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哈尔演理t 人学丁学硕f j 学位论文 大鹤管激光自动定位系统的研究 摘要 目前，炼油企业进行大批量的油料运输多采用铁路油罐车。油料装卸是 炼油及油料销售企业生产和经营的关键环节，全国约有6 0 以上的企业都 在使用大鹤管对油罐车进行输油，因此研究大鹤管自动定位具有非常重要的 现实意义。传统的输油方式是利用人工引导大鹤管进行罐口定位。这种方式 下操作工人劳动强度大，易疲劳，容易引发安全事故。目前比较流行的大鹤 管定位方式有视觉定位，但视觉定位抗干扰性较差，价格昂贵，在光照不够 的情况下采集到的图像会不清晰，致使大鹤管定位不准。针对这一问题，本 论文利用激光测距技术，设计出大鹤管激光自动定位系统，用激光引导大鹤 管识别罐口，对鹤管进行定位。该方案采用了激光技术，激光具有较好的单 色性，增强了大鹤管定位的抗干扰能力，且设备价格低廉。 本论文的主要创新点是采用c m o s 作为光电探测器，系统功耗低，价 格低廉。以下是本论文的主要研究内容。首先研究了激光定位技术的理论及 其发展趋势，基于大鹤管定位的工程背景，提出了大鹤管激光定位系统的设 计方案，利用激光测距原理实现鹤管定位。然后分别完成了系统的硬软件设 计，硬件部分包括激光器、透镜、单片机、图像传感器等部分，实现了光斑 信息采集；系统通过1 2 c 总线对c m o s 图像传感器进行参数设置，完成对 大鹤管与罐口间距离的测定。最后通过c m o s 采集了大量的图像，分析了 实验结果，做出了标定曲线。 文中对油槽车面光斑的特征进行了分析，采用区域阈值化后求质心的方 法，解决了一些特殊表面无法准确找到质心的问题。鉴于标定曲线的非线性 特征，采用逐段折线逼近该标定曲线的方法，大大减小了误差。 关键词大鹤管；激光定位；区域阈值化；误差分析 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 s t u d y o fl a r g ec r a n e t u b el a s e r a u t o m a t i c p o s i t i o n i n gs y s t e m a b s t r a c t a tp r e s e n t ，m o s to ft h eo i lr e f i n i n ge n t e r p r i s e si nt r a n s p o r tl a r g eq u a n t i t i e s o fo i li sb yr a i lt a n k e r l o a d i n ga n du n l o a d i n go fo i li st h ek e yo fr e f i n i n ga n do i l m a r k e t i n ge n t e r p r i s ep r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n t ，a b o u t6 0 o fe n t e r p r i s e sa r e u s i n gt h el a r g ec r a n et oc a r r yo u to i lp i p eo ft h et a n k e r , s os t u d yt h ec r a n et u b e p o s i t i o n i n gh a sv e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h et r a d i t i o n a lw a yi st o u s em a n p o w e rg u i d el a r g ec r a n et u b et oc a np o s i t i o n i n g i nt h i sw a y , t h e o p e r a t i o no ft h ew o r k e r si sl a b o r - i n t e n s i v e ，e a s yf a t i g u e sa n de a s i l yl e a d st o s e c u r i t yi n c i d e n t s n o wt h ep o p u l a rw a yo fl a r g ec r a n et u b ep o s i t i o n i n gi sv i s u a l p o s i t i o n i n g ，v i s u a lp o s i t i o n i n gb u tl e s si n t e r f e r e n c e ，w h i c hi sv e r ye x p e n s i v e ，i n t h ec a s eo fn o te n o u g hl i g h t ，i m a g e sa r en o tc l e a r ，w i t ht h er e s u l tt h a tl a r g ec r a n e c o n t r o lp o s i t i o n i n ga r en o ta c