一種激光雷達(dá)測距系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人自動化領(lǐng)域。涉及一種基于自觸發(fā)原理的高精度激光測距系統(tǒng)
【背景技術(shù)】
[0002]移動式機(jī)器人在未知環(huán)境下(如自主導(dǎo)航、地質(zhì)探測、行星表面巡視等)需要實(shí)時(shí)快速獲取與前方目標(biāo)障礙距離，以便進(jìn)行路徑規(guī)劃、任務(wù)規(guī)劃以及機(jī)械臂展開規(guī)劃等操作。因此良好的視覺系統(tǒng)是保證以上工作的重要前提。激光具有速度快，相干性好，精度高，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，因此激光測距技術(shù)成為視覺系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一。
[0003]目前應(yīng)用的激光測距系統(tǒng)按照原理可劃分為脈沖式、相位式和干涉式。脈沖式通過計(jì)量測量激光脈沖的往返時(shí)間間隔來計(jì)算距離，適用于測量遠(yuǎn)距離的任意目標(biāo)，但測距精度較低；相位式通過激光光波在傳遞過程中發(fā)生的相位變化來間接推知測量距離，測距精度高，但只適用短距離且對合作目標(biāo)而非任意目標(biāo)進(jìn)行測量；干涉式僅適用于測量薄膜厚度。據(jù)此可知任意未知環(huán)境下測距只可使用脈沖式激光測距系統(tǒng)，因此核心便在于提高測量精度。201110221805.5號專利提出了一種基于皮秒脈沖的高精度激光脈沖裝置，依靠皮秒脈沖可使測量數(shù)十公里距離的誤差為1_，但由于皮秒脈沖激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試操作難度較高，體積較大，不適合于空間有限的移動式機(jī)器人中以及未知惡劣環(huán)境中。而若使測距精達(dá)到毫米級，使用基于普通激光發(fā)射模塊的現(xiàn)有產(chǎn)品不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，可移動性差，且造價(jià)成本高昂。因此本發(fā)明在脈沖測距的基礎(chǔ)上提出基于自觸發(fā)原理的測改進(jìn)距方案，計(jì)時(shí)精度由幾十微秒、幾百皮秒提高至最高達(dá)22皮秒，測量精度可達(dá)6.6毫米，且使用小型集成模塊，便于安裝操作和移動，成本大幅降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有的普通一次測量式脈沖激光測距系統(tǒng)存在的測量時(shí)間精度低、測距分辨率低等缺陷，本發(fā)明提出了一種新型的基于自觸發(fā)原理的激光雷達(dá)測距系統(tǒng)，即在系統(tǒng)內(nèi)部通過反射光接收模塊自主觸發(fā)激光發(fā)射模塊形成多次循環(huán)測量，多次測量可將待測距離擴(kuò)大一定倍數(shù)，延長測量時(shí)間，并且測量一次性完成，能夠顯著提高測量精度。
[0005]一種新型激光雷達(dá)測距系統(tǒng)，由上位機(jī)和下位機(jī)組成，上位機(jī)為PC機(jī)I，PC機(jī)I上運(yùn)行有測距控制平臺，帶有可視化界面，PC機(jī)I的顯示器12用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)及測量結(jié)果，上位機(jī)通過串口總線與下位機(jī)通信。下位機(jī)包括激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、計(jì)時(shí)模塊、邏輯模塊和控制模塊。
[0006]激光發(fā)射模塊采用PIN激光發(fā)射器3，PIN激光發(fā)射器3發(fā)射測量激光脈沖，PIN激光發(fā)射器3的脈沖輸入端使用“或”邏輯門驅(qū)動，一路用于開始測量信號輸入、另一路用于自觸發(fā)測量信號輸入，PIN激光發(fā)射器3有一邏輯輸出端、在發(fā)射激光脈沖時(shí)同步給出一時(shí)間信號電平；激光接收模塊采用AH)激光接收器7，集成有放大、濾波、電源、溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)，當(dāng)收到PIN激光發(fā)射器3的激光脈沖反射光時(shí)輸出邏輯正電平。PIN激光發(fā)射器3的激光發(fā)射峰值功率波長恰位于APD激光接收器7的峰值響應(yīng)功率波長附近，且都大于800nm，這樣既可保證免受可見光干擾，又能使接收器能可靠接收響應(yīng)反射光脈沖信號。
