大尺寸运动物体的激光扫描检测系统的研究与设计

发布时间：2017-09-20 01:08

  本文关键词：大尺寸运动物体的激光扫描检测系统的研究与设计

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【摘要】：随着民航机场信息化改革的需要,智能化飞机泊位系统取代人工引导方式成为大势所趋,基于民航机场的需求,针对现有飞机泊位引导系统的不足,本文提出结合图像识别法和激光扫描检测法,利用其优势互补的特点,实现高精度、高可靠性的飞机泊位引导系统,并详细介绍了该系统中激光扫描子系统的原理及设计方法。针对现有激光扫描仪的扫描范围和扫描速度的限制,本文提出采用双振镜结构实现激光扫描系统的方法,以满足对大尺寸移动物体的扫描要求。结合系统的应用场景,给出其总体设计方案,并完成了系统的理论分析、误差分析与校正、数据处理、系统软硬件设计等工作。针对双振镜结构中存在的误差,本文根据其机械尺寸和几何关系,通过对其建立数学模型,计算空间内任一点的坐标表达式,从空间坐标解析的表达式中分析系统误差的来源。并计算了系统在六个自由度上允许的最大安装倾角,以及安装高度的最大输入误差。针对系统中测距误差、角度误差、非线性误差,本文分析了误差产生的原因,并给出了相应的校正方法,提高激光测距仪的测距精度的同时,减小电机转动的角度误差,并消除扫描轨迹的枕形误差。针对步进电机参考零点的不确定性,本文介绍了系统物理零点的选取依据,并给出应用于不同场合,系统快速回到零点的多种方法。针对激光测距仪多次定点测量会产生多类距离值的问题,本文采用对数据分堆处理的方法,分别计算每堆数据的均值和概率,提高距离测量的精度。对于扫描数据的处理方法,本文通过多值平均、数据裁剪、中值滤波、角度校正、速度补偿等方法,使二维扫描曲线更接近真实曲线,并且可实现对移动的物体进行三维扫描。本文采用ARM+FPGA架构设计系统的扫描控制器,ARM主要用于设备间通信、数据采集与数据处理,FPGA则主要产生步进电机的控制时序,充分发挥每种器件的优势,提高了扫描系统的扫描精度,增强了设计的灵活性。本文给出了系统的软硬件实现方法,包括扫描控制器的硬件电路设计、主控制器的软件设计、电机控制时序的产生、配置软件可视化界面的设计,最后对系统进行了全面的测试,测试结果验证了理论分析的结果,而且,系统的距离测量、角度控制、扫描速度和精度、零点处理、以及飞机模型的引导效果等指标均能满足应用要求。
【关键词】：激光扫描系统 双振镜结构 误差分析 点云数据预处理
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V351.3;TN249
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 国内外研究现状11-12
• 1.3 激光扫描检测系统12-13
• 1.4 本文主要研究内容13-15
• 第二章 激光扫描检测系统总体设计15-29
• 2.1 引导系统的应用场景15-16
• 2.2 扫描系统方案设计16-17
• 2.3 激光扫描系统的设计17-27
• 2.3.1 激光测距仪的选型与使用18-22
• 2.3.2 步进电机的选型与使用22-25
• 2.3.3 扫描控制器的设计25-26
• 2.3.4 可视化配置软件的设计26-27
• 2.4 本章小节27-29
• 第三章 扫描系统数学模型的建立与误差分析29-48
• 3.1 扫描系统的数学模型29-31
• 3.2 系统误差来源31-32
• 3.3 误差分析与校正32-47
• 3.3.1 系统安装倾角误差计算32-36
• 3.3.2 安装高度输入误差计算36-38
• 3.3.3 激光测距仪误差校正38
• 3.3.4 角度误差校正38-45
• 3.3.5 非线性误差校正45-47
• 3.4 本章小节47-48
• 第四章 激光点云数据预处理48-69
• 4.1 扫描系统零点处理48-57
• 4.1.1 粗略回零48-50
• 4.1.2 系统零点标定50-52
• 4.1.3 边框确认与校准52-57
• 4.2 测距数据预处理57-58
• 4.3 扫描数据预处理58-68
• 4.3.1 扫描类型58-60
• 4.3.2 扫描点个数分析60-61
• 4.3.3 二维扫描数据处理61-65
• 4.3.4 三维扫描数据处理65-68
• 4.4 本章小节68-69
• 第五章 扫描系统的软硬件设计与测试69-89
• 5.1 扫描系统硬件结构69
• 5.2 扫描控制器电路设计69-74
• 5.2.1 电源模块70
• 5.2.2 时钟和复位模块70-71
• 5.2.3 ATSAM4S电路设计71-73
• 5.2.4 FPGA电路设计73-74
• 5.3 扫描系统的软件设计74-81
• 5.3.1 主控制器软件设计74-78
• 5.3.2 电机控制时序的产生78-80
• 5.3.3 配置软件的设计80-81
• 5.4 系统测试81-87
• 5.4.1 激光测距仪测试82
• 5.4.2 电机转动角度测试82-84
• 5.4.3 扫描测试84-85
• 5.4.4 边框确认测试85-86
• 5.4.5 校准测试86-87
• 5.4.6 引导测试87
• 5.5 本章小节87-89
• 第六章 总结与展望89-91
• 致谢91-92
• 参考文献92-96
• 攻读硕士学位期间取得的成果96-97

【参考文献】

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本文编号：884990