c u r a c y i nr e s p o n s et ot h i sq u e s t i o n ，t h i st h e s i si st o u s el a s e rr a n g i n gt e c h n o l o g y ，d e s i g nal a r g ec r a n et u b el a s e rp o s i t i o n i n gs y s t e m ， u s el a s e rt og u i d el a r g ec r a n et u b et oi d e n t i f yc a na n dp o s i t i o n i n gt h ec r a n et u b e t h ep r o g r a mu s e sl a s e rt e c h n o l o g y ，l a s e rh a sg o o ds i n g l ec o l o r , e n h a n c et h el a r g e c r a n et u b ep o s i t i o n i n ga n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y , a n dl o wp r i c e s i nt h i sp a p e r , t h em a i ni n n o v a t i o ni st h eu s eo fc m o sa sap h o t o e l e c t r i c d e t e c t o r , t h es y s t e ml o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dl o wp r i c e s t h ef o l l o w i n ga r e t h em a i nc o n t e n to ft h i ss t u d y i n i t i a l l yo nt h el a s e rp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yt h e o r y a n di t sd e v e l o p m e n tt r e n d ，b a s e do nt h el a r g ec r a n et u b ep o s i t i o n i n ge n g i n e e r i n g b a c k g r o u n d ，m a d eab i gc r a n et u b el a s e rp o s i t i o n i n gs y s t e md e s i g n ，r e a l i z ec r a n e t u b ep o s i t i o n i n gw i t ht h ep r i n c i p l eo ft h eu s eo fl a s e rr a n g i n g a n ds e p a r a t e l y c o m p l e t e t h e s y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n h a r d w a r ec o m p o n e n t s ， i n c l u d i n gl a s e r s ，l e n s e s ，s i n g l e - c h i p ，i m a g es e n s o r , i m p l e m e n t a t i o n o ft h e i n f o r m a t i o nc o l l e c t e df a c u l a ；s y s t e mt h r o u g ht h ei z cb u so nt h ec m o si m a g e s e n s o rp a r a m e t e rs e t t i n g ，c o m p l e t i o no ft h ed i s t a n c eb e t w e e nl a r g ec r a n et u b ea n d i i 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 c a n f i n a l l yc m o sc o l l e c t e dt h r o u g hm a n yi m a g e s ，a n a l y s i so fe x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，m a d eac a l i b r a t i o nc u r v e i nt h i sp a p e r , t a n kc a r sf a c u l ac h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d u s i n gt h e r e g i o na f t e rt h r e s h o l d i n gf o rc e n t