1、 （申请工程硕士学位论文） 室内高速二维激光雷达的 设计与实现 培养单 位 ： 信息工程学院 专业 类型 ： 工程硕士 研究 生 ： 王晨宇 指导教 师 ： 黄涛 教授 2017年 4月 室内高速二维激光雷达的设计与实现 王晨宇 武汉理工大学 分类号 密 级 公开 UDC 学校代码 10497 学 位 论 文 题 目 室内高速二维激光雷达的设计与实现 英 文 Design And Implementation Of Indoor High Speed Two 题 目 Dimensional Laser Radar 研究生姓名 王晨宇 姓名 黄涛 职称 教授 学位 博士 单位名称 信息 工程学院
2、 邮编 430070 姓名 李明 职称 教授级 高工 学位 博 士 单位名称 武汉 环宇智行科技有限公司 邮编 申请学位级别 硕士 学科专业名称 电子与通信工程 专业类型 工程硕士 论文提交日期 2017.4 论文答辩日期 2017.5 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期 答辩委员会主席 评阅人 2017年 4月 指导教师 副指导教师 武汉理工大学硕士学位论文 I 武汉理工大学硕士学位论文 II 摘要 在自主导航技术中 ， 激光雷达是普遍使用的关键传感器之一 ， 当前激光雷达市场上 大多数产品都还是工业用激光雷达，工业激光雷达在性能上虽然能够严格满足工业应用的基本要求，但雷达设计过程复杂
3、，制造成本高昂，体积功耗巨大，难以在室内服务机器人身上得到普遍应用。因此，设计并制造出成本价格低廉、体积功耗较小同时性能上又能满足普通家用需求的二维激光雷达，对于室内服务机器人产品的迅速推广和产业的迅速发展就具有重要的推动作用。 （ 1） 介绍了激光 雷达 的研究背景及基本原理 ，确定雷达采用三角激光测距的方案。 根据激光三角法的原理设计出雷达测距模块的成像结构 。 根据三角测距理论 ， 对测量距离和测量精度两个指标进行 综合分析 ，结合具体应用的需求，确定雷达系统的镜头类型、 CCD 芯片型号以及光学成像系统的结构参数。 （ 2）结合实际应用需求， 对雷达的总体电路组成进行设计， 具体设计出
4、控制 CCD 工作的 CCD 驱动电路、系统控制核心单片机最小系统电路、实现雷达与 PC 通信的串口通信电路、识别雷达旋转周期的光电传感器电路、驱动测距机构旋转的电机驱动电路，实现了系统底层的硬件组成。 （ 3） 阐述了系统算法的设计， 结合 线阵 CCD 的使用方法以及工作特点设计出以 K60 单片机为控制核心的 CCD 驱动控制算法，保证 CCD 工作频率能够跟随雷达的不同转速实现自适应调整的功能。通过系统 标定实验绘制分段拟合的距离曲线 ，得到分段拟合的距离解算算法，利用距离解算算法得到单个采样点的距离信息。设计出数据分割算法，使得雷达能够从采样数据中分割出一周采样点数据并发送至上位机。
5、设计出 PC 上位机接收雷达发送的一周采样点信息并进行二维局部环境的图像显示 。 （ 4） 最后 对实际系统进行实地测试 ， 并对最后的测试结果进行分析 ， 验证了该雷达系统的可行性和有效性 。经实验测试，雷达的扫描范围为48mm6311mm，距离 平均误差为 2.8mm，最大误差为 11mm， 角度分辨率为1 ， 最大转速为 1.98r/s，同时可实现手动调速功能。满足室内应用的基本需求。 关键词 ：激光技术，激光 雷达 ， 激光三角法 ，线性 CCD，系统标定 武汉理工大学硕士学位论文 III Abstract In the autonomous navigation technology
6、, laser radar is one of the commonly used key sensors, but on the market, most of the current products of laser radar are industrial laser radars, laser radar performance in the industry can strictly meet the basic requirements of industrial applications, but the radar design process is complex, hig
7、h manufacturing cost and the power consumption is huge, it is difficult to be widely used in the indoor robots body. Therefore, the designing and manufacturing of 2D laser radar that is low cost, small volume and power consumption performance and can meet the needs of ordinary household, plays an im
8、portant role in promoting the rapid development of the rapid popularization and products of indoor service robot. （ 1） the research background and the basic principle of laser radar are described. Then, according to the principle of laser triangulation, the imaging structure of the radar ranging mod
