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激光
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跟踪
系统
设计
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单激光目标跟踪系统的设计,激光,目标,跟踪,系统,设计
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1122334455667788DDCCBBAATitle:Laser Receive BoradNumberRevisionSizeA2Date:2012/5/12Sheet ofFile:E:毕业论文Drawn By:yang hancheng P1040P1141P1242P1343P1444P151P162P173RST4P30/RXD5P43/TXD26P31/TXD7P32/INT08P33/INT19P3410P3511P3612P3713XTAL14XTAL15GND16P4017P2018P2119P2220P2321P2422P2523P2624P2725P4426P45/ALE27P4128P4629P0730P0631P0532P0433P0334P0235P0136P0037VCC38P42/RX239STC12C5A60S2_4412Y1C7C1+5123456782.4G无线接口C4C2C1+1VS+2C1-3C2+4C2-5VS-6T2OUT7R2IN8R2OUT9T2IN10T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16U1C3C5RX1TX1+5TX1RX1+3.3vCSNMOSIIRQIRQMOSICSNMISOSCKCE234VCC8167GND5DRABU3MAX485CSA+5RX2TX21234P1RS2321234P4RS485+5485_C485_C485_CRX2TX2+5R11C26C23C22C2010nC24C25C21SYNC8COMP6EN7FB5GND4VSW3VIN2BS1IC1V1+5+12vR10R1212+12v电源接口+12vGND1IN3OUT2OUT4U14REG1117- 3.3+5C18+3.3vD1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15D16D17D18D19D20D21D22D23D24D25D26D27D28D29D30D31D32D33D34D35D36D37D38D39D40CESCKMISOABABD41D42D43D44D45D46D47D48D49D50D51D52D53D54D55D56D57D58D59D60D61D62D63D64D65D66D67D68D69D70D71D72D73D74D75D76D77D78D79D80D81D82D83D84D85D86D87D88D89D90D91D92D93D94D95D96D97D98D99D100D101D102D103D104D105D106D107D108D109D110D111D112D113D114D115D116D117D118D119D120D121D122D123D124D125D126D127D128D129D130D131D132D133D134D135D136D137D138D139D140D141D142D143D144D145D146D147D148D149D150D151D152D153D154D155D156D157D158D159D160D161D162D163D164D165D166D167D168D169D170D171D172D173D174D175D176D177D178D179D180D181D182D183D184D185D186D187D188D189D190D191D192D1GD2VCC3D1+5D1GD2VCC3D2+5D1GD2VCC3D3+5D1GD2VCC3D4+5D1GD2VCC3D5+5D1GD2VCC3D6+5D1GD2VCC3D7+5D1GD2VCC3D8+5D1GD2VCC3D9+5D1GD2VCC3D10+5D1GD2VCC3D11+5D1GD2VCC3D12+5D1GD2VCC3D13+5D1GD2VCC3D14+5D1GD2VCC3D15+5D1GD2VCC3D16+5D1GD2VCC3D17+5D1GD2VCC3D18+5D1GD2VCC3D19+5D1GD2VCC3D20+5D1GD2VCC3D21+5D1GD2VCC3D22+5D1GD2VCC3D23+5D1GD2VCC3D24+5D1GD2VCC3D25+5D1GD2VCC3D26+5D1GD2VCC3D27+5D1GD2VCC3D28+5D1GD2VCC3D29+5D1GD2VCC3D30+5D1GD2VCC3D31+5D1GD2VCC3D32+5D1GD2VCC3D33+5D1GD2VCC3D34+5D1GD2VCC3D35+5D1GD2VCC3D36+5D1GD2VCC3D37+5D1GD2VCC3D38+5D1GD2VCC3D39+5D1GD2VCC3D40+5D1GD2VCC3D41+5D1GD2VCC3D42+5D1GD2VCC3D43+5D1GD2VCC3D44+5D1GD2VCC3D45+5D1GD2VCC3D46+5D1GD2VCC3D47+5D1GD2VCC3D48+5D1GD2VCC3D49+5D1GD2VCC3D50+5D1GD2VCC3D51+5D1GD2VCC3D52+5D1GD2VCC3D53+5D1GD2VCC3D54+5D1GD2VCC3D55+5D1GD2VCC3D56+5D1GD2VCC3D57+5D1GD2VCC3D58+5D1GD2VCC3D59+5D1GD2VCC3D60+5D1GD2VCC3D61+5D1GD2VCC3D62+5D1GD2VCC3D63+5D1GD2VCC3D64+5D1GD2VCC3D65+5D1GD2VCC3D66+5D1GD2VCC3D67+5D1GD2VCC3D68+5D1GD2VCC3D69+5D1GD2VCC3D70+5D1GD2VCC3D71+5D1GD2VCC3D72+5D1GD2VCC3D73+5D1GD2VCC3D74+5D1GD2VCC3D75+5D1GD2VCC3D76+5D1GD2VCC3D77+5D1GD2VCC3D78+5D1GD2VCC3D79+5D1GD2VCC3D80+5D1GD2VCC3D81+5D1GD2VCC3D82+5D1GD2VCC3D83+5D1GD2VCC3D84+5D1GD2VCC3D85+5D1GD2VCC3D86+5D1GD2VCC3D87+5D1GD2VCC3D88+5D1GD2VCC3D89+5D1GD2VCC3D90+5D1GD2VCC3D91+5D1GD2VCC3D92+5D1GD2VCC3D93+5D1GD2VCC3D94+5D1GD2VCC3D95+5D1GD2VCC3D96+5D1GD2VCC3D97+5D1GD2VCC3D98+5D1GD2VCC3D99+5D1GD2VCC3D100+5D1GD2VCC3D101+5D1GD2VCC3D102+5D1GD2VCC3D103+5D1GD2VCC3D104+5D1GD2VCC3D105+5D1GD2VCC3D106+5D1GD2VCC3D107+5D1GD2VCC3D108+5D1GD2VCC3D109+5D1GD2VCC3D110+5D1GD2VCC3D111+5D1GD2VCC3D112+5D1GD2VCC3D113+5D1GD2VCC3D114+5D1GD2VCC3D115+5D1GD2VCC3D116+5D1GD2VCC3D117+5D1GD2VCC3D118+5D1GD2VCC3D119+5D1GD2VCC3D120+5D1GD2VCC3D121+5D1GD2VCC3D122+5D1GD2VCC3D123+5D1GD2VCC3D124+5D1GD2VCC3D125+5D1GD2VCC3D126+5D1GD2VCC3D127+5D1GD2VCC3D128+5D1GD2VCC3D129+5D1GD2VCC3D130+5D1GD2VCC3D131+5D1GD2VCC3D132+5D1GD2VCC3D133+5D1GD2VCC3D134+5D1GD2VCC3D135+5D1GD2VCC3D136+5D1GD2VCC3D137+5D1GD2VCC3D138+5D1GD2VCC3D139+5D1GD2VCC3D140+5D1GD2VCC3D141+5D1GD2VCC3D142+5D1GD2VCC3D143+5D1GD2VCC3D144+5D1GD2VCC3D145+5D1GD2VCC3D146+5D1GD2VCC3D147+5D1GD2VCC3D148+5D1GD2VCC3D149+5D1GD2VCC3D150+5D1GD2VCC3D151+5D1GD2VCC3D152+5D1GD2VCC3D153+5D1GD2VCC3D154+5D1GD2VCC3D155+5D1GD2VCC3D156+5D1GD2VCC3D157+5D1GD2VCC3D158+5D1GD2VCC3D159+5D1GD2VCC3D160+5D1GD2VCC3D161+5D1GD2VCC3D162+5D1GD2VCC3D163+5D1GD2VCC3D164+5D1GD2VCC3D165+5D1GD2VCC3D166+5D1GD2VCC3D167+5D1GD2VCC3D168+5D1GD2VCC3D169+5D1GD2VCC3D170+5D1GD2VCC3D171