r o i ds o l u t i o n st oan u m b e ro fs p e c i a ls u r f a c ec a n n o ta c c u r a t e l yf i n dt h ec e n t e ro fm a s so ft h ep r o b l e m i nv i e wo ft h en o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c so fc a l i b r a t i o nc u r v e su s i n gp i e c e w i s el i n ea p p r o x i m a t i o no ft h e c a l i b r a t i o nc u r v em e t h o dg r e a t l yr e d u c e st h ee r r o r k e y w o r d sl a r g ec r a n et u b e ，l a s e rp o s i t i o n i n g ，r e g i o n a lt h r e s h o l d i n g ，e r r o r a n a l y s i s i i i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大鹤管激光自动定位系 统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签名：杨建伟日期：2 0 0 9 年3 月2 0 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 大鹤管激光自动定位系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔 滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密n ，在年解密后适用授权书。 不保密一。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：杨建伟 导师签名：罗中明 r 期：2 0 0 9 年3 月2 0f | 日期：2 0 0 9 年3 月2 0 日 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 第1 章绪论 随着科技水平的不断提高，危、重、繁、杂的体力劳动将逐渐被智能机 器和机器生产线所取代。作为人类改造和认识自然强有力的工具一激光技术， 在当代许多领域发挥了重大作用：如科学研究、工业、军事、通讯等等。 1 1 课题研究的背景及意义 目前，我国石油产品的运输仍以铁路为主，而铁路运输的装车技术又多 为上装上卸，油料装卸是炼油及油料销售企业生产和经营的关键环节，全国 6 0 以上的炼油厂的轻油装车栈台采用大、小鹤管上部高位喷溅式飞流装 车。与小鹤管相比，大鹤管具有装车速度快，效率高，自动化程度高，人员 配置少，便于实现密闭装车的优点。因此，研究大鹤管定位具有非常重要的 现实意义。 传统的装卸油方式是利用人工引导大鹤管进行罐口定位。这种方式下操 作工人劳动强度大，易疲劳，容易引发安全事故。目前比较流行的大鹤管定 位方式有视觉定位【l 】，但视觉定位抗干扰性较差，价格昂贵，在光照不够的 情况下采集到的图像会不清晰，致使大鹤管定位不准。针对这一问题，本论 文利用激光测距技术，设计出大鹤管激光定位系统，用激光引导大鹤管识别 罐口，对鹤管进行定位。该方案采用了激光技术，激光具有较好的单色性， 增强了大鹤管定位的抗干扰能力，且价格低廉。 激光定位是集光、机、电、计算机于一体的高新技术，是柔性化、智能 化程度极高的定位系统，定位精度高，可实现油料装卸的自动化操作，对于 提高生产效率，避免安全事故具有重大意义，其应用领域十分广泛。 激光测距是激光定位技术的重要应用之一。自从六十年代第一台红宝石 激光器诞生以来，由于激光具有高亮度、方向性和单色性好的特点，激光技 术就一直受到众多科学家的关注。七十年代，y a g ( 钇铝石榴石) 激光器技术 日趋成熟并开始大量应用于激光测距雷达，八十年代，远程、中程、近程的 激光测距雷达主要采用y a g 激光器，八十年代半导体激光二极管l d ( l a s e r d i s c ) 技术日趋成熟，开始应用于中、短程测距雷达，它具有体积小、重量 轻、结构简单、使用方便、对人眼安全等一系列优点，九十年代国外开始大 力发展l d 激光雷达【2 1 ，在中、短程激光雷达应用方面有取代y a g 激光雷 哈尔演理t 人学t 学硕i ：学位论文 达的趋势，近年来又发展了一种便携式、对人眼安全、无合作目标、低价的 适用于家庭的l d 激光测距仪，既能作为望远镜又具测距功能。目前常用的 测距方法有脉冲法、相位法、干涉法和三角法等，至今激光测距技术已在工 业、农业、生活娱乐、国防和科研领域得到了广泛的应用。 光三角式测距【3 】是基于光束入射到被测物体后产生反射，入射光与反射 光构成了光三角形，它的基本原理是基于平面三角几何，根据反射光束的位 置便可以确定被测体的端面位置、被测工件的尺寸及公差、被测体与光源之 间的距离等参数，该方法结构简单，具有较强的实际应用性。