9、ule is designed. According to the triangulation theory, the comprehensive analysis of the measuring distance and measuring accuracy of the two indicators, combined with the specific needs of the application, determine the structure parameters of lens that is most suitable for radar system type, and
10、select the CCD chip and optical imaging system. （ 2） According to the actual application requirements, the paper makes the overall design of the radar circuit component, includes the specific design of CCD driving circuit to control photoelectric transfer control CCD, system control core MCU minimum
11、 system, communication circuit that builds the serial communication between radar and PC, cycle sensor circuit that makes recognition of radar rotation, motor drive circuit that realizes the rotation ranging mechanism. Achieve the composition of the underlying hardware system. （ 3） the paper introdu
12、ces the design of system algorithm that is based on single-chip microcomputer K60 CCD drive control algorithm by using linear CCD and work characteristics, ensure the working frequency of CCD radar can follow different speed to achieve the adaptive function. Then, the distance curve of the piecewise
13、 fitting is drawn by the system calibration experiment, and the distance calculation algorithm is obtained. The data segmentation algorithm is designed, which can be used to segment the data from the sampled and send it to the host computer. At last, we design the PC host computer to receive the rad
14、ars data. （ 4） the system is tested in the actual field, and the final test results are analyzed 武汉理工大学硕士学位论文 IV to verify the feasibility and effectiveness of the radar system. Through the experimental test, the scanning range of the radar is 48mm6311mm, the average distance error is 2.8mm, the max
15、imum error is 11mm, the angular resolution is 1 degrees, the maximum speed is 1.98r/s, and the manual speed control function can be realized at the same time. It meets the basic needs of indoor applications. Keywords: laser technology, lidar, laser triangulation, linear CCD, system calibration 武汉理工大
16、学硕士学位论文 V 目录 第 1 章 绪论 1 1.1 课题来源 1 1.2 研究背景和意义 1 1.3 国内外研究概况 3 1.3.1 国外 激光雷达 研究现状 . 3 1.3.2 国内 激光雷达 研究现状 . 5 1.3.3 三角测距技术的发展 . 6 1.4 主要研究内容 7 第 2 章 雷达系统结构设计 8 2.1 整体结构设计 . 8 2.2 测距方案的选择 . 9 2.2.1 激光三角测距原理介绍 . 9 2.2.2 三角测距系统基本组成 . 13 2.3 测距机构设计 . 14 2.3.1 镜头选型 . 15 2.3.2 CCD 芯片的选择 . 19 2.3.3 激光器的选择 .
