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一種基于激光掃描的水面檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于激光掃描的水面檢測方法，涉及機(jī)器人領(lǐng)域。激光掃描儀以較小的水平傾角α對前方進(jìn)行3D激光掃描，在激光掃描儀的探測距離范圍內(nèi)，水面的反射率低于28%，而地面的反射率均顯著大于28%且不存在鏡面反射現(xiàn)象。同時，如果在激光掃描儀的探測距離范圍內(nèi)存在水邊直立物，則激光束被水面鏡面反射發(fā)生轉(zhuǎn)向而照射到水邊直立物表面，并在水邊直立物表面發(fā)生漫反射而使部分能量被激光掃描儀，則3D激光掃描會同時得到形狀一致但距離不同的水邊直立物的真實圖像和水面鏡像后的虛擬圖像，由此可對水邊直立物做出判斷，進(jìn)而判斷出水面邊緣。本發(fā)明簡便快速，可用于在室外任意光照條件下的對水面與周圍環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分，實現(xiàn)水面檢測。
【專利說明】一種基于激光掃描的水面檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種基于激光掃描的水面檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對移動機(jī)器人而言，對河流、湖泊、池塘等水體危害的檢測是室外特別是野外導(dǎo)航的關(guān)鍵課題?，F(xiàn)有水面檢測方法主要基于視覺的顏色特征進(jìn)行水面與周圍環(huán)境的區(qū)分，但是該方法存在兩大致命缺陷。首先水面對周圍環(huán)境與天空的倒影，使視覺所獲取的圖像中水體與環(huán)境間混雜而難以提取水面的單一特征；其次是在夜間等低光照環(huán)境下視覺檢測方法失效，無法適應(yīng)移動機(jī)器人室外自主作業(yè)的實際需要。少數(shù)研究(LMatthies，P.Bellutta and M.McHenry.Detecting water hazards for autonomous offroad navigation.1n Proceedingsof SPIE Conference 5083:Unmanned Ground Vehicle Technology V, 2003:231.)利用近紅外成像或熱成像技術(shù)進(jìn)行水體檢測，但其受到環(huán)境與時間等條件的強(qiáng)烈約束，同時檢測速度難以達(dá)到移動機(jī)器人實時導(dǎo)航的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光掃描的水面檢測方法，可以在室外任意光照條件下的對水面與周圍環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分，實現(xiàn)水面檢測。
[0004]為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案包括以下步驟:
步驟一，移動機(jī)器人(6)在室外行進(jìn)時,安裝于移動機(jī)器人(6)上方或前方的激光掃描儀(I)對前方進(jìn)行3D激光掃描，并獲得前方環(huán)境的反射率(9)、坐標(biāo)(10)和距離(11)信息；步驟二，將前方環(huán)境的反射率(9)和坐標(biāo)(10)信息結(jié)合，得到前方環(huán)境的反射率圖
(12);將前方環(huán)境的坐標(biāo)(10)和距離(11)信息結(jié)合，得到前方環(huán)境的深度圖(13)；
步驟三，如果前方環(huán)境的反射率(6)不超過28%，則判定所述前方環(huán)境區(qū)域為水面(3)；步驟四，如果前方環(huán)境的反射率(6)超過28%，且深度圖(13)中同時出現(xiàn)水邊直立物
(2)的真實圖像(14)和虛擬圖像(15)，則判定所述前方環(huán)境區(qū)域為水面邊緣(8)；
步驟五，如果前方環(huán)境的反射率(6)超過28%，且深度圖(13)中未出現(xiàn)水邊直立物(2)的虛擬圖像(15)，則判定所述前方環(huán)境區(qū)域為地面(7)。
[0005]將反射率圖(12)、深度圖(13)和水面(3)、水面邊緣(8)和地面(7)判斷結(jié)果相結(jié)合，得到水面(3)與地面(7)的輪廓圖，輔助移動機(jī)器人(6)做出行進(jìn)決策。
