基于激光传感器的小空间感兴趣目标检测

陆小锋 许思源 许皓然 赵翼龙

（1.上海大学 上海市 200444 2.蒙特沃德高中(上海) 上海市 200940 3.康门威尔斯学校(上海) 上海市 200120）

1 引言

随着科学技术的不断发展，我们对物体距离的测量领域有了更高的要求，传统的测量方式渐渐无法满足人们的需求，自二十世纪六十年代第一台激光器——红宝石激光器发明以来，激光开始成为测距领域的研究热点，激光测距技术与传统测距技术相比有着更高的测量精度。激光测距通过激光这一载体，由激光发射器发射激光，到达物体表面后进行反射，再由激光接收器接受返回的激光信号，在光速不变的前提下，即可测得目标物体的距离。根据其工作方式的不同，激光测距技术大体上分为飞行时间测距技术和非飞行时间测距技术，其中飞行时间测距技术又包括相位激光测距技术和脉冲激光测距技术，而非飞行时间激光测距技术主要有三角测距技术、干涉测距技术、光子计数测距技术等[1]。激光传感器具有体积小、重量轻、灵活性高等优势，基于这些优势，激光传感器在国防军事、航空航天、医学卫生等领域都有着非常广泛的应用，在科学研究、国防建设、日常生活中具有重要的意义。

从国外发展来看，西方国家针对激光测距的多种应用领域开发了用途不同的激光测距系统：单光束激光测距系统用于测量距离；二维激光扫描式测距系统用于扫描平面；三维测距系统用于对物体空间定位和扫描轮廓等。近年来，随着激光测距技术与智慧城市、智慧交通理念的发展与融合，各大公司开始研制车载激光传感器，用于无人驾驶等领域，其中美国Velodyne 公司研制的车载激光传感系统因其优异的性能和极高的精度，成为当今无人驾驶领域的标准[2]。目前国外激光测距器的主要品牌有美国博士能测距器、里奥波特测距器、纽康测距器，日本尼康测距器，德国莱卡测距器等。

从国内发展来看，国内激光测距器的研究开始于二十世纪七十年代，武汉地震大队与北京光学仪器厂合作研制出本我文国第一台以氦氖气体作光源的JCY-1 型精密气体激光测距器，之后又相继研发了JCY-2、DC-30JG、DCS-1 型氦氖激光测距器[1]。随着国内无人驾驶行业和国际浪潮井喷发展，国内也涌现出几家激光雷达和激光传感器厂家。其中以速腾聚创、北科天绘、镭神智能、思岚科技、禾赛科技等创业公司为代表的国产激光雷达产品逐渐获得市场认可[2]。

随着激光测距技术的不断发展，基于其具有结构简单、原理可靠、体积小、重量轻、精度高、抗干扰性能好等优势，将会更广泛的应用于军事，大气探测，陆地、海洋探测[3]，城市化和工业化进程[4]，医学研究、日常生活等各个领域。

图1：ToF 激光测距原理

图2：硬件结构图

图3：级联测距示意图

图4：硬件实物图

2 TOFSense激光传感器技术原理

2.1 激光测距技术

激光测距总体上是激光器经由光学零件向目标物体连续发射激光脉冲信号，并接收由目标物体返回的激光脉冲信号，在光电器件的作用下转变为电脉冲信号，经过运算得到目标物体的距离信息的一种探测技术。目前主流的激光雷达和激光传感器使用的原理主要集中于非飞行时间激光测距的三角测距原理[5]和ToF（Time of Flight，飞行时间）原理。

ToF 是一种利用光飞行时间的光学测距方式，其主要原理如图1所示。

如图1所示，光速c 为常量，计时器负责记录开始发射激光时刻t1和接收到返回激光时刻t2，这两个时刻的差值即为光飞行的时间，根据公式（1）即可计算出目标物体的距离l:

式中l 是目标物体距激光传感器距离；c 是光速；t1是激光脉冲发射时刻；t2是接收到激光脉冲时刻。

ToF 激光传感器具有体积小、重量轻、灵活性好、抗干扰性能强等优势，被广泛应用于生产生活、医疗卫生、国防科技、航空航天等领域，本课题使用的TOFSense 激光传感器就是一种基于ToF原理的激光传感器。

2.2 TOFSense激光传感器功能

TOFSense激光传感器是一款基于ToF技术的激光测距传感器，使用940mm 激光，测距范围为1cm～5m，距离分辨率为1mm，典型测距精度±1.5cm，数据更新频率为10Hz，可调FOV（视场角）15°～27°，支持UART 与CAN 通信且共用接口，支持主动输出与查询输出数据，支持多传感器级联测距。

2.3 TOFSense激光传感器数据传输协议

TOFSense 激光传感器数据通信格式遵循NLink 协议。Protocol（协议帧）由Frame Header（帧头）、Function Mark（功能字）、Data（数据）、Sum Check（校验和）组成。其中Frame Header、Function Mark 为固定不变的数值；Data 为传输的数据内容；Sum Check为Frame Header、Function Mark、Data相加求和后的最低字节。

3 感兴趣目标检测软硬件实现

3.1 硬件构成

系统的硬件由三部分构成。

第一部分是模拟的微小密闭空间，本系统采用大小为20cm*12cm*11cm 的纸盒模拟实际应用场景下的微小密闭空间，在纸盒顶部距两侧面6cm处中央各开一个大小为1.2cm*2.5cm的小口，同时，在纸盒正面与顶部小口同一平面处，距顶面和底面3cm 处再开几个小口，总计6 个小口，用于安装TOFSense 激光传感器的激光器部分，在未安放激光器的侧面再开一个稍小的口，用于插入待测量的感兴趣目标物体。硬件概念图如图2所示。

图5：目标1 测试实物图

图6：目标1 测试距离波形图

图7：目标2 测试实物图

图8：目标2 测试距离波形图

第二部分是6 个TOFSense 激光传感器，将它们固定在纸盒开好小口的地方。采用的激光传感器是扇面形辐射传感器，单个传感器无法覆盖密闭空间内其所在平面的全部范围，因此构成同一平面的三个激光传感器为一组，使用转接线串接起来，三个传感器的辐射扇面交织成为整个探测平面，当有物体从任意位置经过该平面时都能被激光传感器准确检测到。基于该设计原理，构建出多个传感器模块的级联测距系统，连接示意图如图3所示。

第三部分为2 个TTL 串口转USB 模块，分别与2 组级联测距传感器相连，并接到上位机，用于激光传感器的参数配置和数据传输。

连接完成后实物图如图4所示。

我国无人驾驶汽车的研制也始于上个世纪八十年代，1989年国防科技大学首先研制出第一辆智能小车，“1992年，国防科技大学、北京理工大学等著名大学研制成功了由中型面包车增加配备计算机、控制系统和传感器改装而成的我国第一辆真正意义上能够自主行驶的测试样车(ATB-1)”[3]。

当待测感兴趣目标物体通过侧面小口进入系统后，会依次触碰到两组级联测距传感器构成的探测平面，此时即可获得该目标物体盒长方向的距离信息，同时，在级联测距传感器构成的平面内，顶部传感器可以测量目标物体的高度信息，正面传感器可以测量目标物体的水平信息，将目标物体三个方向的距离信息结合即可定位目标物体。

3.2 软件实现

算法在Visual Studio 2019 平台上开发，使用C++语言进行编写，使用QT 软件进行可视化界面设计和数据显示。数据采集采用UART 串口传输数据，将三个激光传感器级联后通过串口转USB模块接到上位机系统。在实际操作过程中，由于难以实现同时使用一个串口读写数据，因此本方案采用主动输出模式，即由激光传感器模块以频率为10Hz 主动输出测量数据帧。结果表明，模块在级联后通过主动输出模式输出的数据帧中包含配置的ID 信息，然后根据ID 信息分辨该数据帧来源自哪个传感器。