17、 20 2.3.4 成像结构参数的确定 . 22 2.4 本章小结 . 25 第 3 章 系统硬件电路的设计 26 3.1 系统电路总体设计 . 26 3.2 CCD 驱动电路设计 . 27 3.2.1 CCD 芯片基本参 数 . 27 3.2.2 RPLIS-2048-EX 驱动时序设计 28 3.2.3 ADT 二值化的工作时序 . 30 3.2.4 驱动电路的设计 . 31 3.3 单片机最小系统电路 . 33 武汉理工大学硕士学位论文 VI 3.4 串口通信电路 . 37 3.4.1 PL2303 芯片介绍 37 3.4.2 TTL 转 USB 电路模块 38 3.5 光电传感器电路设
18、计 . 38 3.6 电机驱动电路设计 . 40 3.7 本章小结 . 42 第 4 章 系统算法设计 43 4.1 CCD 驱动控制算法设计 . 43 4.1.1 CCD 初始化设置 . 43 4.1.2 驱动信号的产生 . 45 4.1.3 最大曝光频率的确定 . 46 4.1.4 曝光 频率 的控制 . 50 4.2 CCD 信号处理算法设计 . 55 4.3 距离解算算法设计 . 56 4.4 采样点分割算法设计 . 62 4.5 上位机算法设计 . 66 4.6 本章小结 . 68 第 5 章 系统的实际测试 69 5.1 距离测量指标测试 . 67 5.2 局部环境扫描测试 . 6
19、9 5.3 转速在线调整测试 . 73 5.4 本章小结 . 77 第 6 章 总结与展望 78 6.1 工作总结 . 71 6.2 未来展望 . 72 参考文献 80 致 谢 83 武汉理工大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1课题来源 本 课题的主要研究工作来源于本人实习公司科技研发项目 。 1.2研究背景和意义 因为激光雷达的独特优势 ， 激光雷达在自主导航领域得到了非常广泛的应用 。 实现自主导航的途径有很多 ， 比如利用同步定位与地图构建技术进行导航 ， 利用陆标发出的导航信号进行导航 ， 利用摄像头采集环境信息并通过图像处理技术进行的视觉导航等等 。利用 同步定位与地图构建
20、技术进行自主导航是智能移动机器人导航研究中的一个热门技术 ，该技术简称 SLAM（ simultaneous localization and map building）。 该 技术主要包括地图构建、机器人定位以及同步定位与地图构建三个环节。 在该技术中，传感器采集局部环境信息是实现以上三个环节的必要条件和基础，而目前提供这个条件与基础最合适的传感器之一就是激光雷达。 所以激光雷达是智能移动机器人重要的组成部件之一。目前它在智能移动机器人应用中主要起到四个方面的作用：环境路标的检测、特征匹配与地图构建、机器人定位、障碍物检测 1。正是因为激光雷达具有快速检测周围局部环境的能力，因此激光雷达的研
21、究对于技术的研究乃至整个智能移动机器人自主导航领域的研究具有重要的支柱作用。虽然激光雷达在多年之前就已问世并经过漫长发展和改进，现在已衍生出了许多类型、原理和应用方向上各不相同的产品，在自主导航领域的研究中发挥着巨大的作用，但仍有一些问题有待解决和完善。 当前市场存在多种多样的激光雷达 ，不同 激光雷达其使用途径和范围也各不相同 。 根据雷达信号形式以及信号解算手段进行分类 ， 有脉冲压缩型 、脉冲型、 连续波型和脉冲多普勒型 四种类型，按照雷达的使用的途径和领域进行划分，有舰载激光雷达、航天激光雷达、机载激光雷达以及地面激光雷达；按照功能和方向进行分类，有火控激光雷达、测绘激光雷达、激光制导