[0006]所述激光掃描儀(I)以水平傾角a對前方進(jìn)行3D激光掃描，使移動機(jī)器人(6)能提前感知幾米外的水面，以提前做出行走的決策。水平傾角σ的具體值設(shè)定與激光掃描儀
(I)在移動機(jī)器人(6)上的安裝高度"和安全距離S有關(guān)，O=Src tan(/7/S)。
[0007]所述的水邊直立物(2)為樹木、建筑、山體中的任一種；所述水體為河流、湖泊、池塘中任一種。
[0008]所述的地面(7)為草地、干沙地面、干土地面、水泥地面、粗石板地面中的任一種。[0009]本發(fā)明的工作原理如下:激光掃描是基于激光束飛行原理而實現(xiàn)環(huán)境的探測，不受光照條件的影響。當(dāng)移動機(jī)器人(6)在室外行進(jìn)時，激光掃描儀(I)以較小的水平傾角a對前方進(jìn)行3D激光掃描，在激光掃描儀(I)的探測距離范圍內(nèi)，水面(3)的反射率(9)低于28%，而地面(7 )的反射率(9 )均顯著大于28%且不存在鏡面反射現(xiàn)象。同時，如果在激光掃描儀(I)的探測距離范圍內(nèi)存在水邊直立物(2)，則激光束被水面(3)鏡面反射發(fā)生轉(zhuǎn)向而照射到水邊直立物(2)表面，并在水邊直立物(2)表面發(fā)生漫反射而使部分能量被激光掃描儀(I )，則3D激光掃描會同時得到水邊直立物(2)的真實圖像(14)和水面鏡像后的虛擬圖像(15)，水邊直立物(2)的真實圖像(14)和虛擬圖像(15)距離不同但具有相同形狀，由此可對水邊直立物(2 )做出判斷，進(jìn)而判斷出水面邊緣(8 )。
[0010]本發(fā)明具有有益效果。本發(fā)明通過激光掃描的反射率對水體和地面做出區(qū)分，進(jìn)而通過激光掃描同時獲得的真實圖像和虛擬圖像對水邊直立物進(jìn)行辨識，從而解決了水面倒影對檢測造成干擾的關(guān)鍵難題，簡便快速，同時適用于任何光照條件下。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的水面檢測原理。
[0012]圖2為本發(fā)明的水面檢測俯視示意圖。
[0013]圖3為本發(fā)明的水面檢測流程。
[0014]圖4為水平傾角a的設(shè)定值幾何關(guān)系示意圖。
[0015]圖中:1.激光掃描儀，2.水邊直立物，3.水面，4.水體，5.水底，6.移動機(jī)器人，
7.地面，8.水面邊緣，9.反射率，10.坐標(biāo)，11.距離，12.反射率圖，13.深度圖，14.真實圖像,15.虛擬圖像。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合和【具體實施方式】，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0017]本實施例中水邊直立物為樹木，水體為池塘，地面為硬土地面。
[0018]激光掃描是基于激光束飛行原理而實現(xiàn)環(huán)境的探測，不受光照條件的影響。激光掃描儀I安裝于移動機(jī)器人6上方或前方。如圖1所示，移動機(jī)器人6為探測前方的路面狀況并做出行進(jìn)決策，激光掃描儀I發(fā)出的入射激光束&以較小的水平傾角a入射到前方池塘的水面3上。入射激光束&在水面3同時發(fā)生漫反射、折射和鏡面反射三種光學(xué)現(xiàn)象:
(1)通過漫反射返回并被激光掃描儀I接收的反射激光束&攜帶池塘水面3的反射率
9、坐標(biāo)10和距離11信息；
(2)在池塘4較深或較渾濁的情況下，通過折射進(jìn)入池塘4內(nèi)的折射激光束&的能量將被池塘4吸收；在池塘4較淺且較清澈的情況下，通過折射進(jìn)入池塘4內(nèi)的折射激光束bb的能量將碰到池塘水底5，并在池塘水底5發(fā)生漫反射而使部分激光束能量返回碰到水面3，并在水面3繼續(xù)發(fā)生漫反射、折射和鏡面反射三種光學(xué)現(xiàn)象，如此往復(fù)，折射進(jìn)入池塘4內(nèi)的折射激光束&僅極少能量可能返回并被激光掃描儀I接收。
[0019](3)通過鏡面反射的轉(zhuǎn)向激光束之，如果在能量耗散距離內(nèi)碰到樹木2，則在樹木表面發(fā)生漫反射而使部分能量被激光掃描儀I接收，被激光掃描儀I所接收的轉(zhuǎn)向反射激光束攜帶樹木2鏡像后的反射率9、坐標(biāo)10和距離11信息，此鏡像后的反射率9、坐標(biāo)10和距離11信息與樹木2的真實反射率9、坐標(biāo)10和距離11不同。[0020]如圖2所示，當(dāng)移動機(jī)器人6在室外行進(jìn)時，激光掃描儀I以較小的水平傾角a，如圖4所示，水平傾角a的具體值設(shè)定與激光掃描儀I在移動機(jī)器人6上的安裝高度//和安全距離S有關(guān)，o^arc tanOY/幻。本實施例中，安全距離S設(shè)定為1.5m，安裝高度"為400mm, a為14.9°，對前方進(jìn)行3D激光掃描，在激光掃描儀I的探測距離范圍內(nèi)，池塘水面3的反射率9低于28%，而水泥地面的反射率9顯著超過28%且不存在鏡面反射現(xiàn)象。同時，如果在激光掃描儀I的探測距離范圍內(nèi)存在樹木2，則3D激光掃描會同時得到樹木2的真實圖像14和池塘水面鏡像后的虛擬圖像15，樹木2的真實圖像14和虛擬圖像15距離不同但具有相同形狀，由此可對樹木2做出判斷，進(jìn)而判斷出池塘水面邊緣8。