+5D1GD2VCC3D172+5D1GD2VCC3D173+5D1GD2VCC3D174+5D1GD2VCC3D175+5D1GD2VCC3D176+5D1GD2VCC3D177+5D1GD2VCC3D178+5D1GD2VCC3D179+5D1GD2VCC3D180+5D1GD2VCC3D181+5D1GD2VCC3D182+5D1GD2VCC3D183+5D1GD2VCC3D184+5D1GD2VCC3D185+5D1GD2VCC3D186+5D1GD2VCC3D187+5D1GD2VCC3D188+5D1GD2VCC3D189+5D1GD2VCC3D190+5D1GD2VCC3D191+5D1GD2VCC3D192+5CLR9S/L15CLK 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When it works, the single laser emits light in laser target, determine the position, then the laser target movement, this is the source in the original position, by a laser target the above infinite transmitter for transmitting signals to the stepper motor, and then by the single chip microcomputer to control the step motor drives the laser transmitter, so that the light sources in the the original position, in order to achieve a single laser target tracking principle.Keyword: Laser; laser receiving targets; single chip; step motor1 绪论现代工业中，对于宏观大尺寸的测量有多种测量仪器和测量方法可以实现，但测量原理和测量精度各不相同，差别很大。传统的大型精密仪器三坐标测量机不适合现场测量，测量范围有限。双经纬仪测量系统具有现场测量能力，但其测量前标定所用的高精度标准棒易变形，且制作、标定和携带棘手，无法保证精度。目前测量精度较高的是采用激光跟踪干涉动态测量的方法，这种方法最初是在机器人计量学领域发展起来的，是计量测试领域的一个新的发展方向，是激光技术在测试领域的最新应用。利用这种测量方法建立起来的激光跟踪测量系统很好地满足了大范围、高精度、无导轨柔性测量、现场测量、动态实时跟踪量等新要求，已成为许多领域不可替代的测量工具，具有非常广阔的应用前景。而单激光目标跟踪系统在精度要求不是很高的时候具有结构简单，反应快速，易于操作等优点。1.1 国内外发展现状1.1.1 国外研究现状图1-1 API等公司的激光跟踪设备Fig1-1 The company such as API laser tracking equipment激光跟踪测量系统在国外技术相对成熟，世界上许多公司和研究机构都花费了大量人力和财力研究单激光目标跟踪测量系统，且早有成型产品投入市场，在许多领域都发挥着重大作用。早在1985年，由K.Lau等人首次提出基于球坐标法测量原理的五自由度激光跟踪干涉测量系统，测量系统如图1-2中所示，测量X、Y、Z、俯仰角和偏摆角得到空间三维坐标1。J.R.Mayer基于三角法测量原理建立了激光跟踪三角法测量系统，系统需要两个激光跟踪头，在两个跟踪头间距已知的情况下测量三个角度值得到三维坐标2。0Nakamura、T.Takatsuji等人基于多边法测量原理建立了四路激光跟踪干涉测量系统16.191，只采用长度量即可得到三维坐标3。如图1-1所示。激光跟踪仪的典型系统为瑞士LEICA公司于1990年推出的第一代产品SMART310:硬件是采用美国专利技术生产的激光跟踪仪，软件是在DOS下开发的：1993年该公司又推出了SMART310的二代产品；接着在1996年推出新产品LTD500:硬件采用LEICA专利的高精度绝对距离测量仪，测量速度快，使用方便，软件采用LEICA的统一工业测量泵统平台Axyz; 2000年LEICA又推出了经济型的激光跟踪仪LT300;其中LTD500及随后的LTD800除了利用单频激光干涉测距（相对测距）外，还带有高精度绝对测距仪，测量速度更快，使用更为方便。其他公司和研究机构如美国的API和FARO公司、美国国家标准与技术研究院(NIST)、日本国家计量研究院(NRLM)、英国国家物理实验室(NPL)和德国物理技术研究院(PTB)等也相继推出了激光跟踪仪产品4。如下图1-2所示。