22、雷达、避障激光雷达等 2。 武汉理工大学硕士学位论文 2 激光雷达 (Laser Radar）实际上就是以激光测距为基础的距离采样系统 ， 二维激光雷达是建立在单点激光距离传感器的基础上 ， 可以在 一个特定平面上进行环境线 扫描的激光雷达 ， 三维激光雷达是二维激光雷达的延伸 ，是 可以在一个特定空间中进行环境面扫描的激光雷达 。当前智能移动机器人的自主导航技术普遍采用的是三维激光雷达3。 三维激光雷达对于复杂地形和具有一定垂直高度的直立型移动机器人尤其适用，因为直立型机器人在自主导航过程中需要获取周围完整的三维环境信息，只有这样，机器人才能够在三维空间中有效规避障碍物同时进行合理的路径规划
23、。但是对于扁平式机器人和某些特定类型的应用场合，三维激光雷达虽然也能够有效的完成外部环境的探测任务，但存在巨大的性能冗余和资源浪费，因为在这些应用 场合下，自主导航任务只需要简单扫描出二维环境信息即可，所以三维激光雷达的性能和功能并不能得到充分的利用，造成使用成本和资源的巨大浪费。另一方面，三维激光雷达制造成本昂贵、制作过程复杂、体积功耗巨大，尤其受制于图像采集芯片工作频率的限制，在扫描速度上较慢，对于即时性需求较高的导航任务难以胜任，因此在某些自主导航的应用领域三维激光雷达很难得到有效的应用和普及。但是二维激光雷达弥补了以上的缺陷，与三维激光雷达相比，二维激光雷达具有扫描速度快、体积功耗小、
24、制造成本低、制作过程简单等优点，对于特定的应用领域尤其适用， 比如清洁机器人等室内服务机器人应用领域。 激光雷达在国内的研究起步较晚，所以国内大多数移动机器人自主导航的研究都是采用国外较为成熟的激光雷达产品作为传感器。目前功能和技术较为完善的二维激光雷达产品有 日本 HOKUYO 公司型号为 PBS-03JN、 UAM-05LP-T301 的激光雷达 ， 但是这些激光雷达都是采用相位式测距原理，按照工业级的标准进行 设计和制作，制造 成本较为昂贵 4。为了给室内服务机器人的 SLAM、自主导航等功能提供基础传感模块，同时 降低激光雷达的制作成本 ，推动室内服务机器人等民用产品的推广普及和产业的
25、发展，本文提出了一套低成本制作室内二维激光雷达的方案，采用该方案制作出的激光雷达不仅能够满足室内扫描的基本需要，同时制作过程简单、功耗体积小、制造成本低廉，可极大的促进激光雷达产业的发展以及自主导航技术在民用领域的推广与普及。 武汉理工大学硕士学位论文 3 1.3国内外研究概况 1.3.1 国外 激光雷达 研究现状 早在 20 世纪六十年代初期，激光雷达在天文学、地理学等研究领域就有着非常广泛的应用，比如卫星利用激光测距方式测定天体距离，在阿波罗计划中利用激光雷达测量月球的距离 。 1967 年，美国 NASA 宇航局请国际电话电报公司设计航天用激光雷达 ， 该激光雷达主要用于航天飞机的交会对
26、接 ， 经过多次系统实际测试 ， 系统 对于航天飞机的交会对接 被证明是可靠有效和稳定的 ，不过受限于当时的电子技术水平和制作工艺，该激光雷达的功能以及组成并不优化。所以美国国际电话电报公司在 1971 年又设计出了第二代雷达样机 5。第二代雷达样机相对于上一代功能更加完善、工艺更加先进、性能更加优异，比如采用新型砷化嫁半导体单模激光器，优化了的扫描手段等等，在软件硬件两个方面均进行了新的改进和提升。整个系统重量约为 18 公斤，额定功率约为 40 瓦，功率不高 6。因此雷达在常温环境下工作是不需要辅助的散热措施的，大大简化了系统的组成。该激光雷达可以对带有标记的航天飞船、卫星等目标进行搜寻、
27、跟踪和匹配等。 1988 年 ，在阿拉伯海域航行的“罗伯茨”号护卫舰及 KAMAN 宇航公司的船只安全性受到严重威胁，出于保证该船只和平出行的目的，减小水底隐藏区域设置的水雷等危险武器对于船只安全的威胁 ，KAMAN 宇航公司研发出了专门用于搜索水雷的舰载激光雷达，该雷达代号“魔灯” 7，依靠蓝 -绿波段激光在水介质中高强度的投射性，该雷达系统选用蓝绿脉冲激光器作为激 光发射源，采用距离选通测试技术作为其基本测距手段。该舰载激光雷达可以对海底特定目标进行自动定位及跟踪，并且可以利用数据链系统将扫描得到的图像数据传送到主舰。在实际实验过程中，激光雷达对于隐蔽在海底深处的水雷具有良好的搜索效果。在
