激光扫描测距系统关键技术研究

论文摘要

激光扫描测距技术是快速获取环境距离信息的主要手段之一,对于实现三维信息的获取具有重要意义。该方法具有探测速度快,方向性好,角度范围大、距离远等独特优势。在工业机器人的作业过程中,环境感知与传感系统是对环境物体进行定位和实现特定位置测量的基础,将激光扫描测距技术应用于机器人环境感知系统,协助完成工业机器人对周围环境的分析是激光扫描测距的重要应用。此外,该系统在公路检测站、物品分拣、智能车等环境中也有较大的应用空间。本课题采用PC上位机与STM32微处理器相结合的方式对系统进行驱动控制,采用激光脉冲法实现测距,设计激光发射准直光路和回波会聚光路提高测量范围,以TDC-GPX2为核心芯片实现高精度时间间隔测量,结合机电旋转方式实现系统扫描测距功能,达到快速获取周围环境距离的目的。论文首先介绍激光扫描测距系统涉及的基本理论,包括脉冲测距原理、回波探测原理、时间间隔测量原理,激光发射和回波光学处理原理及系统扫描实现原理,并根据实际情况确定激光扫描测距系统的总体设计。然后,根据系统实现目标,设计激光发射电路与回波接收电路,重点关注激光脉冲的发射时刻及回波到达时刻,并利用时间数字转换法,实现激光飞行的时间间隔测量,从而实现高精度测距;针对激光半导体二极管两个方向发散角差别过大的问题,利用互相垂直的柱面镜设计激光发射准直光路系统,根据APD的具体情况设计回波会聚光路系统;设计PC界面简化对电机的设置,控制电机以特定的方式进行旋转扫描,并设计机械结构整合激光扫描测距系统。最后,在本课题设计加工的机械平台上搭建激光扫描测距系统,分别对系统的电学模块和光学模块进行实验验证,并针对系统的测距功能及扫描测距功能设计实验验证系统性能,对实验数据进行分析,验证论文设计的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•   1.2 激光测距技术国内外研究现状及分析
•   1.3 扫描成像技术国内外研究现状及分析
•   1.4 本论文的主要研究内容
• 第2章 激光扫描测距系统原理与组成方案设计
•   2.1 引言
•   2.2 激光扫描测距系统的总体方案设计
•   2.3 脉冲激光测距的实现原理
•     2.3.1 脉冲激光测距的理论基础
•     2.3.2 回波脉冲时刻鉴别原理
•     2.3.3 高精度时间间隔测量原理
•   2.4 系统旋转扫描的实现原理
•     2.4.1 激光扫描测距原理
•     2.4.2 光学系统设计方法研究
•   2.5 本章小结
• 第3章 激光扫描测距系统的电路设计
•   3.1 引言
•   3.2 脉冲激光发射模块
•     3.2.1 窄脉冲信号发生电路
•     3.2.2 脉冲激光器驱动电路
•   3.3 脉冲激光接收模块
•     3.3.1 参考接收电路设计
•     3.3.2 回波接收电路设计
•     3.3.3 回波时刻鉴别电路
•   3.4 本章小结
• 第4章 激光扫描测距系统的光机设计
•   4.1 引言
•   4.2 旋转扫描总体方案设计
•   4.3 光学系统的设计
•     4.3.1 激光发射准直光学系统
•     4.3.2 激光接收会聚光学系统
•   4.4 旋转扫描机械设计实现
•     4.4.1 电机扫描实现原理
•     4.4.2 控制界面设计
•     4.4.3 供电及数据传输
•     4.4.4 集成结构设计
•   4.5 本章小结
• 第5章 系统实验测试及分析
•   5.1 引言
•   5.2 电路测试实验
•     5.2.1激光发射电路实验
•     5.2.2回波接收电路实验
•     5.2.3光电信号采集实验
•   5.3 光路测试实验
•     5.3.1 光功率测试
•     5.3.2 激光发散角测试
•   5.4 系统整体测试实验
•     5.4.1系统测距实验
•     5.4.2系统扫描测距实验
•   5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李庆莹

导师: 林杰

关键词: 空间信息获取,距离测量,飞行时间法,光机设计,光束准直

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TN249;TP242

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.003714

总页数: 81

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