[0021]如圖2和圖3所示，基于激光掃描的水體檢測過程如下:
(1)移動機(jī)器人6在室外行進(jìn)時,安裝于移動機(jī)器人上方或前方的激光掃描儀I以較小的水平傾角a =14.9°對前方進(jìn)行3D激光掃描，并獲得前方環(huán)境的反射率9、坐標(biāo)10和距離11信息；
(2)將前方環(huán)境的反射率9和坐標(biāo)10信息結(jié)合，得到前方環(huán)境的反射率圖12;將前方環(huán)境的坐標(biāo)10和距離11信息結(jié)合，得到前方環(huán)境的深度圖13 ；
(3)當(dāng)前方環(huán)境的反射率6不超過28%時，識別前方環(huán)境區(qū)域為池塘水面3；
(4)當(dāng)前方環(huán)境的反射率6超過28%、且深度圖13中同時出現(xiàn)樹木2的真實圖像14和虛擬圖像15時，識別前方環(huán)境區(qū)域為水面邊緣8 ;
(5)當(dāng)前方環(huán)境的反射率6超過28%、且深度圖13中未出現(xiàn)樹木2的虛擬圖像15時，識別前方環(huán)境區(qū)域為地面7 ；
(6)將反射率圖12、深度圖13和水面3、池塘水面邊緣8和地面7判斷結(jié)果相結(jié)合，得到池塘水面3與地面7的輪廓圖，輔助移動機(jī)器人6做出行進(jìn)決策。
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光掃描的水面檢測方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一，移動機(jī)器人(6)在室外行進(jìn)時,安裝于移動機(jī)器人(6)上方或前方的激光掃描儀(I)對前方進(jìn)行3D激光掃描，并獲得前方環(huán)境的反射率(9)、坐標(biāo)(10)和距離(11)信息； 步驟二，將前方環(huán)境的反射率(9)和坐標(biāo)(10)信息結(jié)合，得到前方環(huán)境的反射率圖(12);將前方環(huán)境的坐標(biāo)(10)和距離(11)信息結(jié)合，得到前方環(huán)境的深度圖(13)； 步驟三，如果前方環(huán)境的反射率(6)不超過28%，則判定所述前方環(huán)境區(qū)域為水面(3)； 步驟四，如果前方環(huán)境的反射率(6)超過28%，且深度圖(13)中同時出現(xiàn)水邊直立物(2)的真實圖像(14)和虛擬圖像(15)，則判定所述前方環(huán)境區(qū)域為水面邊緣(8); 步驟五，如果前方環(huán)境的反射率(6)超過28%，且深度圖(13)中未出現(xiàn)水邊直立物(2)的虛擬圖像(15)，則判定所述前方環(huán)境區(qū)域為地面(7)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于激光掃描的水面檢測方法，其特征在于:所述激光掃描儀(I)以水平傾角a對前方進(jìn)行3D激光掃描，使移動機(jī)器人(6)能提前感知幾米外的水面，以提前做出行走的決策；水平傾角a的具體值設(shè)定與激光掃描儀(I)在移動機(jī)器人(6)上的安裝高度"和安全距離S有關(guān)，o^arc tan 07/5.)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于激光掃描的水面檢測方法，其特征在于:所述的水邊直立物(2)為樹木、建筑、山體中的任一種；所述水體為河流、湖泊、池塘中任一種。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于激光掃描的水面檢測方法，其特征在于:所述的地面(7)為草地、干沙地面、干土地`面、水泥地面、粗石板地面中的任一種。
【文檔編號】G01F23/292GK103512636SQ201310505384
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】劉繼展, 席寧, 賈允毅 申請人:江蘇大學(xué)