28、 1996 年某美国海军预备役第一个成功在部队舰艇上部署了该舰载激光雷达系统。 1992 年 ， 美国海军执行了名为 “ 辐射亡命徒 ”的先期技术演示计划。在这次演示中，海军利用激光雷达对地面及空中的远距离目标进行非合作式识别。这次演示采用的激光雷达为额定输出功率为 100 瓦的 CO2 激光雷达 ， 该雷达为美国海军空战指挥中心所研制 ， 在 Pack Tack 吊舱上进行部署工作 。激光雷达的接收器及发射器使用的是同一武汉理工大学硕士学位论文 4 个孔径天线和分辨率为 4mrad 的光束反射控制镜。雷达系统的测试平台为 P-3C 飞行试验机 ， 系统识别目标的手段主要包括 距离剖面、 利用
29、目标物体表面的形变 、高分辨率红外成像以及三维激光雷达成像等。 1994 年，某德国测绘部门研发出了一种激光雷达样机，该激光雷达系统专门用于测绘地貌特征，该雷达样机在进行地貌扫描时，回波数据由接收孔径接收，由上位机系统分析解算出反映地形地貌的 3D点云 8。不过系统受到仪器及 实验环境噪声的干扰，需要对采集到的3D 点云进行滤波处理，并对回波信号的类型进行分类，然后通过上位机的处理才可以得到精确可靠的实验数据，从而得到较好质量效果的地貌特征。在之后改进实验中，系统扫描数据更加准确，图像采集结果清晰度更高。 美国林肯实验室在 2002 年成功设计出一款激光雷达，雷达基于APD，雷达 接收阵列大小
30、为 4*4，最大 扫描距离可达 60m， 扫描精度为 3cm，成像分辨率为 128*128，采样频率达到 9.8KHz， 帧率为 0.6Hz。 2004 年，日本某播音公司成功根据距离映射原理设计出了一台三维激光雷达，该雷达系统选用调制激光器作为光源，连续发射激光束，由 CCD 图像传感器采集被测物表面散射的激光光斑，然后通过光学增强器得到被测物到雷达的实际距离。此雷达系统帧率 为 30Hz，图像分辨率为 1280*720，在距离 5m 处的测距精度为 3cm。在 10m 处的测距精度为 4.9cm。该雷达系统的优势是具有较高采用率。 French Aerospace 实验室在 2006 年制
31、作出一台多普勒激光雷达 9，该激光雷达波长 1.5 m，使用的是 MOPA 光纤结构。光纤激光器的重复频率为 4kHz， 测速精度在 1m/s 左右 ， 测距范围在 4000m 以内，输出的脉冲能量为 1mJ。 美国在 2010 年研制出了机载多普勒测风雷达，该雷达利用 1.6mWTX-16 的激光头 ， 由 CTI 公司进行研制，该测风雷达事后用于对台风的追踪和分析，该测风雷达的重复频率为 2000Hz，脉冲能量在1mJ 左右 ， 测速精度在 1m/s 范围以内 ， 在气溶胶浓度不同的情况下 ，雷达的测量范围可以达到 3km 到 20km 不等。 欧洲空间局 ESA 在 2013 年发射了用
32、于采集气溶胶和云之间相互转化量的 EarthCARE 卫星 ，卫星将云和气溶胶之间的相互转化量作为参数，提供给气象预报数学模型的建立，卫星搭载有云廓线雷达、ATLID 后向散射激光雷达以及多普勒成像仪等先进设备， ATLID 后向散射激光雷达采用紫外光激光器，波长 355nm，重复频率 74Hz， 线宽武汉理工大学硕士学位论文 5 50MHz，脉冲能量月 30mJ， 望远镜直径为 0.6m。 美国 NASA 在 2015 年发射卫星 ASCENDS，该卫星搭载有二氧化 碳探测激光雷达，其主载荷激光雷达的望远镜直径为 20cm，重复频率为 10kHz，脉宽 10 m，激光波长为 1572.33n