激光光源发出 的光束照射到被测物面上，光线由物面散射，一部分被光电接收系统( 如 c c d ，c m o s ，p s d 等光敏元件) 接收，如果物面发生移动，可根据三角形 相似原理求出光敏面上光斑的移动。反过来，如果知道光敏面上光斑的移动 量也可求出物面的移动量。 1 2 激光定位技术的国内外发展现状 1 2 1 国外激光定位技术的发展现状 目前国际上只有几个公司研制丌发出激光导航定位系统以及与之相适应 的数据处理及控制模块。例如，n d c ( s w e d e n ) 公司开发的激光导航定位系统 ( l a s e rn a v i g a t i o nk i t ) 由激光扫描器和定位导航卡组成【4 1 。其定位精度在2 c m 以内，观测距离为3 0 5 0 m ，采样速率为6 0 h z ，并可提供调度监控系统软 件。i b e o ( g e r m a n ) 公司最近推出的名为2 dn a v i g a t i o ns e n s o rs y s t e m 的定位 导航系统由2 d n a v 扫描器和导航计算机系统构成1 5 1 。观测距离最大3 0 m ， 定位精度不大于2 5 c m ，采样速率8 h z 。此外尚有f e c ( a m e r i c a ) 公司可以提 供类似的产品。其系统售价很昂贵，极大的影响了我国a g v 的生产和企业 的应用。 1 9 7 0 年法国汤姆逊半导体公司首先成功地将激光干涉定位系统应用于 电子束曝光系统，组成了一台完善的电子束曝光机，使电子束曝光机具备了 制造大尺寸、高精度掩模版和硅片直写的能力【6 1 。美国、r 本、荷兰等发达 国家在发展电子束曝光技术的同时，也进行了激光精密工件台技术的研究， 并逐步形成了专业化生产和系列化产品1 7 。 目前，世界上有多家生产干涉仪的厂家。双频干涉仪是由美国惠普公司 首创并获得专利的，从其第一代产品5 5 0 0 投放市场起，该公司相继研制了 哈尔滨理下人学t 学硕 j 学位论文 5 5 0 l a 、5 5 2 6 a 、5 5 2 7 a 等一系列激光干涉仪。 在角度快速调整的精瞄偏转微定位机构方面，英国q u e e n s g a t e s 设备公 司研制出压电陶瓷驱动的快速偏转工作台和控制器等系列产品，工作台偏转 范围大于2 m r a d ，分辨率为亚微弧度，固有频率高于1 k h z ，应用在激光束精 密调整和光学跳动修正等领域。德国的m r cs y s t e m s 股份有限公司研制了 压电陶瓷驱动的光线准直系统，用来补偿因为光学部件的振动、冲击或其他 波动而导致的激光发射光束偏差。美国b a l la e r o s p a c e & t e c h n o l o g y 公司研 制了由音圈电机驱动的两轴快速偏转镜系列产品，偏转镜可以实现跟踪、扫 描、瞄准、光束稳定和准直等功能，广泛应用于工业测量仪表、天文学、激 光通信、成像系统等领域。 在捕获、瞄准及跟踪关键技术发展方面，美国的林肯实验室在1 9 9 2 年 提出采用声光偏转器件进行光束跟踪，首次对无机械装置的光线控制方法进 行了探索【8 1 。罗马实验室提出采用对液晶阵列偏转器实现光束偏转控制，又 在1 9 9 6 年与德国进行了合作研究【9 1 。在光学效率、响应时间、偏转范围和 功耗等性能指标上来看，上述两种技术均能满足目前卫星光通信中a p t 需 要【1 0 i 。日本的a t r 在1 9 9 6 年利用光学相位阵列天线实现了二维超高速的光 束控制，n a s d a 在1 9 9 8 年研制出了两种压电驱动的接受光束控制系统， 分别为b t m ( b e a mt r a p p i n gm e c h a n i s m ) 和b s m ( b e a ms c a n n i n g m e c h a n i s m ) 。b t m 用于控制光信号探测器或光放大器前端的光纤耦合，以 实现最佳效果的耦合接收。b t m 的控制范围为1 4 0 u r a d ，控制精度 0 2 u r a d ，谐振频率3 9 0 h z 。b s m 通过压电陶瓷驱动二维光束偏转镜，实现 高精度跟踪。b s m 在方位角方向的偏转范围为2 1 8 m r a d ，在俯仰角方向的 偏转范围为2 1 0 m r a d ，控制精度为1 1 0 u r a d t 1 。 在激光扫描导引方面，瑞典a g v 电子有限公司的激光引导装置采用了 g a a s 脉冲激光器，旋转扫描速率为l o f t s ，即a g v 的激光引导装置每隔 0 1 s 测量并计算一次自身的坐标位置。定位标志的可见距离通常是3 0 m 左 右，并保持在运行中每次至少要检测出三个标志，以保证定位精度。美国 n d c 自动化有限公司是生产a g v 激光引导系统的厂家，其激光扫描器的旋 转速率为2 0 r s ，即每隔5 0 m s 测录和计算一次a g v 的绝对位置坐标、定位 精度可达+ 1 m m 。这种导引方式精度较高，抗干扰性较好，无累计误差【1 2 1 。 德国的i w f 机床研究所提出激光线扫描的方法，对物体边缘点及表面点进 行检测【1 3 1 。 