[硕士论文精品]双目视差数字式测距仪信号处理系统

摘要测距仪应用在距离测量和目标方位的确定上，不仅在常规的河道测量、建筑施工和线缆的铺设上而且在军事打击目标的确定，车辆防碰撞，机器人视觉等前沿科技上也有广泛的使用。本文在分析了现有的一些测距方法的优点及不足后，选择了双目视差作为测距系统的基本理论。基于双目视差的数字式测距仪是被动式、非接触测距仪，与主动式测距仪相比，无需发射信号，只被动接受信号，因此不易暴露己方目标，不接触被测物体，不影响被测物体性状，可重复测量；与传统的双目视差测距工具相比、自动匹配、自动测量，无须手工测算，具有快速、可靠性高的优点，在测距为5006000M之间，其理论精度可达L。本文对基于双目视差的数字式测距仪的原理、研制方案和实验等方面进行了系统的研究，完成的主要工作有L、通过分析双目视差的原理，研究了系统结构参数与测量范围和精度的关系，在前期的基础上，改进设计了测距仪的结构设计。2、完成了基于双目视差的数字式测距仪的数据采集电路，包括CCD驱动电路与信号放大与滤波单元，信号数字化单元与缓存单元，系统控制以及数据处理控制电路。3、完成了上位机控制程序和数据处理的嵌入式软件设计。4、搭建了系统并进行了测试实验，通过对实验结果的分析，在实时性上和测量精度上对系统的硬件电路和数据处理算法进行验证。关键词测距仪，双目视差，归一化相关系数，CPLD，ARM嵌入式控制系统ABSTI认CTRANGEFINDERSAREWIDELYUSEDTOMEASUREDISTANCEORDETECTTARGETORIENTATIONINEARTHMEASURE，NOTONLYINCLUDINGRIVERWIDTHMEASUREMENT、ARCHITECTURALMEASUREMENTCONSTRUCTIONANDCIRCUITRYPAVING，BUTALSOINCLUDINGVEHICLEAVOIDINGCOLLISION、ROBOTVISIONANDMILITARYAFFAIRSANDOTHERSHII曲TECHFIELDTHERANGEFMDERSYSTEMINTHISPAPERDESIDEDTOBASEONBINOCULARPARALLAXAFTERANALYZINGSTRONGPOINTSANDSHORTAGESOFDIFFERENTDISTANCEMEASUREMENTSTHEDIGITALRANGEFINDERBASEDONBINOCULARPARALLAXISAPASSIVE，NONCONTACTRANGEFINDERWHICHCOMPAREDWITHACTIVERANGEFINDERSNEEDNTSENDSIGNAL，WHICHONLYPASSIVELYRECEIVESIGNAL，SOITISFREETOEXPOSEYOURSELF，WHATSMORE，ITDOESNTCONTACTTARGET，DOESNTINFLUENCETHECHARACTEROFTHEMEASUREDOBJECT，SOITCANBEREPEATEDCOMPAREDWITHTRADITIONALBINOCULARPARALLAXRANGEFINDER，THEDIGITALRANGEFMDERNEEDNTMANUALMEASURINGANDCALCULATION，WHICHCANMATCHANDCALCULATIONAUTOMATICALLY,SOITHASHIGHSPEEDANDPRECISIONANDRELIABILITYWHENITSMEASURINGSCALEBETWEEN500MAND6000M,ACADEMICPRECISIONCANREACHLATTHISPAPER,WESYSTEMICRESEARCHTHETHEORY,PRECEPT,MANUFACTUREOFTHED诤TALRANGEFINDERSBASEDONBINOCULARPARALLAX，WECOMPLETETHOSEWORK1，BYANALYZINGTHETHEORYOFBINOCULARPARALLAX，WESTUDIEDTHERELATIONSHIPOFSTRUCTURALPARAMETER,MEASURESCALEANDPRECISIONBASEDONTHEOTHERSWORK，IMPROVINGTHEDIGITALMEASUREMENTSTRUEMREDESIGN2，HAVECOMPLETEDTHEDIGITALRANGEFINDERSSIGNALCOLLECTIONANDPROCESSINGSYSTEM,INCLUDINGDRIVESOFCCD，MAGNIFYINGCIRCUITANDFILTER,ADCANDBUFFERMEMORYCELL，SYSTEMCONTROLANDDATAPROCESSINGCELL3，COMPLETEDTHEDATAPROCESSINGPROGRAMMAONEMBEDDEDSYSTEMANDCONTROLPROGRAMMAONPC4，WESETUPTHEDIGITALRANGFINDERANDCARRYTHROUGHMEASURINGTESTBYANALYZINGTHETESTDATA，VALIDATEDTHESYSTEMCIRCUITDESIGNANDEMBEDDEDDATAPROCESSINGARITHMETICONREALTIMEANDMEASUREMENTPRECISIONKEYWORDSRANGEFINDER,BINOCULARPARALLAX,NORMALIZEDCORRELATIONCOEFFICIENT，CPLD，EMBEDDEDCONTROLSYSTEMBASEONARM独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名叶剖锄签字日期D年7月舌日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解一墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授权鑫注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名吁FF声7笔导师签名签字日期。车7月日签字日期日L15200BAUD19200；UOLCR0X80；DLAB位置LQUSHFPCLK4BAUD；UODLMQUSH8；UODLLQUSH0XF0；UOLCROX03设置附加位IFADDBIT100110011，0禁止访问，O禁止间隔，11附加位为0，0禁止奇偶校验，01个停止位，118位数据长度UOLCR0X33；ELSE00000011，0禁止访问，0禁止间隔，00无附加位，啦禁止奇偶校验，01个停止位，118位数据长度UOLCR0X03；设置中断第四章系统信号处理算法及软件IFINTEN1VICINTSELECTOX00000000；设置所有通道为MQ中断VICVECTCNTL60X26；UART0中断通道分配到MQ6VICVECTADDR6INTIRQUART0；设置UART0向量地址VICINTENABLEBMBIT6；使能UART0中断UOIER0X01；ELSEVICINTSELECTOX00000000；VICVECTCNTL60X26；SLOT0，即优先级最高VICVECTADDR6INTIRQ_UART0；VICINTENCLRBMBIT6；UOIEROX00；设置FIFOSWITCHFIFANOCASE0UOFCR0X01；BREAK；CASELUOFCR0X41；BREAK；CASE2UOFCR0X81；BREAK；CASE3不允许RBR中断，设置所有通道为IRQ中断UART0中断通道分配到IRQ设置UART0向量地址关闭UART0中断不使用FIFO，并设置触发点为1字节使用FIFO，并设置触发点为4字节使用FIFO，并设置触发点为8字节29第四章系统信号处理算法及软件UOFCROXCL；使用FIFO，并设置触发点为14字节BREAK；DEFAULTUOFCROX01；使用FIFO，并设置触发点为L字节BREAK；RETURN；在系统启动初始化后，通过查询法来接收上位机送来的设置命令及向上位机传送目标测量结果，主频设置，积分时间设置及测量结果读取的过程如下VOIDUCOMWORKVOIDUARTO命令处理函数UINTL6I；SWITCHCOMMCASE0XAA通讯连接SENDBYTE0COMM；DYNMS1；BREAK；CASEOXFO系统端口功能及状态初始化INITPORTO；SENDBYTEOCOMM；DYNMS2；BREAK；CASEOXFL设置当前工作频率COMMLRECEIVBYTE060000；IFCOMMLOX8000COMMLRECEIVBYTE060000；如果超时则送出数据第四章系统信号处理算法及软件IFCOMMLOX07COMML0X00；FIENOCOMML1FCLKSETFIENO1；DYNMS10；SENDBYTE0COMM1；LONG2STRFIENO，4；FORIO；IOX8000COMMLRECEIVBYTEO60000；COMM2RECEIVBYTE060000；接收积分时间低8位IFCOMM2OX8000COMM2RECEIVBYTE060000；JFSJCOMM1；JFSJIFSJ8；SENDAA；DELAY1000；36一清空发送FIFO给ARM发送设置指令先送高8位第四章系统信号处理算法及软件BBVER0X00FF；SENDBB；FORI0；I二7一。一一一54D不同长度窗口匹配判据曲线第五章实验结果与分析结论对于第一种算法，为了更好的得到匹配结果，提高匹配精度，采取的方法为特征窗口大小为13至12，并且用两个不同长度的窗口去匹配，比较两次匹配结果，如果相差不大，则选取两次结果的均值作为最后匹配值输出。但如果为采取第二种方法，其特征窗口可以选的更小些，也能准确地匹配，这便于提高系统的测量精度。523环境噪声对匹配结果的影响为了考察环境噪声的影响，采取的办法是在条件不变的情况下，比较不同时刻采集的数据的匹配结果，用其变动的范围来衡量噪声的影响。以下数据是在同一采集频率和积分时间下所得。利用第一种算法所得结果如图55A。图55A第一组判据曲线第五章实验结果与分析图55B第一组判据局部图从图中可以看出在噪声的影响下，匹配位置有2个像素的变动，即其匹配误差为2个像元。采用第二种算法所得的结果如图56图56A第二组判据曲线其匹配位置基本不变，局部放大图像如图56B所示。第五章实验结果与分析足我图56B第二组判据局部图从图中可以明显看出，噪声的影响下，误差为2个像元。为了更好的说明噪声的影响，再对另一组数进行处理，这组数的采集也满图57第二组原始数据利用第一种算法得到的结果如图58CA和58B。第五章实验结果与分析图58B第一组判据曲线局部图从图中可以看出在噪声的影响下，匹配位置有2个像素的变动，即其匹配误差为2个像元。采用第二种算法所得的结果如图59A第五章实验结果与分析图59FAL第二组判据曲线；J一一一一一JJ，IJ。IJ。II。一一I厂。X。LZIHJ一一一一L一一一一。一一一一；一。一一一一二一一一一一一一一I一一一一一一一一一、一一一一一J一，J一一T三歹RFR一O鬈00OI一；J。图59B第二组判据曲线局部图比较图55B和图56B以及图58BNFN59B，噪声对两种算法的影响一样且匹配位置一致，但第二种采用归一化相关算法的判据结果跟清晰，即其抗噪声的能力更强一些。通过对不同影响因素的分析可知，改进的归一化相关系数匹配算法要优于差的平方和匹配算法。第五章实验结果与分析524目标上有周期性细节这种情况下，灰度曲线表现为周期性的变动，藕垂瓣蒸L一|蘸粪萎一图510为了验证周期性细节对匹配的影响，将所采集的数据处理对应如下周期性细节分别取窗口为2000和1000像元长度，图511第一组判据曲线从图511可以的出，对于存在周期性细节，用第一种算法没有匹配结果，即第一种算法此时失效。第五章实验结粜与分析圈匡鍪囵图512A归一化相关系数曲线图512B归一化相系数晟大值对图512A和图512B，因为匹配起始位置为同一值2404，即图512中灰度曲线的质心对应的位置。所以匹酉己后所得位置差第一个为L和4LT而图5112中两曲线的位置差为41所以对于存在周期性细节的目标，匹配窗13小匹配时更准确，这也进一步说明归一化相关系数匹配法比差的平法和匹配法要更适合。53实验系统结构主电路板苎至壅竺堕墨苎坌塑CCD及与镜头接口实验系统一寨J5,4总结与展望图516实验系统实物图541工作总结本文通过对双目视差原理的分析，设计了一种基于其原理的数字式澜4距仪第五章实验结果与分析完成了数据采集的硬件设计到数据处理的软件编写，并在此基础上进行了实验研究。