图1-2 五自由度激光跟踪干涉系统Fig 1 - 2 Five degree of freedom laser tracking interferometer system1.1.2 国内研究现状激光跟踪仪在我国的使用始于1996年，现在随着我国航空航天、汽车、造船、机械制造、核工业等精密工业领域的发展，激光跟踪仪已经开始大量引进并广泛应用于生产实践中，例如徐风采用激光跟踪铡量系统实现了对飞机形面的测量，周莹采用莱卡公司的LTD600激光跟踪仪实现了管片检测，李迎伟等人应用LTD840实现了地铁列车检测，李广云采用LTD500实现了对车身的检测等。激光跟踪仪得到了广泛应用，但是我国激光跟踪测量系统的研制技术尚未完善， 距离国际的发展水平还有很大一段距离。激光跟踪测量系统可分为光电位置信号采集处理部分和跟踪控制部分。对于光电位置信号采集处理部分，国内外所作研究工作都比较充分，技术比较成熟。浙江大学张华基于光学三角法测量原理设计了基于PSD的测距系统，如图1-5所示，在PSD信号处理的基本电路基础上，图1-3 PSD检测系统框图Fig 1 -3 PSD block diagram of testing system图1-4 信号前置放大原理图Fig1-4 signal preamplifer principle diagram1 2 3 4 5 6 7 8计算机A/D转换直流恢复选频放大前置放大PSD传感器光学系统 图1-5 PSD应用系统框图Fig1-5 the application system of PSD对电路的前置放大器进行了深入研究，通过分析前置放大器涉及到的三种主要噪声，选用了合理的运放、反馈电阻和并联电容，以提高测量精度，而且在电路的设计中采用交流耦合方式，即在前置放大与后续处理中加一级RC高通滤波，使得信号的放大全部在交流部分完成，如此可烈达到避免运放的零点漂移和滤除低频干扰信号的双重效果。同时采用图中所示采样保持法以消除暗电流和背景光的影响，采用软件除法代替模拟除法器以提高稳定性5。浙江大学曾超设计了基于二维位置敏感探测器PSD和单片机信号处理的精密位置测量系统。这一系统采用的方法是通过对位置敏感探测器PSD受到调制目标光源照射后输出的模拟交流信号进行有源带通滤波，提取出代表目标光源的调制频率成分，再将该信号转变为用来参与位置解算的直流信号，然后选用单片机组成硬件电路，对直流信号进行采集处理并与计算机建立通信，把数据送入计算机进行位置解算，分析判别目标光源和PSD器件的相对位置。此方法避免了通常利用固体图像传感器件以扫描成像方式测量位置时，响应速度慢的缺点。中北大学的林知木和潘宏侠在火箭导弹起始扰动角的测试系统中，也采用PSD来记录反射光点的位置变化，并转换成电信号，同时对信号进行放大、整形、数据格式转换，通过接口电路，将所采集的数据送往计算机，再由计算机完成对采集数据的处理，从而达到测试目的。在PSD信号处理方面，同样是采用了软件的方法编程方法来实现6。1.2 课题研究目的和内容大尺寸测量包括距离（或位移）测量、直线度测量和坐标测量。距离（或位移）测量和直线度测量都是一维测量，而坐标测量（即空间测量）是三维测量，是最复杂的，测量方法多种多样，测量仪器精度也各不相同。 激光干涉仪是目前世界上大范围位移测量精度最高的实用工具，激光跟踪干涉仪即在激光干涉仪基础上加入伺服控制系统设计而得到。基于坐标法设计的坐标测量系统，不需要精密导轨，测量范围很大，在测量时无需外部标准件对系统进行标定，单路测量系统即可完成测量工作。而激光干涉仪由于造价昂贵，使用复杂，在一些对于测量精度要求不高的场合未免有些大材小用，所以有必要研究一套即经济又便于操作的系统，实现这种场合的测量。单激光目标跟踪系统是基于双激光目标跟踪系统而来，它是双激光目标跟踪系统的一部分。它的计算测量是基于三角形定位法而来。三角形定位法是通过一条已知的边长L和对应的两个邻角、角，通过运算获得当前的坐标（x,y）。定位方法如图1-6。 ABCL(0, 0)(L, 0)（x，y）图1-6 三角形法定位原理图Fig.1-6 The schematic diagram of triangle location （1.1） （1.2）其中，L为已知的边长，、为相邻的两个夹角，B点为原点，则被测点C的坐标可以通过公式（1.1）、（1.2）获得。单激光目标跟踪系统主要由一个单激光发射器，一个阵列激光接收靶，步进电机和一些相关无线发射和接收装置构成。它工作时，先由单激光发出光源打在激光靶上，确定位置，然后激光靶移动，这时光源不在原先确定的位置上了，由激光靶上面的无线发射器发射信号给无线接收端，再经由单片机处理后发送指令给步进电机，再由步进电机带动激光发射器，使光源打在原来确定的位置上，从而实现单激光目标跟踪原理。 单激光跟踪系统的任务是：通过研究合适的激光发射器和激光接收靶及固定机构，无线收发模块；整合成一套装置，这套装置能使接收靶随被测点在平面中运动时，激光发射器的测量光束始终能够跟踪测量接收靶的运动。