[0007]計(jì)時(shí)模塊包括時(shí)刻鑒別器19、時(shí)刻鑒別器IIlO和高精度計(jì)時(shí)器11，時(shí)刻鑒別器19與IIlO分別用于對測量開始信號和終止信號的時(shí)刻進(jìn)行識別，高精度計(jì)時(shí)器11用于兩者的時(shí)間間隔測量，計(jì)時(shí)器帶有手動配置式寄存器，用于設(shè)定測量范圍以及時(shí)間精度；
[0008]邏輯模塊包括計(jì)時(shí)開始鎖定器6和邏輯判斷計(jì)數(shù)器8，計(jì)時(shí)開始鎖定器6為單輸入單輸出，輸入端與PIN激光發(fā)射器3的時(shí)間信號電平端相連，用于捕捉并鎖定計(jì)時(shí)開始信號，其輸出端連接時(shí)刻鑒別器19的輸入端，鎖定器一旦輸出開始信號，便一直保持輸出且不再響應(yīng)后續(xù)的信號輸入，防止多次觸發(fā)計(jì)時(shí)器的開始信號輸入造成計(jì)時(shí)錯(cuò)誤；邏輯判斷計(jì)數(shù)器8為單輸入雙輸出、用于自觸發(fā)的計(jì)數(shù)和判斷，首先輸入端獲得APD激光接收器7給出的反射光電信號，進(jìn)行計(jì)數(shù)判斷，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)預(yù)設(shè)值時(shí)第一輸出端將向時(shí)刻鑒別器IIlO給出脈沖作為測量停止信號，否則第一輸出端無信號輸出，而第二輸出端通過PIN激光發(fā)射器3脈沖輸入端前的“或”邏輯門給出測量脈沖信號開始下一次測量操作，從PIN激光發(fā)射器3上一次的發(fā)射測量脈沖到下一次發(fā)射測量脈沖時(shí)間周期即為一個(gè)自觸發(fā)周期。
[0009]控制模塊采用單片機(jī)控制器2，其主要功能用于與PC機(jī)I進(jìn)行指令接收和測量結(jié)果上傳，以及與計(jì)時(shí)模塊進(jìn)行通信用于手動配置、讀取結(jié)果等。
[0010]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0011 ] (I)采用小型脈沖式激光發(fā)射模塊，體積小巧，質(zhì)量輕便，便于安裝，發(fā)射模塊峰值發(fā)射波長和接收模塊峰值響應(yīng)波長接近且都遠(yuǎn)離可見光波段，減少了環(huán)境光干擾，接收性能可靠。
[0012](2)直接使用激光發(fā)射模塊的同步時(shí)間信號輸出端作為計(jì)時(shí)開始信號輸入，這樣便省去了分光鏡、分光放大電路的設(shè)計(jì)，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且避免了分光放大電路的環(huán)境干擾、非線性等因素對測量結(jié)果帶來的影響。
[0013](3)通過自觸發(fā)原理提高測距精度，自觸發(fā)可以延長測量時(shí)間、將待測距離擴(kuò)大一定倍數(shù)，避免在測量近距離時(shí)由于測量時(shí)間太短導(dǎo)致分辨率低于系統(tǒng)最低分辨率造成測距失敗，且測量一次完成，避免了多次開啟系統(tǒng)重復(fù)測量帶來的耗時(shí)過長以及消耗存儲空間存儲測量數(shù)據(jù)。一般自觸發(fā)使用FPGA等可編程器件，但是可編程器件線性度較差，會導(dǎo)致誤差對測量結(jié)果的影響難以把握，從而無法對結(jié)果進(jìn)行定性分析及誤差補(bǔ)償，而本系統(tǒng)使用常用器件搭建自觸發(fā)電路，保證了線性度，使得測量結(jié)果穩(wěn)定。
[0014](4)使用高精度時(shí)間數(shù)字計(jì)時(shí)芯片，并且可通過PC上位機(jī)平臺控制軟件界面以及單片機(jī)控制系統(tǒng)手動進(jìn)行寄存器配置以選擇測量范圍及測量精度，操作簡便靈活，系統(tǒng)適應(yīng)能力強(qiáng)。結(jié)合自觸發(fā)原理可使測量結(jié)果精度可達(dá)幾十皮秒。
【附圖說明】
[0015]圖1為本自觸發(fā)式激光測距系統(tǒng)的全系統(tǒng)框圖，圖2為激光發(fā)射模塊的輸入驅(qū)動電路以及計(jì)時(shí)開始鎖定器6的電路圖；
[0016]圖3為邏輯判斷計(jì)數(shù)器8的電路連線圖；
[0017]圖4為第一次測量時(shí)的開始信號鎖定操作流程圖；
[0018]圖5為自觸發(fā)過程的流程圖，此過程包括邏輯判斷計(jì)數(shù)器的判斷和自觸發(fā)計(jì)數(shù)操作；
[0019]圖6為本系統(tǒng)的一次完整測量過程的流程圖，測量過程為從打開串口連接系統(tǒng)到讀取處理結(jié)果；