33、m，脉冲能量为 24 J。 1.3.2 国内 激光雷达 研究现状 国内早期激光雷达所采用的激光光源普遍使用半导体 YAG 泵浦激光发射源 ， 探测手段为螺旋扫描或双谐振镜扫描 ，工作帧率大约保持在每秒 10 帧以内， 16 级灰度的回波强度，大约 1000Pix 的图像分辨率。与国际领先水平有很长距离。 在 1995 年，华科大研究所研制出一套激光雷达系统，该系统对深海海底环境进行探测和地形绘制，在之后的深海测试中，在深海 80 多米处得到了准确度极高的扫描信息 10。 1996 年 ，中国科学院研制出机载激光雷达系统样机，在同一阶段，中国电子二七 所也研制出了以谐振镜为扫描方式的机载用激光雷
34、达系统，主要应用在飞行器避障系统。 2005 年 ， 国防科技大学设计出基于平面扫描的 三维激光雷达样机，雷达系统以半导体激光发射器为激光光源，以雪崩光电管作为雷达图像传感器。雷达精度为 9cm，工作帧率为 30Hz，最大扫描距离为 24米，雷达样机最初图像分辨率为 101*16。在后续优化改进过程中提高到 361*200。 在 8m 处的距离采样精度达到了 3cm11。 2011 年 1 月 3 日和 11 月 14 日，神舟八号飞船和天宫一号飞行器利用激光雷达成功实施了两次交会对接，这是我国首次将激 光雷达应用于航天航空领域。 同样 ， 在 2013 年 12 月 2 日，我国嫦娥三号飞行
35、器软着陆功能充分发挥激光雷达的作用，使激光雷达再一次成功的应用于我国航天航空领域。 1.3.3 三角测距技术的发展 三角法激光测距技术 历史悠久，是一种传统的激光测距技术， 它具有 结构简单，易于实现 的特点。历史上 对 于这种测距方法的研究 从未停止， 三角激光测距技术的发展速度非常迅速，纵观三角激光测距技术的发展历程，可以得到如下几个结论： 武汉理工大学硕士学位论文 6 （ 1） 光源 的发展 ，三角测距法最初使用的光源是 普通 人造 光源，在激光 发射器 出现后 ，三角测距法便普遍使用激光器作为三角测距法的主要光源，激光光源分为点光源、线光源还有当前普遍研究的结构光 源 。光源的进步极大
36、的促进了三角测距法的测距精度以及测量速度的提高，提升了距离测量的质量和效率。 （ 2）传感器的发展。随着技术的不断进步，三角测距法的 光学传感器也在 不断更新升级，光学传感器从最初的 PSD 传感器、线阵 CCD及面阵 CCD 传感器发展到现在广泛使用的 CMOS 传感器，三角测距法的光学传感器在 工作频率、分辨率以及内部功能 等方面 也在不断提高和多样化，这些都直接推动着光学三角测距法的测量精度、范围以及速度 等 指标不断的提升 。 （ 3）数字信号处理技术的发展。现代数字信号处理技术在硬件、软件两个方向都有着巨大的进步，这些进步都给三角激光测距的性能指标带来了质的改变 。在软件方面，信号处
37、理算法的改进，促进了对传感器采集的图像信号 处理能力、 速度 以及 精度 的提高 ，提升了光斑图像位置解析以及距离计算 的速度和准确度。 在国内，研究三角激光测距的大学实验室有许多，比如南京理工大学 12、天津大学 13以及浙江大学 14等。这些大学对三角激光测距技术的发展做出了巨大 的贡献，取得了一定的研究成果 ，但技术水平与国外相比仍有巨大的差距。 目前国内对于三角法激光测距仪器的研究大多都还处于实验阶段，只有少数的企业有为数不多的产品推出。例如上海光学仪器厂和北京机床厂等，国内销售的测距产品，很多都是国外产品 15。对比发达国家，我国激光三角法测距传感器技术不够成熟，成型的产品较少，虽然
38、有一些产品推出市场，但测量精度、测量范围和速度等都不够理想，传统激光三角测距主要用于微位移测量、小范围微距测量等领域，对于要求快速实时响应的大范围测量的任务无法胜任。 当前，激光三角测距系统普遍使用半导体激光器作为系统光源，半 导体激光器具有功耗体积小等优点，可以极大 的减小测距系统的尺寸大小，扩大激光三角测距技术的应用 场合和适用领域。伴随光电检测技术的 不断 升级 进步 ，在计算机视觉领域三角测距法正扮演者越来越重要的角色。由于三角激光测距系统具有精度高、速度快、电路简单、硬件结构小巧等优势，在工业在线检测、模型加工以及医学检测等领域都创造出 了 巨大的价值 16。 武汉理工大学硕士学位论