具体来讲，跟踪系统就是要控制激光发射器的转角，使激光的测量光束发射到接收靶的中心，根据三角形定位法计算出目标的坐标，进行跟踪。2 系统硬件电路的设计2.1 激光跟踪系统的总体设计接收靶激光头 步进电机 无 线 信 号信号采集处理电路跟踪控制电路单片机图2-1 系统框图Fig2-1 system chart单激光目标跟踪激光系统是一个随动系统，即当接收靶移动时，通过传感、信号采集处理部分、跟踪控制部分和激光跟踪头，改变激光测量光束的方向，使测量光束重新回到原来的平衡位置，始终对准接收靶中心，此时信号采集部分输出信号为零，电机处于静止状态。然后计算出接收靶的坐标，实现目标跟踪的目的。单激光跟踪系统主要由以下几部分组成：激光发射器、激光接收靶、无线发射及接收装置、及激光跟踪伺服控制电路。其系统框图如上图2-1所示。2.2 激光接收靶控制电路设计激光接收靶接收电路是整个系统的“眼睛”。由于激光检测传感器受到太阳能、载体震动、不同距离、不同激光入射角度以及光强不一致等因素影响，需要通过硬件和软件的优化设计，以便于在复杂环境下得到可靠的激光信号，确保整个系统稳定工作，在研究中设计了两种形式的电路。2.2.1 基于AD转换与CD4051电子选通门的接收靶电路设计本电路采用激光接收二极管响应红外激光信号，通过精密匹配电阻实现电流电压转换，利用单片机的AD接口进行激光接收管电压值的识别，在电子选通开关CD4051配合下实现单个端口8个接收管的快速识别，整个系统采用轮询方式对激光接收二极管的电压进行采集，并配合软件进行数据的分析与处理。激光光斑相关数据通过单片机的串口传输到定位解算主板。具体电路如图2-3所示。在该电路中，单片机通过选通对应的CD4051输入端口，并配合对应的AD输入口，检测对应的激光接收二极管的输入电压。在一个整周轮询后，将所有数据进行筛选，获得激光接收靶标的激光着靶位置。本电路在室内试验可以取得比较好的效果。在室外进行试验时，由于太阳光的存在，不同阳光入射角度、不同激光照射距离、振动等系列因素的影响，使得激光接收二极管的输出电压一致性差，难以准确分辨出激光的光斑。所以，在后期的研究中，本硬件电路未运用到实际的定位测试中7。其电路图如图2-2所示。图2-2 基于CD4051的激光接收靶电路Fig.2-2 Circuit of laser receiving target based on CD4051模块实物图如图2-3：图2-3 基于CD4051的激光接收靶实物图Fig.2-3 Picture of laser receiving target based on CD40512.2.2 基于74HC165与集成激光接收管的接收靶电路设计本电路系统采用特殊定制的高抗干扰、高集成度635nm激光接收管，并通过并入串出高速采集芯片HC165实现接收管信号的高速采集，实现了接收靶的级联，减少了对单片机IO口的要求。电路如图2-3所示。图2-4 基于集成激光接收管的接收靶电路图Fig.2-4 Circuit of receiving target based on integrated laser receiver基于集成激光接收管的接收靶实物图如图2-5。图2-5 基于集成激光接收管的接收靶实物图Fig.2-5 Based on the integration of laser receiving pipe receiving target physical map模块通过主板获得5V的直流电压，在高速移位时钟的驱动下，根据接收靶接收管数量采集I/O口的激光接收管信息，并实时传输到单片机内。单片机根据接收管的状态情况，进行数据分析与处理，得到准确的激光着靶位置，通过并口直接传输给定位解算主控电路，减少串口传输所占用的延时，提高系统的响应性能。该电路采用定制的集成38KHz滤波功能的专用红外激光接收管，消除了外界太阳能的影响（室外环境测试，200米外可以准确的接收38KHz的调制激光信号），极大提高了接收灵敏度，使得不同激光入射角度，激光接收管都能灵敏的响应8。通过74HC165，解决了多接收管的方便接入，使电路具备通用性强，相应速度快的优点，对提高整个系统的性能具有重要作用。后期的测试也表明该电路可靠性高、稳定性强，因此采用此种设计方案。2.3 激光发射器控制电路设计激光发射源控制处理单元功能框图如图2-5所示。控制器通过2.4G无线数据传输模块完成当前步进角度、载体姿态参数等数据的接收与发射，实现无线数据的环形交换，并根据目标运动状态，在跟踪控制算法的作用下控制步进电机旋转。同时，控制激光发射器发出38KHz载波的红外激光，实现激光接收靶可靠识别并接收635nm波长的红外激光。框图如图2-5所示。激光运动控制器1（主控制器）激光运动控制器2（从控制器）2.4G无线模块2.4G无线模块步进电机控制器1步进电机控制器2移动站图2-6 激光发射源控制方框图Fig. 