一种基于激光扫描的水面检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于激光扫描的水面检测方法，涉及机器人领域。激光扫描仪以较小的水平倾角α对前方进行3D激光扫描，在激光扫描仪的探测距离范围内，水面的反射率低于28%，而地面的反射率均显著大于28%且不存在镜面反射现象。同时，如果在激光扫描仪的探测距离范围内存在水边直立物，则激光束被水面镜面反射发生转向而照射到水边直立物表面，并在水边直立物表面发生漫反射而使部分能量被激光扫描仪，则3D激光扫描会同时得到形状一致但距离不同的水边直立物的真实图像和水面镜像后的虚拟图像，由此可对水边直立物做出判断，进而判断出水面边缘。本发明简便快速，可用于在室外任意光照条件下的对水面与周围环境进行准确区分，实现水面检测。
【专利说明】一种基于激光扫描的水面检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人领域，特别涉及一种基于激光扫描的水面检测方法。
【背景技术】
[0002]对移动机器人而言，对河流、湖泊、池塘等水体危害的检测是室外特别是野外导航的关键课题。现有水面检测方法主要基于视觉的颜色特征进行水面与周围环境的区分，但是该方法存在两大致命缺陷。首先水面对周围环境与天空的倒影，使视觉所获取的图像中水体与环境间混杂而难以提取水面的单一特征；其次是在夜间等低光照环境下视觉检测方法失效，无法适应移动机器人室外自主作业的实际需要。少数研究(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.)利用近红外成像或热成像技术进行水体检测，但其受到环境与时间等条件的强烈约束，同时检测速度难以达到移动机器人实时导航的要求。

【发明内容】

[0003]本发明的目的在于提供一种基于激光扫描的水面检测方法，可以在室外任意光照条件下的对水面与周围环境进行准确区分，实现水面检测。
[0004]为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案包括以下步骤:
步骤一，移动机器人(6)在室外行进时,安装于移动机器人(6)上方或前方的激光扫描仪(I)对前方进行3D激光扫描，并获得前方环境的反射率(9)、坐标(10)和距离(11)信息；步骤二，将前方环境的反射率(9)和坐标(10)信息结合，得到前方环境的反射率图
(12);将前方环境的坐标(10)和距离(11)信息结合，得到前方环境的深度图(13)；
步骤三，如果前方环境的反射率(6)不超过28%，则判定所述前方环境区域为水面(3)；步骤四，如果前方环境的反射率(6)超过28%，且深度图(13)中同时出现水边直立物
(2)的真实图像(14)和虚拟图像(15)，则判定所述前方环境区域为水面边缘(8)；
步骤五，如果前方环境的反射率(6)超过28%，且深度图(13)中未出现水边直立物(2)的虚拟图像(15)，则判定所述前方环境区域为地面(7)。
[0005]将反射率图(12)、深度图(13)和水面(3)、水面边缘(8)和地面(7)判断结果相结合，得到水面(3)与地面(7)的轮廓图，辅助移动机器人(6)做出行进决策。
[0006]所述激光扫描仪(I)以水平倾角a对前方进行3D激光扫描，使移动机器人(6)能提前感知几米外的水面，以提前做出行走的决策。水平倾角σ的具体值设定与激光扫描仪
(I)在移动机器人(6)上的安装高度"和安全距离S有关，O=Src tan(/7/S)。
[0007]所述的水边直立物(2)为树木、建筑、山体中的任一种；所述水体为河流、湖泊、池塘中任一种。
[0008]所述的地面(7)为草地、干沙地面、干土地面、水泥地面、粗石板地面中的任一种。[0009]本发明的工作原理如下:激光扫描是基于激光束飞行原理而实现环境的探测，不受光照条件的影响。当移动机器人(6)在室外行进时，激光扫描仪(I)以较小的水平倾角a对前方进行3D激光扫描，在激光扫描仪(I)的探测距离范围内，水面(3)的反射率(9)低于28%，而地面(7 )的反射率(9 )均显著大于28%且不存在镜面反射现象。同时，如果在激光扫描仪(I)的探测距离范围内存在水边直立物(2)，则激光束被水面(3)镜面反射发生转向而照射到水边直立物(2)表面，并在水边直立物(2)表面发生漫反射而使部分能量被激光扫描仪(I )，则3D激光扫描会同时得到水边直立物(2)的真实图像(14)和水面镜像后的虚拟图像(15)，水边直立物(2)的真实图像(14)和虚拟图像(15)距离不同但具有相同形状，由此可对水边直立物(2 )做出判断，进而判断出水面边缘(8 )。
[0010]本发明具有有益效果。本发明通过激光扫描的反射率对水体和地面做出区分，进而通过激光扫描同时获得的真实图像和虚拟图像对水边直立物进行辨识，从而解决了水面倒影对检测造成干扰的关键难题，简便快速，同时适用于任何光照条件下。
【专利附图】

