一種激光雷達測距系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機器人自動化領域。涉及一種基于自觸發原理的高精度激光測距系統
【背景技術】
[0002]移動式機器人在未知環境下(如自主導航、地質探測、行星表面巡視等)需要實時快速獲取與前方目標障礙距離，以便進行路徑規劃、任務規劃以及機械臂展開規劃等操作。因此良好的視覺系統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，實時性好等優點，因此激光測距技術成為視覺系統中應用最為廣泛的技術之一。
[0003]目前應用的激光測距系統按照原理可劃分為脈沖式、相位式和干涉式。脈沖式通過計量測量激光脈沖的往返時間間隔來計算距離，適用于測量遠距離的任意目標，但測距精度較低；相位式通過激光光波在傳遞過程中發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而非任意目標進行測量；干涉式僅適用于測量薄膜厚度。據此可知任意未知環境下測距只可使用脈沖式激光測距系統，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十公里距離的誤差為1_，但由于皮秒脈沖激光器結構復雜，調試操作難度較高，體積較大，不適合于空間有限的移動式機器人中以及未知惡劣環境中。而若使測距精達到毫米級，使用基于普通激光發射模塊的現有產品不僅結構復雜，體積龐大，可移動性差，且造價成本高昂。因此本發明在脈沖測距的基礎上提出基于自觸發原理的測改進距方案，計時精度由幾十微秒、幾百皮秒提高至最高達22皮秒，測量精度可達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。
【發明內容】
[0004]針對現有的普通一次測量式脈沖激光測距系統存在的測量時間精度低、測距分辨率低等缺陷，本發明提出了一種新型的基于自觸發原理的激光雷達測距系統，即在系統內部通過反射光接收模塊自主觸發激光發射模塊形成多次循環測量，多次測量可將待測距離擴大一定倍數，延長測量時間，并且測量一次性完成，能夠顯著提高測量精度。
[0005]一種新型激光雷達測距系統，由上位機和下位機組成，上位機為PC機I，PC機I上運行有測距控制平臺，帶有可視化界面，PC機I的顯示器12用于顯示系統狀態及測量結果，上位機通過串口總線與下位機通信。下位機包括激光發射模塊、激光接收模塊、計時模塊、邏輯模塊和控制模塊。
[0006]激光發射模塊采用PIN激光發射器3，PIN激光發射器3發射測量激光脈沖，PIN激光發射器3的脈沖輸入端使用“或”邏輯門驅動，一路用于開始測量信號輸入、另一路用于自觸發測量信號輸入，PIN激光發射器3有一邏輯輸出端、在發射激光脈沖時同步給出一時間信號電平；激光接收模塊采用AH)激光接收器7，集成有放大、濾波、電源、溫度補償等環節，當收到PIN激光發射器3的激光脈沖反射光時輸出邏輯正電平。PIN激光發射器3的激光發射峰值功率波長恰位于APD激光接收器7的峰值響應功率波長附近，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反射光脈沖信號。
[0007]計時模塊包括時刻鑒別器19、時刻鑒別器IIlO和高精度計時器11，時刻鑒別器19與IIlO分別用于對測量開始信號和終止信號的時刻進行識別，高精度計時器11用于兩者的時間間隔測量，計時器帶有手動配置式寄存器，用于設定測量范圍以及時間精度；
[0008]邏輯模塊包括計時開始鎖定器6和邏輯判斷計數器8，計時開始鎖定器6為單輸入單輸出，輸入端與PIN激光發射器3的時間信號電平端相連，用于捕捉并鎖定計時開始信號，其輸出端連接時刻鑒別器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后續的信號輸入，防止多次觸發計時器的開始信號輸入造成計時錯誤；邏輯判斷計數器8為單輸入雙輸出、用于自觸發的計數和判斷，首先輸入端獲得APD激光接收器7給出的反射光電信號，進行計數判斷，當計數達預設值時第一輸出端將向時刻鑒別器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激光發射器3上一次的發射測量脈沖到下一次發射測量脈沖時間周期即為一個自觸發周期。
[0009]控制模塊采用單片機控制器2，其主要功能用于與PC機I進行指令接收和測量結果上傳，以及與計時模塊進行通信用于手動配置、讀取結果等。
[0010]與已有技術相比，本發明具有以下優點:
[0011 ] (I)采用小型脈沖式激光發射模塊，體積小巧，質量輕便，便于安裝，發射模塊峰值發射波長和接收模塊峰值響應波長接近且都遠離可見光波段，減少了環境光干擾，接收性能可靠。