2-6 The controlling block diagram of laser transmitter 图2-7 NRF24L01无线模块电路图Fig 2-7 NRF24L01 wireless module circuit diagram本系统使用的无线模块为nRF24L01无线模块。nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便9。此无线模块的电路图如上图2-6所示。图2-8 激光发射器控制电路图Fig. 2-8 Controlling circuit diagram of laser transmitter激光发射器的具体电路如图2-7所示。本模块包括供电单元、激光调制单元、步进电机控制单元与无线通讯单元。供电单元通过有源滤波器降低电源对无线数传的干扰，提高系统可靠性和无线通信距离，降压芯片REG1117-3.3为无线数据传输模块提供3.3V的电源。激光调制单元通过单片机的定时器产生38KHz的载波信号，为激光发射器提供调制源，同时，为保证后期测试不同的激光发射器，实现不同供电电压，电路设计了跳线帽电压选择电路，从而扩展了硬件的通用性。步进电机控制单元采用PCA控制寄存器实现步进电机脉冲个数的记录，并通过两个按键来实现系统的启动与停止操作。无线通讯单元采用模拟SPI接口与2.4G高速无线模块进行数据的接收与发送。2.4 步进电机控制电路设计电机，俗称“马达”，是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。在电路中用字母M表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。按用途可划分：驱动用电动机和控制用电动机。控制用电动机又划分：步进电动机和伺服电动机等。在激光发射平台中，要求激光在发射的100米范围内，调平的上下偏差不能超过3厘米，对于直流电机难以达到控制精度要求，选择使用步进电机作为实验电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。本设计采用一个42步进电机进行旋转角度的控制，分别由四个开关控制二个57步进电机进行X,Y轴的方向控制，电机具体参数如表1及表2，步进电机接线如图2-8。图2-9 步进电机接线图Fig 2-9 Stepping motor connecting diagram表1 42系列步进电机基本参数Table 1 42 series stepping motor basic parameters电机型号步矩角()机身长(mm)相电压(V)相电流(A)相电阻()相电感(mH)静力矩(g.cm)引线数(NO)转动惯量(g.c)定位力矩(g.cm)重量(kg)42BYGHW6091.8403.41.72334003542200.24表 2 57 系列步进电机基本参数Table 2 57 series stepping motor basic parameters电机型号步矩角()机身长(mm)相电压(V)相电流(A)相电阻()相电感(mH)静力矩(kg.cm)引线数(NO)转动惯量(g.c定位力矩(g.cm)重量(kg)57BYGH6331.8783311.618.934800.6812.4.1 步进电机驱动器的选择根据激光发射平台的精度要求，在发射的方圆一百米之内其上下偏差值不能超过3个厘米，即 sin=0.3/100 （2.1）得出=0.1719，即要求电机在每转动一次，其步距角需低于0.1719。而步进电机在单个脉冲的默认步距角为1.8，因此单个脉冲无法达到精度要求，因此需要添加步进电机驱动器，进行更高精度的细分，在本课题设计中，为了达到最佳实验效果，同时尽可能排除精度误差因素，选用6万细分的步进电机驱动器，得到步距角为0.006，即在电机每转动一步的度数为0.00610。步进电机驱动器参数选择如表3所示：表3 步进电机驱动器选择Table 3 Stepping motor drive choice相数细分数输出电流范围供电电源上下限及典型值机身尺寸mm重量kg大小3相28类细分最大细分数300最大步数6万0.3A5.2A(峰值)16档可调，分辨率0.3ADC(24-36)V，典型值DC24、32V功率不小于150W12376310.27小型3 系统机械结构的设计本系统机械硬件部分包括激光发射器，激光接收靶，步进电机等机构，因此，需要合理的机械整合设计。3.1 激光接收靶机械设计在单激光源定位系统中，激光接收靶是用来检测激光信号的关键部件，因此，激光接收靶的设计是保证系统精度的关键。在研究中，设计了两种类型的激光接收靶，第一种是在一个电路板上安装一竖条的激光检测传感器，然后将传感器接在处理电路上面。试验过程中发现这种激光接收靶在性能上不理想，经常会出现脱靶的情况，达不到快速跟踪的要求，不符合定位系统性能要求。为满足保证产品的后期研究延续性，设计了一种红外激光传感器阵列结构11。