二极管；
1550nm的激光二极管作为高功率发射器，小角度入射经所述MEMS微振镜反射扫描后形成远场窄视场扫描区，
905nm的激光二极管作为低功率发射器，大角度入射经所述MEMS微振镜反射扫描后形成近场大视场扫描区。
8.根据权利要求6所述的基于融合传感器的多视场目标环境信息采集方法，其特征在于，所述MEMS微振镜包括微振镜镜片和微振镜驱动电路，所述微振镜驱动电路分别在所述微振镜镜片的X轴和Y轴加载预设幅值和频率的正弦信号或锯齿波信号；
所述微振镜驱动电路将针对所述微振镜镜片的加载信号发送至所述数据处理及输出系统，以反馈所述MEMS微振镜的偏转角度。
9.根据权利要求6所述的基于融合传感器的多视场目标环境信息采集方法，其特征在于，根据所述同步信号、所述回波信号和所述激光偏转角度计算得到目标视场的目标距离，并转换形成空间三维坐标的所述雷达点云数据；
通过扩束准直系统经所述MEMS微振镜对所述摄像头进行扫描视场切换，并将所述摄像头采集到的所述二维图像信息进行拼接处理，得到整个目标视场的二维图像信息。
10.根据权利要求6所述的基于融合传感器的多视场目标环境信息采集方法，其特征在于，利用数据融合比对算法，对所述雷达点云数据和所述二维图像信息进行比对分析，并将目标视场的雷达点云数据和二维图像信息匹配输出。
CN202010049656.8A 2020-01-16 2020-01-16 基于融合传感器的多视场目标环境信息采集装置和方法 Pending CN111239760A (zh)

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