[0020]圖7為單片機(jī)控制器根據(jù)收到的不同操作標(biāo)志字執(zhí)行不同操作的選擇分支流程圖。
[0021]圖中:I一PC機(jī)，2—單片機(jī)控制器，3 — PIN激光發(fā)生器，4一被測目標(biāo)，5—發(fā)射接收端的透鏡，6—計(jì)時(shí)開始鎖定器，7—AH)激光接收器，8—邏輯判斷計(jì)數(shù)器，9一時(shí)刻鑒別器I，10—時(shí)刻鑒別器II，11 一高精度計(jì)時(shí)器，12—顯示器；301—PIN激光發(fā)射主體；302—“或”邏輯門a ;601 — “或”邏輯門b ;602— “或”邏輯門C。
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下結(jié)合實(shí)例與附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0023]圖1示出了本發(fā)明自觸發(fā)式激光測距系統(tǒng)的全系統(tǒng)框圖。PC機(jī)I與顯示器12組成上位機(jī)系統(tǒng)；單片機(jī)控制器2與PC機(jī)I使用串口進(jìn)行通信，單片機(jī)控制器2的I/O接口連接高精度計(jì)時(shí)器11，用于進(jìn)行通信測試、寄存器配置及結(jié)果讀取等操作；PIN激光發(fā)射器3的輸入使用二輸入“或”邏輯門驅(qū)動，邏輯門一輸入端連接單片機(jī)控制器2，用于發(fā)射第一次測量脈沖，另一端連接邏輯判斷計(jì)數(shù)器8，用于自觸發(fā)循環(huán)測量；PIN激光發(fā)射器3的時(shí)間電平輸出端連接計(jì)時(shí)開始鎖定器6，再輸出給時(shí)刻鑒別器19，最后再連接高精度計(jì)時(shí)器11，用作計(jì)時(shí)開始端；PIN激光發(fā)射器3透過一透鏡5向被測目標(biāo)4發(fā)射測量激光束，APD激光接收器7透過另一透鏡5接收反射光束，兩透鏡5的作用用于擴(kuò)大視野;APD激光接收器7的輸出端連接邏輯判斷計(jì)數(shù)器8，邏輯判斷計(jì)數(shù)器8帶有兩路輸出，一路通向PIN激光發(fā)射器3，另一路通向時(shí)刻鑒別器1110，同樣連接高精度計(jì)時(shí)器11，用作計(jì)時(shí)停止端；系統(tǒng)計(jì)時(shí)芯片包括時(shí)刻鑒別器19、時(shí)刻鑒別器IIlO和高精度計(jì)時(shí)器11 ;該系統(tǒng)計(jì)時(shí)芯片內(nèi)有手動配置式寄存器，用于選擇測量范圍和時(shí)間精度；系統(tǒng)計(jì)時(shí)芯片采用德國ACAM公司所產(chǎn)高速高精度時(shí)間數(shù)字測量芯片TDC-GP21。
[0024]圖2示出了激光發(fā)射模塊的輸入驅(qū)動電路以及計(jì)時(shí)開始鎖定器6的電路圖，PIN激光發(fā)射器3的PIN激光發(fā)射主體301使用日本濱松光電(HAMAMATSU)所產(chǎn)的集成式脈沖激光二極管發(fā)射模塊C6582，PIN激光發(fā)射器3的“或”邏輯門a302為輸入驅(qū)動電路；“或”邏輯門a302的一端連接單片機(jī)控制器2，該輸入端僅第一次測量時(shí)使用，一端連接邏輯判斷計(jì)數(shù)器8，用于自觸發(fā)輸入。
[0025]“或”邏輯門b601和“或”邏輯門c602通過輸出反饋線交叉互連形成基本RS觸發(fā)器，“或”邏輯門c602 —輸入端連接PIN激光發(fā)射器3的同步時(shí)間信號輸出端，一旦收到電平信號，RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，使得“或”邏輯門a601固定輸出高電平給時(shí)刻鑒別器19作為計(jì)時(shí)開始信號，此后便不再翻轉(zhuǎn)，這樣便保證了計(jì)時(shí)開始信號不會被多次觸發(fā)造成計(jì)時(shí)錯(cuò)誤；“或”邏輯門a302、“或”邏輯門b601、“或”邏輯門c602均為“或”邏輯門74LS32 ;
[0026]圖3示出了邏輯判斷計(jì)數(shù)器8的電路連線圖，APD激光接收器7使用日本濱松光電(HAMAMATSU)所產(chǎn)的集成式APD雪崩二極管模塊C10508，帶有放大、濾波、高電壓源、溫度補(bǔ)償、增益調(diào)節(jié)及PC機(jī)COM通信等單元。邏輯判斷計(jì)數(shù)器8采用同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160，ENT,ENP端以及LD置數(shù)端和MR清零端全部接高電平，使得計(jì)數(shù)有效，從O開始，