【附图说明】
[0011]图1为本发明的水面检测原理。
[0012]图2为本发明的水面检测俯视示意图。
[0013]图3为本发明的水面检测流程。
[0014]图4为水平倾角a的设定值几何关系示意图。
[0015]图中:1.激光扫描仪，2.水边直立物，3.水面，4.水体，5.水底，6.移动机器人，
7.地面，8.水面边缘，9.反射率，10.坐标，11.距离，12.反射率图，13.深度图，14.真实图像,15.虚拟图像。
【具体实施方式】
[0016]下面结合和【具体实施方式】，对本发明的技术方案做进一步详细说明。
[0017]本实施例中水边直立物为树木，水体为池塘，地面为硬土地面。
[0018]激光扫描是基于激光束飞行原理而实现环境的探测，不受光照条件的影响。激光扫描仪I安装于移动机器人6上方或前方。如图1所示，移动机器人6为探测前方的路面状况并做出行进决策，激光扫描仪I发出的入射激光束&以较小的水平倾角a入射到前方池塘的水面3上。入射激光束&在水面3同时发生漫反射、折射和镜面反射三种光学现象:
(1)通过漫反射返回并被激光扫描仪I接收的反射激光束&携带池塘水面3的反射率
9、坐标10和距离11信息；
(2)在池塘4较深或较浑浊的情况下，通过折射进入池塘4内的折射激光束&的能量将被池塘4吸收；在池塘4较浅且较清澈的情况下，通过折射进入池塘4内的折射激光束bb的能量将碰到池塘水底5，并在池塘水底5发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继续发生漫反射、折射和镜面反射三种光学现象，如此往复，折射进入池塘4内的折射激光束&仅极少能量可能返回并被激光扫描仪I接收。
[0019](3)通过镜面反射的转向激光束之，如果在能量耗散距离内碰到树木2，则在树木表面发生漫反射而使部分能量被激光扫描仪I接收，被激光扫描仪I所接收的转向反射激光束携带树木2镜像后的反射率9、坐标10和距离11信息，此镜像后的反射率9、坐标10和距离11信息与树木2的真实反射率9、坐标10和距离11不同。[0020]如图2所示，当移动机器人6在室外行进时，激光扫描仪I以较小的水平倾角a，如图4所示，水平倾角a的具体值设定与激光扫描仪I在移动机器人6上的安装高度//和安全距离S有关，o^arc tanOY/幻。本实施例中，安全距离S设定为1.5m，安装高度"为400mm, a为14.9°，对前方进行3D激光扫描，在激光扫描仪I的探测距离范围内，池塘水面3的反射率9低于28%，而水泥地面的反射率9显著超过28%且不存在镜面反射现象。同时，如果在激光扫描仪I的探测距离范围内存在树木2，则3D激光扫描会同时得到树木2的真实图像14和池塘水面镜像后的虚拟图像15，树木2的真实图像14和虚拟图像15距离不同但具有相同形状，由此可对树木2做出判断，进而判断出池塘水面边缘8。
[0021]如图2和图3所示，基于激光扫描的水体检测过程如下:
(1)移动机器人6在室外行进时,安装于移动机器人上方或前方的激光扫描仪I以较小的水平倾角a =14.9°对前方进行3D激光扫描，并获得前方环境的反射率9、坐标10和距离11信息；
(2)将前方环境的反射率9和坐标10信息结合，得到前方环境的反射率图12;将前方环境的坐标10和距离11信息结合，得到前方环境的深度图13 ；
(3)当前方环境的反射率6不超过28%时，识别前方环境区域为池塘水面3；
(4)当前方环境的反射率6超过28%、且深度图13中同时出现树木2的真实图像14和虚拟图像15时，识别前方环境区域为水面边缘8 ;
(5)当前方环境的反射率6超过28%、且深度图13中未出现树木2的虚拟图像15时，识别前方环境区域为地面7 ；
(6)将反射率图12、深度图13和水面3、池塘水面边缘8和地面7判断结果相结合，得到池塘水面3与地面7的轮廓图，辅助移动机器人6做出行进决策。
【权利要求】
1.一种基于激光扫描的水面检测方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一，移动机器人(6)在室外行进时,安装于移动机器人(6)上方或前方的激光扫描仪(I)对前方进行3D激光扫描，并获得前方环境的反射率(9)、坐标(10)和距离(11)信息； 步骤二，将前方环境的反射率(9)和坐标(10)信息结合，得到前方环境的反射率图(12);将前方环境的坐标(10)和距离(11)信息结合，得到前方环境的深度图(13)； 步骤三，如果前方环境的反射率(6)不超过28%，则判定所述前方环境区域为水面(3)； 步骤四，如果前方环境的反射率(6)超过28%，且深度图(13)中同时出现水边直立物(2)的真实图像(14)和虚拟图像(15)，则判定所述前方环境区域为水面边缘(8); 步骤五，如果前方环境的反射率(6)超过28%，且深度图(13)中未出现水边直立物(2)的虚拟图像(15)，则判定所述前方环境区域为地面(7)。
2.如权利要求1所述的一种基于激光扫描的水面检测方法，其特征在于:所述激光扫描仪(I)以水平倾角a对前方进行3D激光扫描，使移动机器人(6)能提前感知几米外的水面，以提前做出行走的决策；水平倾角a的具体值设定与激光扫描仪(I)在移动机器人(6)上的安装高度"和安全距离S有关，o^arc tan 07/5.)。
3.如权利要求1所述的一种基于激光扫描的水面检测方法，其特征在于:所述的水边直立物(2)为树木、建筑、山体中的任一种；所述水体为河流、湖泊、池塘中任一种。
4.如权利要求1所述的一种基于激光扫描的水面检测方法，其特征在于:所述的地面(7)为草地、干沙地面、干土地`面、水泥地面、粗石板地面中的任一种。
【文档编号】G01F23/292GK103512636SQ201310505384
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】刘继展, 席宁, 贾允毅 申请人:江苏大学