39、文 7 1.4主要研究内容 出于成本和具体应用需求的考虑 ， 本文所研究的二维激光雷达系统采用激光三角法进行目标距离的测定 ，利用线阵 CCD 采集激光光斑图像信息，由 CCD 内置的二值化模块 对采集到的模拟信号进行数字化处理，并送入单片机进行信号分析与距离解算，然后将采集到的采样点数据根据雷达旋转速度进行数据分割，并发送至上位机进行解析，最后显示出雷达采集到的一周局部环境采样点信息。 主要研究内容如下 ： 第一部分为激光雷达研究背景的介绍 ， 主要是研究目的和意义以及 当 前国内外研究的现状 ， 然后根据当前的研究现状 、 主流技术以及系统实际应用的需要 ， 确定出 系统 的距离采样方案
40、，并简单介绍方案的基本原理。 第二部分为雷达 系统结构的设计，主要包括雷达整体结构设计和测距机构设计，整体结构设计主要是根据雷达的功能及应用需求，对雷达模型的结构组成及工作原理进行设计与介绍。测距机构设计主要是根据三角几何知识、光学知识以及实际应用的需要，分析计算镜头的结构参数、 CCD 相关电气参数以及镜头与激光器之间的位置关系，对镜头种类和参数、 CCD 芯片型号还有光学成像系统的结构进行选择和确定。 第 三 部分为硬件电路设计 ， 主要包括 CCD芯片工作方式的介绍，相关引脚的功能、 CCD 与单片机之间的连接关系以及单片机最小系统设计。 第 四 部分为软件设计 ， 软件设计主要包括 C
41、CD 驱动信号控制算法 、单片机对采集信号的处理算法、距离解算算法、采样点分割算法以及上位机接收显示算法的设计。 第 五 部分为系统调试 ， 在设计好光学采集系统 、硬件电路模块、软件算法之后，需要对系统进行整体性测试和调整，保证系统测试结果的精度、速度以及相关功能达到预期要求。 武汉理工大学硕士学位论文 8 第 2 章 雷达系统结构设计 2.1 整体结构设计 如图 2-1所示为雷达系统的整体机械结构的俯视图，其中激光器、镜头固定在测距机构上， 光电传感器 、 CCD、单片机等电气元件都安装在系统电路板上，测距机构和系统电路板连接为一个整体，形成系统的旋转机构，外部电机通过传动装置带动旋转机构
42、围绕转动轴逆时针方向匀速旋转，实现测距模块旋转扫描的目的。在转动过程中，外部电机和雷达固定底座始终固定不动，雷达固定底座作为承载旋转机构的载体。 图 2-1 雷达整体结构模型俯视图 为了实现雷达转速手动可调功能，在雷达固定底座内圈均匀设置15 个固定凸起的遮挡片，每个遮挡片的编号如图所示，共有 15 个遮挡片和 15 个空隙。每个遮挡片及其 逆时针方向相邻空隙长度之和相等，其中遮挡片 114 号长度相等 ，且 114 号 遮挡片与其逆时针方向的相邻空隙长度相等。 遮挡片 0 号的长度为其它遮挡片的 1/2。遮挡片的功能在于阻挡卧槽型 光电传感器 ，使 光电传感器 产生高电平脉冲。在旋转期间，当
43、 光电传感器 没有被遮挡时， 光电传感器 输出信号始终为低电平。当 光电传感器 被旋转机构带动至遮挡片处， 光电传感器 就会因为被遮挡片阻挡而发出高电平脉冲，单片机接收到 光电传感器 输出信号的跳变，进行相应的驱动控制即可根据雷达转速调整系统的工武汉理工大学硕士学位论文 9 作频率，保证雷达一周采样点数不因雷达转速变化而改变，从 而实现雷达转速手动可调的功能，单片机对测距频率的具体控制过程参见4.1.4 节。 2.2 测距方案的选择 激光具有亮度高、方向性强且相干性好等特点，非常适用于距离测量，基于激光的测距技术测量范围广、测量精度高且抗干扰能力强。当前常见的激光测距技术主要有：脉冲法激光测距