完成数据采集后需要对数据进行相关处理，包括有效帧的判断、数据格式转换以及降低数据波动等。

首先是对帧格式的判断，接收到data 字符串后，判断data 字符串长度为16 字节，根据数据帧NLink_TOFSense_Frame0 协议，Frame Header（帧头）为0x57，Function Mark（功能字）为0x00，且Sum Check（校验和）等于前15 位数据相加求和后的最低字节的data 字符串为有效帧，此时data 字符串的第四位为激光传感器的ID 标识，第七至第九位为当前测量物体的距离信息。

实验发现，TOFSense 激光传感器测量获得的距离信息会不稳定，波动明显，针对这一问题，本文采用了将一段时间内的距离信息取平均值的方式来降低数据的波动程度，且只有当距离参数相差小于等于2mm 时才会进行取平均值的操作，这样在距离数据产生较大程度变换时（即感兴趣目标物体插入时），距离数据将不再进行取平均值的操作，只有当距离数据相对稳定后才会继续进行取平均值的操作。

在完成数据采集与数据处理后，第三部分是显示处理后的数据。在本系统中，使用QT 软件进行可视化界面设计，分别显示界面优化后的三个激光传感器的测试距离数据。

4 实验结果与分析

本课题设计对形状和大小不同的物体进行了在模拟密闭空间内的目标检测实验，以测试本系统的实际效果。实验共设置了两组，分别是大小和直径不同的柱状目标物体，通过对测试结果的横向对比，验证该系统在不同类型待测目标物体进入后的距离检测效果。

距离波形图显示，物体位于1 号传感器和2 号传感器测试的范围内，由于测试采用手持方式，受手部抖动影响较大，本物体测试距离结果大约是是，距1 号传感器4cm，距2 号传感器5.3cm，与物体实际距离误差为0.5cm。

测试二：对直径约0.5cm 的筷子进行了测试。实物图如图7所示，系统界面距离波形图如图8所示。

距离波形图显示，本物体测试过程中位于1 号传感器和3 号传感器所形成的平面内，距1 号传感器8.4cm，距3 号传感器5.5cm，与物体实际距离误差为0.5cm。

通过上述测试，本系统对微小密闭空间内感兴趣目标物体的测试效果良好，与物体实际距离误差均在0.5cm 以内，测试显示，本系统对较大目标的测量效果更加明显，对较小目标的测量主要受物体是否稳定的影响较大，本系统适合于测量微小密闭空间内较稳定物体的距离信息，同时可以依靠改变激光传感器放置位置来实现对感兴趣目标物体更精确的定位。

5 总结与展望

本课题设计的实验系统实现了对感兴趣目标物体的检测与定位，在实验过程中，首先对激光传感器可检测的最小物体尺寸进行了研究，当可测量物体正对着激光传感器发射口时，该激光传感器最小可以检测到直径1mm 的金属棒，而当物体偏离激光传感器发射口时，需要保证物体直径大于1cm 才可以稳定检测到。同时实验发现，改变激光传感器的视场角可以改变该激光传感器的测量精度。延伸探究了室内外光照差异对该激光传感器的探测能力的影响，当在室外强光下，测量的有效距离变短、精度变差、波动幅度变大，但在极近距离下的测距效果依然良好，能准确的测量极近场景中的物体；探究了测量物体的颜色对该激光传感器的探测能力的影响，发现该激光传感器对深色目标的探测精度远高于浅色目标，而对于透明目标则几乎无法探测。

本课题的主要目标是实现在微小密闭空间内对感兴趣目标的检测与定位，希望能应用于医疗健康领域的针体检测，并能在虚拟平台上准确反映微小物体的位置。该激光测距技术，对很多需要置于微小密闭环境下完成精准定位的应用需求，具有重要参考价值。