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论艾 1 2 2 国内激光定位技术的发展现状 近年来，关于激光导航全局定位系统的研究在国内有也取得了初步的进 展。中科院沈阳自动化研究所的董再励等人介绍了激光全局定位系统的基本 原理，初步指出提取有效传感器路标组进行匹配的意义，以及多路标情况 下，应用视角定位算法求解出机器人位姿的最小二乘解问题。文中指出，造 成系统定位误差的3 个方面：( 1 ) 系统加工精度造成路标测量路标角度误差： ( 2 ) 路标本身位置不精确；( 3 ) 路标摆放位置对结果的影响。指出通过精确测 量路标位置及在定位计算中合理选择路标，可大大提高定位精度1 1 4 1 。 云南昆明船舶设计研究院的樊跃进等人也相继介绍了激光导引a g v 系 统，重点主要关注在a g v 小车的系统构成与功能描述上。浙江大学陈顺平 等人介绍了a g v 的基本导引方式，重点介绍了激光扫描车体方位计算原理 并结合路径轨迹推算导向法，设计了激光导引a g v 的自动引导系统的结构 和软件功能。沈阳工业大学对研究激光导航全局定位系统进行了进一步研 究。重点介绍了自行设计和开发的激光全局定位系统的测量工作原理和结 构，给出了相应的硬件结构电路流程图；考虑了采用调制激光、滤波、信号 整形等方法提高导航系统的可靠性和抗干扰性【1 5 ，1 6 j 。 我国在激光定位精密工件台这方面的工作较国外起步晚，水平差还较 大。1 9 7 5 年第一台国产双频激光干涉仪样机的量程为l = 6 0 m ，测长精度为 ( 0 5 x10 6 x l tm ) 。 中科院沈阳自动化研究所是国内移动机器人研究的领先者之一，他们所 生产的激光导航a g v 所采用的激光定位传感器系统全部来自进口。还有一 些文献从定位算法的角度研究了激光全局定位系统1 1 7 - 1 9 1 。 在激光定位技术应用方面，安徽理工大学周孟然等人研究了基于红外激 光定位技术的矿井提升机位置跟踪系统，利用d s p 鉴相技术实现实时测量 矿井提升机与地面的距离及其运行速度，这种测量能极其准确地显示提升机 的实际位置，实现对提升机的数字化速度控制1 2 0 l 。南昌工程学院刘德辉等 人研制丌发了一种隧道位移远距激光定位自动监测系统，利用普通电话线可 以在相距约1 0 k m 的隧道和监测站之间进行数据通信，并能在终端计算机上 进行远距离控制循环监测、数据记录查询等，极大地提高了监测实时能力 【2 1 1 。南京理工大学张晓等人对双频激光定位系统做了进一步研究，提出自 适应线性倍频技术，为解决非等周期信号的倍频问题提供了一种简便易行的 方案【2 2 1 。 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 1 3 本课题的主要研究内容 1 研究激光定位技术的理论及其发展趋势，基于大鹤管定位的工程背 景，提出了大鹤管激光定位系统的设计方案，利用激光测距原理实现鹤管定 位。 2 完成了测距系统的硬件设计，对激光定位系统的关键性部件如透 镜、c m o s 、微处理器、f l a s h 、l c d 的选用以及在系统中的独特功能进 行了分析。 3 完成了测距系统的软件设计，对系统各个部分的实现方法进行了讨 论。对油槽车面光斑的特征进行了分析，提出采用区域阈值化后求质心的方 法，解决了一些特殊表面无法准确找到质心的问题。 4 搭建实验装置，通过c m o s 采集了大量的图像，分析实验结果，做 出标定曲线。 哈尔滨理t 人学t 学顾l ：学位论义 第2 章大鹤管激光自动定位系统的设计方案 火车槽车装油作业用大鹤管自动定位装置，它涉及槽车装油用大鹤管定 位装置。它克服了人工进行大鹤管定位费时费力，工作效率低的缺点。 激光测距是激光定位技术的重要应用之一。目前常用的测距方法有脉冲 法、相位法、干涉法和三角法等。激光三角测距法比较适合于中短距离的测 量，特别是光斑照射到粗糙表面时，三角测距法是非常行之有效的方法。本 论文利用激光三角测距法，实现大鹤管的自动定位。 2 1 大鹤管激光自动定位的工作原理 大鹤管激光自动定位系统包括轨道、小车和小车驱动装置，它还包括 p l c 控制器和激光测距系统。上位机的信号输出端连接到p l c 控制器的信 号输入端，p l c 控制器的输出端连接小车驱动装置的受控端，小车驱动装 置连接在小车上以对其驱动，测距系统固定在小车上随小车一起运动。系统 的组成如图2 - 1 所示。 图2 1 大鹤管激光自动定位控制系统的组成 f i g u r e2 1l a r g ec r a n et u b el a s e ra u t o m a t i cp o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e m 大鹤管水平移动时，激光器朝着槽车车体的位置，激光束垂直照射到油 槽车表面，激光测距系统对油槽车表面与激光源之间的距离进行实时测距。 哈尔滨理下人学t 学硕f j 学位论文 当此距离发生变化时，说明系统检测到了罐口的一个边缘。将距离变化信息 传输到控制单元p l c ，p l c 对其分析处理，计算罐口边缘坐标位置，并给 出大鹤管液压驱动的方向。在大鹤管继续向前移动过程中，激光器发出的激 光束入射到罐口罩面，此时测距进入到了一个盲区。