[0012](2)直接使用激光發射模塊的同步時間信號輸出端作為計時開始信號輸入，這樣便省去了分光鏡、分光放大電路的設計，大大簡化了系統結構，且避免了分光放大電路的環境干擾、非線性等因素對測量結果帶來的影響。
[0013](3)通過自觸發原理提高測距精度，自觸發可以延長測量時間、將待測距離擴大一定倍數，避免在測量近距離時由于測量時間太短導致分辨率低于系統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重復測量帶來的耗時過長以及消耗存儲空間存儲測量數據。一般自觸發使用FPGA等可編程器件，但是可編程器件線性度較差，會導致誤差對測量結果的影響難以把握，從而無法對結果進行定性分析及誤差補償，而本系統使用常用器件搭建自觸發電路，保證了線性度，使得測量結果穩定。
[0014](4)使用高精度時間數字計時芯片，并且可通過PC上位機平臺控制軟件界面以及單片機控制系統手動進行寄存器配置以選擇測量范圍及測量精度，操作簡便靈活，系統適應能力強。結合自觸發原理可使測量結果精度可達幾十皮秒。
【附圖說明】
[0015]圖1為本自觸發式激光測距系統的全系統框圖，圖2為激光發射模塊的輸入驅動電路以及計時開始鎖定器6的電路圖；
[0016]圖3為邏輯判斷計數器8的電路連線圖；
[0017]圖4為第一次測量時的開始信號鎖定操作流程圖；
[0018]圖5為自觸發過程的流程圖，此過程包括邏輯判斷計數器的判斷和自觸發計數操作；
[0019]圖6為本系統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到讀取處理結果；
[0020]圖7為單片機控制器根據收到的不同操作標志字執行不同操作的選擇分支流程圖。
[0021]圖中:I一PC機，2—單片機控制器，3 — PIN激光發生器，4一被測目標，5—發射接收端的透鏡，6—計時開始鎖定器，7—AH)激光接收器，8—邏輯判斷計數器，9一時刻鑒別器I，10—時刻鑒別器II，11 一高精度計時器，12—顯示器；301—PIN激光發射主體；302—“或”邏輯門a ;601 — “或”邏輯門b ;602— “或”邏輯門C。
【具體實施方式】
[0022]以下結合實例與附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0023]圖1示出了本發明自觸發式激光測距系統的全系統框圖。PC機I與顯示器12組成上位機系統；單片機控制器2與PC機I使用串口進行通信，單片機控制器2的I/O接口連接高精度計時器11，用于進行通信測試、寄存器配置及結果讀取等操作；PIN激光發射器3的輸入使用二輸入“或”邏輯門驅動，邏輯門一輸入端連接單片機控制器2，用于發射第一次測量脈沖，另一端連接邏輯判斷計數器8，用于自觸發循環測量；PIN激光發射器3的時間電平輸出端連接計時開始鎖定器6，再輸出給時刻鑒別器19，最后再連接高精度計時器11，用作計時開始端；PIN激光發射器3透過一透鏡5向被測目標4發射測量激光束，APD激光接收器7透過另一透鏡5接收反射光束，兩透鏡5的作用用于擴大視野;APD激光接收器7的輸出端連接邏輯判斷計數器8，邏輯判斷計數器8帶有兩路輸出，一路通向PIN激光發射器3，另一路通向時刻鑒別器1110，同樣連接高精度計時器11，用作計時停止端；系統計時芯片包括時刻鑒別器19、時刻鑒別器IIlO和高精度計時器11 ;該系統計時芯片內有手動配置式寄存器，用于選擇測量范圍和時間精度；系統計時芯片采用德國ACAM公司所產高速高精度時間數字測量芯片TDC-GP21。
[0024]圖2示出了激光發射模塊的輸入驅動電路以及計時開始鎖定器6的電路圖，PIN激光發射器3的PIN激光發射主體301使用日本濱松光電(HAMAMATSU)所產的集成式脈沖激光二極管發射模塊C6582，PIN激光發射器3的“或”邏輯門a302為輸入驅動電路；“或”邏輯門a302的一端連接單片機控制器2，該輸入端僅第一次測量時使用，一端連接邏輯判斷計數器8，用于自觸發輸入。
[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觸發器，“或”邏輯門c602 —輸入端連接PIN激光發射器3的同步時間信號輸出端，一旦收到電平信號，RS觸發器翻轉，使得“或”邏輯門a601固定輸出高電平給時刻鑒別器19作為計時開始信號，此后便不再翻轉，這樣便保證了計時開始信號不會被多次觸發造成計時錯誤；“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示出了邏輯判斷計數器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、溫度補償、增益調節及PC機COM通信等單元。邏輯判斷計數器8采用同步十進制計數器74LS160，ENT,ENP端以及LD置數端和MR清零端全部接高電平，使得計數有效，從O開始，