L、通过分析双目视差的原理，研究了系统结构参数与测量范围和精度的关系，在前人的基础上，改进设计了测距仪的结构设计，增加的系统摆放的稳定性。2、完成了基于双目视差的数字式测距仪的数据采集电路，包括CCD驱动电路与信号放大与滤波单元，信号数字化单元与缓存单元，系统控制以及数据处理控制电路。3、完成了上位机控制程序和数据处理的嵌入式软件设计。4、通过对实验结果的分析，在实时性上和测量精度上对系统的硬件电路和数据处理算法进行验证。542展望随着研究的不断深入，对课题的各个方面的内容有了更加深刻的认识，现提出课题进一步的研究内容如下1通过远心光路减少弥散斑的影响。2从仪器整体角度出发，进一步改进机械结构，可将T型横必改成可拉伸的2段，在不测量时减少所占空间便于携带。3在测量精度上，可改用像敏单元更多，像元更小的线阵CCD。4由于CCD分辨率的制约，匹配精度受到限制，可以在上述算法的基础上，通过曲线拟合的方法来提高精度。参考文献参考文献1陈安健，郑炜，脉冲激光测距系统中非球面物镜的设计，激光与红B2005年35卷7期2王湘君，周春艳，立体视觉概述，电脑知识与技术，2005年3管业鹏，顾伟康，基于双目视觉的基准差梯度立体匹配法，传感技术学报，2001年3月第1期4李万利，设计双目视差立体电视系统的技术研究，电子测量，2001年11期1331385赵辉，尹志勇，王正国，基于立体显示器的立体视觉实现，医疗卫生装备，2005年26卷5期6胡萍，超声波测距仪的研制，计算机与现代化，2003年10期7吴秋轩，曹广益，家用服务型吸尘机器人的发展与现状，电气传动自动化，2003，256148杨国清，向忠祥，新型下水管道自动清淤机器人J，给水排水，1997，23354569王建波，激光测距仪原理及应用，开发应用10孙长库，叶声华，激光测量技术，天津大学出版社11林小倩，林斌，潘泰才，基于CMOS单点激光三角法测距系统设计，光学仪器2006年28卷2期12卢晋人，黄元庆，激光三角法测量表面形貌，厦门大学学报，2004年OL期133孟宗，刘彬，激光多普勒扭矩非接触测量的研究，光电工程2006年33卷6期889114王之江，顾培森，实用光学技术手册，机械工业出版社86586715刘星云，胡德敬，中心裂像调焦模拟实验仪，物理实验2003年23卷1期293116赵勋杰，李成金，双目立体实时测距系统的关键技术研究，激光与红外，2006第36卷第9期17郁道银、谈恒英主编，工程光学，机械工业出版社，2000年1月第一版2730参考文献183李刚，张恒金，红外两档变倍光学系统设计，红外与激光工程，2006年35卷4期19赵公仪，弥散斑与景深，影视技术，2003年5期202220刘文耀，光电图像处理，北京电子工业出版社，200221全薇，王肇圻，张春书，母国光用模版匹配法选取光斑质心探测窗口，光电子激光，第13卷第11期，2002年11月22徐建平，王新程，精通AUTOCAD2004中文版，清华大学出版社，200323TOSHIBACOMPANY，TCDL501DDATASHEET24王庆有，图像传感器应用技术，电子工业出版社，2003253姬先举，温志渝基于CPLD的光积分时间可调线阵CCD驱动电路设计，传感技术学报，195，2006年5月26陈燕东可编程逻辑器件EDA应用开发技术国防工业出版社，2006年5月27路而红，王曼珠，梁维铭，可编程器件应用开发指南，人民邮电出版社，200428NATIONALSEMICONDUCTOR，L姗6644DATASHEET29MTCOMPANYDATASHEETIDT7007SL30广NI立功单片机发展有限公司，LPC2114212422122214使用指南313北京纬煌公司产品资料，1LT8280DATASHEET32MAXIMCOMPANYDATASHEETMAX20233周立功等，RAM嵌入式系统实验教程一北京航空航天大学出版社34周立功等，RAM嵌入式系统实验教程二北京航空航天大学出版社35李长林，高洁，VISUALC串口通信技术与典型实例，