当距离再次发生变化 时，说明系统检测到了罐口的另一个边缘。p l c 计算此边缘坐标位置，给 出罐口的直径，驱动大鹤管向相反方向移动，行进距离为罐口半径。当大鹤 管停止移动时，刚好落在罐口中心位置，此时控制器控制大鹤管下管输油。 2 2 激光三角测距法 大鹤管激光测距系统采用激光三角测距原理【2 3 1 。光三角式测距是基于 光束入射到被测物体后产生反射，入射光与反射光构成了光三角形，它的基 本原理是基于平面三角几何，根据反射光束的位置便可以确定被测体与光源 之间的距离等参数，该方法结构简单，具有较强的实际应用性。 激光三角测距的工作原理如图2 2 所示。激光器发出的激光束经准直聚 焦后垂直入射到油槽车上表面上，并在其表面形成光斑，光斑经油槽车表面 反射后，漫反射光经成像透镜形成光斑成像在光电探测器上，距离变化z 引起探测器光敏面上像点位移的变化血，通过计算公式就可获得激光器与 油槽车表面之间的距离信息。 被测物 表面 激光源 像传感器 图2 - 2 激光二角测距原理 f i g u r e2 - 2t h ep r i n c i p l eo fl a s e rt r i a n g u l a t i o nr a n g i n g 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 通常为了安装方便，光敏面与接收透镜的光轴垂直，使成像透镜工作在 近轴状态，秒是激光束与透镜光轴的夹角，o 作为测量物体高度的基点，厂 是成像透镜的焦距。此时测距变化的计算公式为f 2 4 1 ： 弘雨蔫(2-bs i n0 a xc o s0 1 ) 7 当被测距离大于基准距离时取减号，小于基准距离时取加号。 从三角法的原理不难看出，相对于脉冲飞行时间法和相位法，它具有以 下优点：( 1 ) 测量精度不受目标反射特性的影响，激光回波能量对测量精度 没有影响。( 2 ) 信号处理简单，目标距离信息的提取可以通过简单的单片机 电路对c m o s 输出信号的扫描实现，信号处理中间环节很少，误差来源 少，可以获得较高的精度。( 3 ) 测量速度快，由于结构简单，其测量速度非 常快，几乎可以达到实时探测。( 4 ) 容易实现抵抗随机干扰的能力。 2 3 实验测量公式 光路的实验测量公式如图2 3 所示，光束照在a 点，反射到c m o s 光 敏面上的a 点，a 点反射到c m o s 光敏面上的a 点，当所测距离】，不同时 反映在光敏器件上的光点像位置x 也随之不同。 为： 图2 3 实验测量公式 f i g u r e2 - 3e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n tf o r m u l a 根据图2 3 所示三角关系和牛顿物像关系公式【2 5 1 可得两者之间的关系 l ，：茎：笪：堑至二坠盟墨 x l f t ( 2 2 ) 哈尔演理丁人学t 学硕i j 学化论文 x ：尘丝二翌( 2 3 ) 厂2 + ，2 一，2 一j ， 、 式中】，被测距离； ，激光发射口到成像系统中心的距离，即基线长度； 厂成像系统焦距； 三某一已知距离，通常取光敏面接收器中心对应的距离，即基准 距离； x 该被测距离在光敏接收器上与己知距离在光敏接收器上像点 之问的距离，有正负之分。 2 4 理论分析和提高精度的措施 2 4 1 理论分析 三角法测距的原理公式中因变量、自变量及系统的结构参数之间具有非 线性的关系，因此系统中各参数的设置是一个难点。为了对系统进行定标， 必须综合考虑测量分辨精度和系统结构参数，找出测量精度与测量距离的关 系，对式( 2 3 ) 求导可得： x j ：竺磐竺! ：兰坐!( 2 4 )以v 一；= = = = = = = 一 i 二- r ， 。 ( 厂r + ，2 一，2 一三】，) 2 、。 由式( 2 4 ) 可得：所测距离越大，x j 越小，即血变化量越小，测量精度 越低。最大测量距离和最4 , n 量距离之间存在着精度差别，并且测量范围越 大，这种测量精度的差别越大，从而限制了三角测距法的测量范围。 由式( 2 3 ) 发现x 不仅与】，有关，还与厂、，有密切关系。将式( 2 3 ) 分别对厂、，求导得： x ? ：二! ：磐丝丝丝( 2 5 ) 。 ( 厂三2 + ，2 一，2 一】，) 2 。 x ；= ：! 墨二翌：盟尘至鱼兰尘坐型业( 2 6 ) ( 厂+ ，2 一，2 一三j ，) 2 、。 中短距离测量中，：+ 三y 也丽，故由式( 2 5 ) 和( 2 6 ) f i 矢l ：l ，对同一y 哈尔演理丁人学t 学硕l ：学化论文 值，厂和，越大，x 越大，即测量精度越高，而厂和，大则会减小测量范 围( 对同一光电接收器来说) ，对( 2 4 ) 式来说，是】，值越大，则测量距离越 远，测量精度越低。 由上面的分析可知，测量距离与测量精度之间存在着矛盾，为了实现 中、短距离测量，必须兼顾大测量范围、较高的测量精度和较小的系统结 构。为使各点成像最好，应使镜头中心线是测量范围起始点与镜头中心点连 线所构成的角的平分线，即鼠= b ，如图2 4 所示，因此最大距离和最小距 离可以作为己知量，考虑到系统的体积，所选基线的长度和透镜焦距应控制 在一定的范围内。 