44、、相位法激光测距、干涉法激光测距和三角法激光测距等。在智能移动机器人的自主导航领域，一般要求激光雷达具有体积质量小、测量精度高、测量范围广等特点，所以目前广泛使用的是利用激光脉冲的飞行时间或利用连续光相位差来进行采样点距离的计算。虽然利用这些方法所得到的测量结果精度高、范围广，能严格满足工业移动机器人对于环境扫描的要求。但这种方法设计出的雷达硬件电 路复杂，质量体积较大，制造成本高昂，对于雷达在民用机器人、室内服务机器人等领域的推广和普及带来了一定的困难，并且在三维激光雷达领域也是如此。 而 三角法激光测距技术相对于其它几种测距技术来说，具有测量速度快，系统体积小，实现成本低以及硬件构造简单等
45、优点，因此非常适合室内服务机器人领域的应用。所以本系统采用三角法激光测距技术作为距离采样方案。 2.2.1 激光三角测距原理介绍 激光三角测距法主要有两种类型：直射式测距和斜射式测距。两种测距方法的基本原理都是一致的，即 激光器向被测目标投射一道准直的激光束 ， 激光光束在 目标表面形成激光光斑 ， 图像传感器采集激光光斑的图像信息 ， 当激光光斑沿着激光束方向发生一定位移时 ， 激光光斑在 CCD 成像面上的光斑图像也将发生一定的像位移，利用像位移与光斑实际位移之间的关系可以由像位移计算得到光斑的实际位移，进而得到被测目标与传感器之间的实际距离。 图 2.2 所示为直射式三角激光测距法的原理
46、图： 武汉理工大学硕士学位论文 10 图 2-2 直射式激光三角测距原理图 首先激光器通过聚焦透镜向待测物体表面垂直发射准直的激光光束 ， 当待测物体沿光束方向平行移动距离 x 时 ，入射点处的 激光光斑也将沿着光束方向移动距离 x。此时激光光斑的散射光透过接收透镜聚焦在 光电探测器 （ 一般为 CCD 或 PSD）成像面上，光电探测器通过光电转换过程采集激光光斑的图像信息，利用图像信息解算激光光斑的图像位移，进而利用光斑像位移与实际位移之间的关系解算出光斑实际移动距离。成像结构各参数如图 2-2 所示，具体位移计算过程如下： a na )(cos 22 （ 2-1） sin =n/a （ 2
47、-2） xncos（ 2-3） s i nc o sc o ss i ns i n90s i n c o s90c o s90c o s901 8 0c o sc o s （ 2-4） 由相似三角形原理得 ： )( 22 na bnx （ 2-5） n x 光电探测器 会聚透镜 激光器 a b x 接收透镜 武汉理工大学硕士学位论文 11 激光光斑在 CCD 成像面上的像位移与光斑实际位移之间的关系可由式（ 2-1）至（ 2-5）综合解得： cossin xb xax （ 2-6） 如图 2.3 所示为斜射式激光三角测距法基本原理图： 图 2-3 斜射式激光三角测距法基本原理 同直射式三角激光
48、测距法类似 ，只是激光发射器相对于物体表面发生了一定的倾斜，即激光光束的入射方向与待测物体表面法线成一定的角度 1 ，物体表面沿着激光束方向发生一定的位移，也将导致激光入射点沿激光光轴方向发生一定的位移，并反映在图像传感器上，利用像位移也可得出光斑的实际位移。 由于斜射式激光三角测距法激光入射方向与待测物体表面法线成一定角度，不需要满足激光光轴与被测物表面严格垂直的要求，所以斜射式三角测距法适用范围更广。同时直射式激光光斑散射光线能够被传感器采集到的能量比斜射式更少，因此当物体表面 较为光滑，反射效果更好时，直射式三角测距法并不适用，斜射式对于物体表面的反射率并无过高要求，保证物体表面较为平整即可。 斜射式三角测距的各结构参数如图 2-3 所示， 计算公式如下 ： s i n)c o s (c o s)s i n ()s i n ( 212121 （ 2-7） 由相似三角形原理得 ： CCD 接收透镜 夹角 n m a b 激光会聚透镜 武汉理工大学硕士学位论文 12 )( 22 na bnx （ 2-8） )( bcos