1激光传感器 2塑料外壳 3安装底座 4接口图3-1 激光接收靶结构Fig. 3-1 The structure of laser receiving tagert结构如图3-1所示，在接收靶的塑料外壳上，共672个激光传感器分上下两部分安装，中间有一段距离。上半部分传感器共安装了16行，每行32个激光传感器；下半部分传感器共安装了5行，每行32个激光传感器。工作时，激光接收靶安装在移动车辆上，激光发射器由调平机构调平后，由步进电机驱动形成两个具有高度差的激光基准平面，分别由接收靶上、下部的激光传感器感应。3.1.1 激光接收靶随动系统结构设计在单激光源定位系统中，激光发射器与激光接收靶是系统的核心，系统依靠激光接收靶准确有效地接收激光信号进行定位。若将激光接收靶固定安装在运动体上，工作时会存在接收死区，即在死区中激光接收靶接收不到激光信号，造成目标丢失，达不到定位跟踪要求。为避免出现接收死区，本研究设计了一套激光接收靶随动系统，结构如图3-2所示，主要由步进电机7和旋转轴2，以及旋转轴支架3、两个支撑轴承4和联轴器5组成。步进电机通过一个刚性联轴器连接到旋转轴上，接收靶固定在旋转轴端部的安装板上。在定位系统工作时，通过一定的算法控制随动系统的步进电机实时调整接收靶的回转角度，确保激光接收靶有效接收到激光源信号12。1激光接收靶 2转动轴 3旋转轴支架 4支撑轴承 5联轴器 6电机支板 7步进电机图3-2 激光接收靶随动系统结构Fig. 3-2 Servo system structure of laser receiving target3.2 激光发射器机械设计激光发射器是整个系统中的一个定点旋转信标，激光发射器的选择涉及产品的性价比、定位精度等一系列问题，在本研究过程中，依据距离、光斑大小、价格等几个方面，详细对比了市场上各种类型的激光发射器，通过试验选取合适的激光接收管，设计合适的算法以保证研究的产品达到较高的性价比。本设计采用的激光发射器如图3-3所示。图3-3激光发射器Fig.3-3 Laser transmitter 该激光发射器价格低廉，激光射程较高，可以满足远距离定位用。但由于采用亚克力透镜，存在激光光晕的现象，且不同批次产品光晕数目不一致。以3与5为测量基准试验得知，激光光斑中心尺寸基本一致，但因发散角度大，散射严重，3m处激光光斑光晕直径达到10cm， 5处激光光晕达到16cm。如果不对光晕进行处理，将严重影响激光光斑中心的测量13。3.2.1 激光发射器水平调节机构设计在单激光源的定位系统中，最关键的部分是激光发射器的水平调节机构。为保证系统精度，要求激光在距离激光源100米的位置，激光光斑中心与水平面高度偏差小于1.5cm，由此给激光发射器调平机构的精度提出了很高的要求。激光发射器水平调节机构由激光安装孔、X方向水平微调螺钉、水平调整部分、Y方向水平气泡、Y方向水平调节螺钉及相关支柱组成，具体结构事物图如下图3-4所示。1-激光头安装孔 2-X方向水平微调螺钉 3-水平调整部分 4-Y方向水平气泡 5-Y方向水平微调螺钉图3-4 水平微调机构结构图Fig.3-4 The structure diagram of horizontal fine adjusting mechanism电机支板以及底板采用硬度高不易变形的锰钢经平面磨床精磨而成，将两块板的平面度误差控制在0.1微米之内，使电机与电机支板之间很好地配合；同时在电机支板和底板之间安装有三根粗调丝杆和三根预紧弹簧。三根粗调丝杆与底板之间是点接触，三根预紧弹簧产生的拉力使整个机构不致失稳。在水平气泡的配合下，通过调整三根粗调丝杆来将电机支板的水平度控制在允许的范围内。在底板上有安装三角架的螺纹孔，方便整个水平调节机构的安装。水平微调机构采用铝合金材料，其结构如图3-5所示。包括激光发射器安装孔1和水平调整部分314。1-水平微调机构 2-激光发射器 3-水平粗调丝杆 4-电机支板 5-联轴器 6-步进电机 7-水平气泡 8-底板图3-5 激光发射器调整平台Fig.3-5 The adjusting platform of laser transmitte为保证微调机构的激光发射器安装孔与激光发射器安装的同轴度，以及与底面的平行度，整体结构采用高精度线切割制成；同时，为减少与联轴器的配合误差，其底部通过精磨而成，保证其平面度。由于铝合金具有一定的延展性，在调节微调螺钉的时候就能使相应的平面进行微小的俯仰动作，在三个微调螺钉的共同作用下，可以使机构在高速转动的情况下也能维持在稳定的状态。机构在两个水平气泡的配合下，调平精度能够达到0.1mm(高度误差2.9cm), 满足系统精度的要求。水平微调机构通过联轴器与电机轴相连，从而使步进电机带动激光发射器旋转，形成激光扫描平面。其结构图如图3-5所示。