基于自触发原理的脉冲式激光雷达测距系统研究

发布时间：2017-09-27 17:32

  本文关键词：基于自触发原理的脉冲式激光雷达测距系统研究

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【摘要】：地外行星自主巡视器需要依靠携带的科学仪器进行对自身状态的检测以及对所处环境的识别,并进行行星表面考查探测、样品收集等工作。但行星表面的地理环境完全未知,因此巡视器必须能够对于所处环境做出实时感知并进行动态路径规划、障碍回避等活动。完善的视觉系统是进行以上工作的必要前提。而受搭载运输条件以及巡视器自身体积所限,视觉系统必须要做到轻便、体积小、性能优越、并且实时性好。激光测距系统具有精度极高、性能稳定、非接触测量等优势,成为行星表面探测巡视器视觉系统重要的组成部分。基于此论文提出了一种小型高精度激光雷达测距系统设计方案。该测距系统基于改进型的自触发原理,只通过系统内部的硬件逻辑判断模块而非FPGA、CPLD等程序判断模块,使得接收模块输出的光电转换信号自动触发激光发射模块形成多次循环测量,循环结束后测量总的时间间隔,通过公式推导计算出待测距离。这样既解决了缩短测量距离与提高精度的矛盾,又解决了多次重复测量带来的用时过长问题。首先,论述了激光发射模块和接收模块的选择,由于自触发系统只能使用脉冲信号而非连续信号进行触发操作,故发射模块必须选择脉冲激光而非连续激光发射模块,接收模块的峰值响应功率必须接近于发射模块的峰值发射功率才能有效地接收反射光。然后,分析了自触发的原理,提出了具体实现方案并进行了实验验证,由于激光飞行时间非常短暂,而系统众多模块的响应延迟必然会对测量结果造成重大影响,因此对于系统模块的响应延迟做了详细分析,得出了由于延迟而对测量结果带来的误差的规律,提出了修正补偿方案并进行了实验验证。论文最后论述了时间间隔测量模块的原理与设计方案,该系统使用德国ACAM公司所产的TDC-GP21高精度计时芯片,以此为基础详细介绍了时间测量模块的软硬件设计,利用STC系列51型单片机并配合以自行编写的PC上位机控制程序进行了多次测量实验,对实验数据进行了分析处理并应用了修正补偿方案,达到了预期的实验效果。本方案基于自触发原理和TDC-GP21高精度计时芯片,可使测距结果误差波动在1cm范围内。
【关键词】：激光测距 自触发 脉冲式 响应延迟 时间间隔测量
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN958.98
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 引言9-10
• 1.2 激光雷达测距技术的应用10-11
• 1.3 国内外研究现状11-14
• 1.3.1 激光测距技术的发展历程与现状11-13
• 1.3.2 高精度时间测量技术的发展13-14
• 1.4 课题来源14-16
• 1.5 论文组织结构16-17
• 第2章 激光雷达测距系统结构设计17-39
• 2.1 引言17
• 2.2 常用激光测距方法及对比17-20
• 2.2.1 脉冲式测距法17-19
• 2.2.2 相位式测距法19-20
• 2.2.3 测距方法的对比选择20
• 2.3 自触发式脉冲激光测距系统设计20-26
• 2.4 激光发射器件选型26-27
• 2.5 激光发射模块27-30
• 2.5.1 模块简介27-29
• 2.5.2 模块实验测试29-30
• 2.6 激光接收器件选型30-32
• 2.7 激光接收模块32-35
• 2.7.1 模块简介33-34
• 2.7.2 实验测试34-35
• 2.8 系统可行性分析35-37
• 2.9 本章小结37-39
• 第3章 自触发的硬件设计39-53
• 3.1 概述39
• 3.2 窄脉冲信号发生器39-42
• 3.2.1 方案设计39-41
• 3.2.2 实验测试41-42
• 3.3 第一接收通道的设计42-43
• 3.4 窄脉冲输入环节43-44
• 3.5 测量开始信号锁定单元的设计44-47
• 3.5.1 结构设计44-46
• 3.5.2 实验测试46-47
• 3.6 自触发计数单元的设计47-49
• 3.6.1 器件选择47-48
• 3.6.2 结构设计48-49
• 3.7 系统响应延时的分析49-51
• 3.8 本章小结51-53
• 第4章 时间间隔测量单元的设计53-69
• 4.1 引言53
• 4.2 时间间隔测量的基本原理53-56
• 4.3 TDC时间间隔测量单元的设计56-67
• 4.3.1 TDC-GP21的结构及工作原理56-58
• 4.3.2 TDC-GP21硬件电路结构与设计58-60
• 4.3.3 TDC-GP21工作方式的设置60-64
• 4.3.4 PC上位机程序设计64-67
• 4.4 TDC测量结果的计算与校准67-68
• 4.4.1 TDC测量结果的计算方法67
• 4.4.2 TDC测量结果校准67-68
• 4.5 本章小结68-69
• 第5章 系统实验与验证69-77
• 5.1 引言69
• 5.2 实验环境69
• 5.3 实验实施69-71
• 5.4 结果分析71-76
• 5.5 本章小结76-77
• 总结与展望77-79
• 参考文献79-83
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文83-85
• 致谢85

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 朱煜,陈进榜,卿光弼,朱日宏,刘晖;人眼安全激光测距机的一些进展[J];激光杂志;1998年06期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 黄震;脉冲激光测距接收电路与计时方法研究[D];浙江大学;2004年

2 李琳;基于时—空关系的时间间隔测量[D];西安电子科技大学;2008年

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本文编号：931014