图2 - 4 三角测距参数确定理论分析图 f i g u r e2 - 4r a n g i n gp a r a m e t e r so ft h et r i a n g u l a rt h e o r ya n a l y s i s 通过最小距离、最大距离和基线长度就可以定出系统的其它结构参数。具体 计算公式如下： 2 4 2 分段三角测距法 。最小距离 留岛2 墓瓣 增包：辔( 2 - 7 )增敛5i 丽 成像范围 t g e , 2 西厮 为解决测量距离、测量精度和测量范围这三者之间的矛盾，需把测量范 围分段，不同段用不同的成像系统、角度和中心距等结构参数的方法，于是 哈尔滨理下人学t 学硕f ：学化论文 提出分段三角测距法【2 5 1 。在一个测量系统装置中，采用一组光源，而成像 系统有两组，两组成像系统有不同的焦距，且每组成像系统相对于基线有不 同的角度从而来完成不同距离段的测量。同时，由于远近距离段分用不同焦 距的光学系统，对成像部分的光路进行合理安排可使它们用同一位置光敏器 件进行接收，这样可进一步减小系统体积。 这种分段三角测距适合于从几米到几十米的测量范围，所以把它应用于 中短距离测量是再合适不过了，在很多场合能代替米尺进行测量。根据系统 的精度要求和尽可能增大测量范围的要求，把测量范围定在2 m - 1 l m 之 间，在6 2 5 m 处把测量范围分为两段，在这里分段是因为在6 2 5 m 处精度 j 下好是2 0 m m ，随着距离的增大，精度会逐渐降低。于是2 m 6 2 5 m 作为近 距离段，6 2 5 m 1 l m 作为远距离段。 2 4 3 测距系统参数的设置和精度 参数的设置直接决定系统的精度。前面己经提到在中短距离测量中， ，2 + 三y 厂三2 + ，2 ，将式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 简化为： 】，：茎：坠：丝 ( 2 8 ) l x l x = 甓等( 2 - 9 ) 其中， x = ( m a xx 一3 2 0 ) x 0 0 0 7 5 m m 。 ( 2 - 10 ) 式中m a x x 光斑质心坐标。 因此只要找出光斑质心位置，就能利用( 2 1 0 ) 式直接求出测距。 表2 - 1 系统参数表 t a b l e2 1s y s t e mp a r a m e t e rt a b l e 距离段基线长度，透镜焦距厂 基准距离l 夹角0 近距离段 1 0 0 r a m1 1 4 m m3 0 3 0 m m 8 8 11 o 远距离段 2 1 0 m m 2 6 5 m m7 9 7 1 m m 8 8 4 9 o 在中短距离测量中，综合考虑测量精度和系统的结构参数，所取厂和， 数值应该相当，且都远小于l 。实验中选用基线长度，= 1 0 0 m m ，透镜焦距 f = l 1 4 m m ， 口= q + 0 3 - - 8 8 11 。作为近距离段参数；选择基线长度 哈尔演理t 人学t 学硕l ：学位论文 ，= 2 10 m m ，透镜焦距厂= 2 6 5 m m ，p = q + 岛= 8 8 4 9 。作为远距离段测量参 数。使用以上参数，最后的结构参数见表2 1 所示。 为了更直观的看出像点位置和对应测距的关系，做出远近距离段的像点 位置跟测距的对应关系图，如图2 5 和图2 - 6 所示。 像点位置p i x e1 图2 5 像点位置与测距对应关系图( 近距离段) f i g u r e2 - 5p i x e ll o c a t i o nc o r r e s p o n d i n gt ot h er e l a t i o n s h i pr a n g i n gm a p 像点位黄p i x e l 图2 - 6 像点位置与测距对应关系图( 远距离段) f i g u r e2 - 6p i x e ll o c a t i o nc o r r e s p o n d i n gt ot h er e l a t i o n s h i pr a n g in gm a p 可以看出，当目标点等距离移动时其像点在c m o s 上并不是等间隔地 变化，因此这种测量是非线性的。由图可知，随着距离的增大，曲线的斜率 逐渐增大，即单位象素变化引起的距离变化量越大，测量分辨率越低。 采用以上结构参数，从c m o s 的分辨能力看，在近距离段测量时误差 在2 m m 2 0 m m ，在远距离段测量时误差在4 m m 1 3 m m 。前面已经分析出这 种测量是非线性的，但若把距离分成一些间隔的小区间，可以看出像点位置 酷驺轴蛎的筋加 舢删一一l|姗姗撇舢僦 昌旨嚣 哈尔滨理t 人学丁学硕 j 学化论文 跟测距是服从近似线性分布的。 2 5 本章小结 本章介绍了大鹤管激光定位系统的基本原理，指出采用激光测距实现大 鹤管定位是简单而又实用的方法。着重介绍了光三角测距法的原理公式及提 高精度的措施。 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学化论文 第3 章激光测距系统硬件设计 三角测距系统与其它测距系统一样，也应具有以下各种性能：( 1 ) 系统 应能稳定的显示测距，对于机械、光学、电路的干扰不敏感。( 2 ) 结构简 单，价格低廉。( 3 ) 功耗低。 3 1 系统硬件组成 测距系统主要由光源、成像系统、光电位置接收器件、微处理器、显示 器和存储器等部分组成。系统的原理框图如图3 1 所示： 图3 1 系统原理框图 f i g u r e3 1s y s t e mp r i n c i p l eb l o c kd i a g r a m 由于仪器是一个便携式仪器，因此在元器件上选用体积较小、功耗较低 的电子元件，所有模块都通过c 8 0 5 1 f 0 2 0 控制，所有数据都是c 8 0 5 1 f 0 2 0 处理，c 8 0 5 1 f 0 2 0 即是控制中心也是计算中心。 整个系统由单片机c 8 0 5 l f 0 2 0 控制，单片机控制c m o s 采集图像，将 采集的图像进行处理并通过l c d 显示测距。 在系统的设计中，主要考虑的是时序的匹配，c 8 0 5 1 f 0 2 0 的时钟频率为 2 5 m h z ，由单片机给c m o s 提供主时钟，当c m o s 的主时钟为单片机时钟 的2 分频，帧速大于每秒1 帧时，数据能准确无误的写入外扩的存储器，并 通过l c d 显示测得的距离。 3 2 光学系统 3 2 1 激光器的选择 3 2 1 1 半导体激光器近年来，激光器技术有了很大的发展，无论在激光 能量、工作稳定性、光束质量、阈值电流、体积等方面，激光器都有了重大 哈尔滨理t 人学t 学硕i 学位论艾 突破。激光器根据其工作物质可分为固体激光器、气体分子激光器、半导体 激光器等多种。根据工作体制可以分为脉冲激光器、连续波激光器和准连续 激光器等。 固体激光器在军事中的应用较为广泛。例如最为常见的n d ：y a g 激光 器现在已经大量装备。其发射波长1 0 6 t m ，经过q 开关压缩脉宽后，输出 脉冲宽度约为1 0 1 0 0 n s ，脉冲峰值功率可达1 1 0 m w 。这种激光器一般用于 较长距离的激光测距，对于测程为5 - 2 0 k m 的军用战术激光测距己能满足要 求。但对于更高精度的测距任务来说，需要产生更短的脉冲，这时需要应用 腔倒空技术和锁模技术进一步压缩脉宽。 气体激光器中，目前只有c 0 2 气体激光器用于军事测距。其输出波长 通常为1 0 0 6 m 。c 0 2 激光器与其他固体激光器相比，其能量转换效率和 输出功率都很高，其输出接近衍射极限，可以应用外差探测。 半导体激光器在近年的发展尤为迅速。半导体激光器与一般固体激光器 相比有以下特点：( 1 ) 体积小、重量轻、结构简单；( 2 ) 可以直接用激励电源 快速调制，重复频率可达数千次；( 3 ) 效率高，可将电能直接转换为相干辐 射；( 4 ) 有些半导体激光器可以通过温度、掺杂量、磁场、压力等实现调 谐；( 5 ) 光束发散角比较大，在需要较小发散角的应用中，如测距、雷达和 通信，必须附加光学系统以减小光束发散角；( 6 ) 受温度的影响比较大，输 出功率和激射波长都随环境温度而变化，这在某些应用中是一个很大的缺 点；( 7 ) 输出的功率较低，连续输出功率一般为毫瓦级。 由于测距系统发出的光波是在大气中传播的，因此大气吸收、大气散射 以及大气湍流都会使光能量衰减。又由于光束具有一定的发散角，因而随着 距离的增加光斑面积增大，单位面积上面的光能量就减少了，所以在分析测 距系统的功率时要充分考虑这些因素。光束直径过大，被测物体表面的光斑 受到被测物体表面特性影响大。如果激光束光强分布不好会使散射光斑的信 号强度分布出现毛刺、多峰和中心偏离等现象，使光敏元件的实际成像中心 与理论中心偏离，带来测量误差。充分考虑以上各个因素，在选择激光器时 应考虑以下几方面的要求： 1 根据三角法测距原理，可以采用连续波的激光器。 2 激光器的波长应能够被光电探测器件感应。 3 激光器应该具有合适的发散角，使能量集中同时产生一定大小的光 斑。 4 光源能够提供稳定的光能量，且与c m o s 性能相匹配。 哈尔演理t 人学t 学硕i ：学位论文 5 体积小，成本低。 3 2 1 2 激光器的光束准直与聚焦通常将半导体激光器输出的光场分布分 别用近场与远场特性来描述。近场分布是指光场在解理面上的分布，它往往 和激光器的测向模式联系在一起。远场特性是指距输出腔面一定距离的光束 在空间的分布，它常与光束发散角的大小相联系。由于半导体激光器有源层 截面的不对称性和有源区很薄，其谐振腔厚度与辐射波长可以比拟，因此中 心层截面的作用类似于一个狭缝，它使光束受到折射并发散。输出光束发散 角很大，光强分布( 光斑形状) 也不对称。垂直于结平面方向的发散角秒。很 大，可达3 0 0 4 0 0 。平行于结面的发散角谚，较小，一般为1 0 0 2 0 0 。 对于测距用的激光束，首先希望激光的方向性足够好，能够以比较集中 的能量照射目标，如果激光束发散角过大，传播过程中受到大气等的衰减、 吸收作用会比较强；另外，对于三角法测距，目标表面形成的光斑尺寸对测 距精度影响较大，光斑尺寸太小，对于卡h 糙的目标表面，可能造成没有回波 信号，而且小的光斑容易被阻挡，不具有抵抗一定干扰的能力；然而光斑尺 寸也不可太大，过大的光斑将导致经透镜成像的尺寸过大，不利于c m o s 对目标距离的分辨。由于本系统采用的是面阵c m o s 图像传感器