4 系统软件设计4.1 系统总体控制软件设计图4-1 系统总体控制流程图Fig4-1 system general control flow chart软件执行后，完成步进电机控制定时器初始化，无线数据传输模块初始化，步进角度初始化后，采用360度循环扫描模式寻找激光接收靶，在获取激光接收着靶信息后根据定位解算主板反馈的角速度信息、激光着靶中心位置信息等进行旋转角速度的实时调整，确定激光靶初始位置并定位，移动激光靶，激光靶上信息扫描，若激光在原来确定位置的左边，则通过三角形定位法使激光头向右偏，使其打在原来确定的位置；若激光在原来确定位置的右边，则通过三角形定位法使激光头向左偏，使其打在运来确定的位置15。总体控制流程图如图4-1所示。系统总体控制程序包含了五个子程序。38KHz调制脉冲程序、按键程序、无线接收程序、光斑位置判断程序、步进电机控制程序。其中38KHz调制脉冲程序控制着激光发射器如果激光发射器没有顺利发出脉冲激光，此程序可以控制其再次发生，直到激光发射器发射出的激光顺利打在激光接收靶上面；按键程序则控制着矩阵式按键模块，当操作者按下按键后，此程序发出的操作指令将使模块的操作符合操作人员意图；无线接收程序则控制着nRF24L01无线模块，当系统出现频率碰撞的时候，无线接收程序可以使其实现跳频接收，使系统正常运行；光斑位置判断程序能够准确的判断光斑的位置，当光斑位置偏左、偏右或者不着靶时，此程序能够准确的判断；步进电机控制程序能够很好的控制步进电机，当激光发射器发出的激光打在激光靶的位置偏左或者偏右时，此程序能够控制步进电机做出相应的旋转调整，使激光能够准确的打在激光靶上面。4.2 激光发射器控制软件设计激光发射器控制软件包括激光扫描的旋转控制与调制激光的发射控制两大部分。前者主要完成激光发射器初始化对准、无线数据传输与激光发射器角度控制等功能。后者主要完成激光的调制发射。激光控制主程序软件流程如图4-2所示。图4-2 激光发射器控制主程序流程图Fig.4-2 The flow chart of laser transmitter controlling main program软件执行后，完成步进电机控制定时器初始化，无线数据传输模块初始化，步进角度初始化后，采用360度循环扫描模式寻找激光接收靶，在获取激光接收着靶信息后根据定位解算主板反馈的角速度信息、激光着靶中心位置信息等进行旋转角速度的实时调整，并重新初始化步进电机控制定时器的初始值，实现对激光接收靶的实时跟踪。当接收到角度查询命令，则通过无线数传模块实时反馈当前的步进角度，配合定位解算主板进行坐标解算。激光发射器旋转控制与载波生成部分主要完成控制器对步进电机的旋转速度与角度的精确控制，并产生38KHz载波控制激光发射器发射调制激光，使激光接收靶标可靠地接收调制激光信号。系统上电后即启动载波定时器，占空比为30%，频率为38KHz的载波脉冲，控制激光发射器发出红外调制脉冲，提高系统在外界阳光下的抗干扰能力。紧接着启动步进电机定时器，配合运动解算结果，实时调整步进电机定时器的初始值，从而调整步进电机的步进数和运动角速度，达到实时响应并跟踪接收靶标的目的。4.3 激光接收靶控制软件设计软件执行后，完成步进电机控制定时器初始化，无线数据传输模块初始化，步进角度初始化后，采用360度循环扫描模式寻找激光接收靶，若激光靶上激光的位置偏左，则激光头向右偏，若偏右，则激光头向左偏，若在原位置，则激光头位置不变。激光接收靶控制流程图如图4-3所示。图4-3 激光靶控制程序流程图Fig4-3 Laser target control program flow chart4.4 无线模块控制软件设计跳频技术(Frequency-Hopping Spread Spectrum； FHSS)是在2.4GHz频带以一定的频宽将其划分为若干个无线电频率信道（Radio Frequency Channel；RFC），并且以使用接收和发送两端一样的频率跳跃模（Frequency Hopping）来接发讯号及防止数据撷取。其工作原理是，收发双方传输信号的载波按照预定规律进行离散变化。以达到避开干扰，完成传输。简单的说，跳频技术FHSS不是抑制干扰而是容忍干扰16。跳频发射图如图4-4.图4-4 跳频发射流程图Fig4-4 Hopping transmitter flow chart发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10s，延迟130s后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便再次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130s进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。跳频接收图如图4-5所示。图4-5 跳频接收
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