本文關鍵詞：基于自觸發(fā)原理的脈沖式激光雷達測距系統(tǒng)研究

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【摘要】：地外行星自主巡視器需要依靠攜帶的科學儀器進行對自身狀態(tài)的檢測以及對所處環(huán)境的識別,并進行行星表面考查探測、樣品收集等工作。但行星表面的地理環(huán)境完全未知,因此巡視器必須能夠?qū)τ谒幁h(huán)境做出實時感知并進行動態(tài)路徑規(guī)劃、障礙回避等活動。完善的視覺系統(tǒng)是進行以上工作的必要前提。而受搭載運輸條件以及巡視器自身體積所限,視覺系統(tǒng)必須要做到輕便、體積小、性能優(yōu)越、并且實時性好。激光測距系統(tǒng)具有精度極高、性能穩(wěn)定、非接觸測量等優(yōu)勢,成為行星表面探測巡視器視覺系統(tǒng)重要的組成部分�；诖苏撐奶岢隽艘环N小型高精度激光雷達測距系統(tǒng)設計方案。該測距系統(tǒng)基于改進型的自觸發(fā)原理,只通過系統(tǒng)內(nèi)部的硬件邏輯判斷模塊而非FPGA、CPLD等程序判斷模塊,使得接收模塊輸出的光電轉(zhuǎn)換信號自動觸發(fā)激光發(fā)射模塊形成多次循環(huán)測量,循環(huán)結(jié)束后測量總的時間間隔,通過公式推導計算出待測距離。這樣既解決了縮短測量距離與提高精度的矛盾,又解決了多次重復測量帶來的用時過長問題。首先,論述了激光發(fā)射模塊和接收模塊的選擇,由于自觸發(fā)系統(tǒng)只能使用脈沖信號而非連續(xù)信號進行觸發(fā)操作,故發(fā)射模塊必須選擇脈沖激光而非連續(xù)激光發(fā)射模塊,接收模塊的峰值響應功率必須接近于發(fā)射模塊的峰值發(fā)射功率才能有效地接收反射光。然后,分析了自觸發(fā)的原理,提出了具體實現(xiàn)方案并進行了實驗驗證,由于激光飛行時間非常短暫,而系統(tǒng)眾多模塊的響應延遲必然會對測量結(jié)果造成重大影響,因此對于系統(tǒng)模塊的響應延遲做了詳細分析,得出了由于延遲而對測量結(jié)果帶來的誤差的規(guī)律,提出了修正補償方案并進行了實驗驗證。論文最后論述了時間間隔測量模塊的原理與設計方案,該系統(tǒng)使用德國ACAM公司所產(chǎn)的TDC-GP21高精度計時芯片,以此為基礎詳細介紹了時間測量模塊的軟硬件設計,利用STC系列51型單片機并配合以自行編寫的PC上位機控制程序進行了多次測量實驗,對實驗數(shù)據(jù)進行了分析處理并應用了修正補償方案,達到了預期的實驗效果。本方案基于自觸發(fā)原理和TDC-GP21高精度計時芯片,可使測距結(jié)果誤差波動在1cm范圍內(nèi)。
【關鍵詞】：激光測距 自觸發(fā) 脈沖式 響應延遲 時間間隔測量
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN958.98
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-17
• 1.1 引言9-10
• 1.2 激光雷達測距技術的應用10-11
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-14
• 1.3.1 激光測距技術的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀11-13
• 1.3.2 高精度時間測量技術的發(fā)展13-14
• 1.4 課題來源14-16
• 1.5 論文組織結(jié)構16-17
• 第2章 激光雷達測距系統(tǒng)結(jié)構設計17-39
• 2.1 引言17
• 2.2 常用激光測距方法及對比17-20
• 2.2.1 脈沖式測距法17-19
• 2.2.2 相位式測距法19-20
• 2.2.3 測距方法的對比選擇20
• 2.3 自觸發(fā)式脈沖激光測距系統(tǒng)設計20-26
• 2.4 激光發(fā)射器件選型26-27
• 2.5 激光發(fā)射模塊27-30
• 2.5.1 模塊簡介27-29
• 2.5.2 模塊實驗測試29-30
• 2.6 激光接收器件選型30-32
• 2.7 激光接收模塊32-35
• 2.7.1 模塊簡介33-34
• 2.7.2 實驗測試34-35
• 2.8 系統(tǒng)可行性分析35-37
• 2.9 本章小結(jié)37-39
• 第3章 自觸發(fā)的硬件設計39-53
• 3.1 概述39
• 3.2 窄脈沖信號發(fā)生器39-42
• 3.2.1 方案設計39-41
• 3.2.2 實驗測試41-42
• 3.3 第一接收通道的設計42-43
• 3.4 窄脈沖輸入環(huán)節(jié)43-44
• 3.5 測量開始信號鎖定單元的設計44-47
• 3.5.1 結(jié)構設計44-46
• 3.5.2 實驗測試46-47
• 3.6 自觸發(fā)計數(shù)單元的設計47-49
• 3.6.1 器件選擇47-48
• 3.6.2 結(jié)構設計48-49
• 3.7 系統(tǒng)響應延時的分析49-51
• 3.8 本章小結(jié)51-53
• 第4章 時間間隔測量單元的設計53-69
• 4.1 引言53
• 4.2 時間間隔測量的基本原理53-56
• 4.3 TDC時間間隔測量單元的設計56-67
• 4.3.1 TDC-GP21的結(jié)構及工作原理56-58
• 4.3.2 TDC-GP21硬件電路結(jié)構與設計58-60
• 4.3.3 TDC-GP21工作方式的設置60-64
• 4.3.4 PC上位機程序設計64-67
• 4.4 TDC測量結(jié)果的計算與校準67-68
• 4.4.1 TDC測量結(jié)果的計算方法67
• 4.4.2 TDC測量結(jié)果校準67-68
• 4.5 本章小結(jié)68-69
• 第5章 系統(tǒng)實驗與驗證69-77
• 5.1 引言69
• 5.2 實驗環(huán)境69
• 5.3 實驗實施69-71
• 5.4 結(jié)果分析71-76
• 5.5 本章小結(jié)76-77
• 總結(jié)與展望77-79
• 參考文獻79-83
• 攻讀碩士學位期間所發(fā)表的學術論文83-85
• 致謝85

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 朱煜,陳進榜,卿光弼,朱日宏,劉暉;人眼安全激光測距機的一些進展[J];激光雜志;1998年06期

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 黃震;脈沖激光測距接收電路與計時方法研究[D];浙江大學;2004年

2 李琳;基于時—空關系的時間間隔測量[D];西安電子科技大學;2008年

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本文編號：931014