（光学工程专业论文）基于cmos单点激光三角法测距系统研究.pdf

浙江人学埘1 - 学位论文 摘要 就目前而苦，由于激光测距的一些特殊性，现在普遍使用的激光测距技术还无法满 足一些特殊领域距离测量的要求。要达到高精度的测嚣，一般情况下对设备及元器件的 要求较高，设备造价昂贵，目前的激光测距技术存在定的缺陷。 d ：交际应用中，中短距离较高精度非接触测量的需求广泛存在，但目前还没有提出 种价格低廉，结构简单，精度较高的中、短距离测量方法。本文在介绍利用激光进行 测距的常用方法及其优缺点的基础上，分析了现有激光测距方法的局限性，从而提出j ， 单点激光三角测距系统。 本文采用距离分段的三角测距法，对不同的距离段，系统采用不同的结构参数，解 决了i 角测距中测量范围和测量精度之间的矛盾。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。本论文分几个部分详细介绍了课题的研究内容。 第部分提出了分段三角测距法，并确定了分别用于近距离段和远距离段测量的系统光 学结构参数最后通过数值模拟从理论上分析，整个系统的测量误差。第二部分介绍了 系统的硬件设计。对i 角测距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。第二部分介绍了系统的软件设计，对系统 各个部分的实现方法进行了讨论。对物面光斑的各种特征进行了分析，提出采用区域闽 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。第四部分搭建了 实验装置，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，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，并进行 了误差分析和提出了减小误差的方法。最后对系统做了总结，对系统以后的改进也进行 了论述。 关键词：分段三角测距法、图像采集、光斑质心点、标定曲线、逐段折线逼近法、 误差分析 浙江大学硕上学位论空 a b s t r a c t n o w a d a y s ，f o rt h ep a r t i c u l a r i t yo fl a s e rr a n g ef i n d i n g ，t h et e c h n o l o g yo fl a s e rr a n g e f i n d i n gt h a tc u r r e n t l yi nu s ec a n tm e e tt h ed e m a n d so fr a n g ef i n d i n gi ns o m es p e c i a lf i e l d s t h e r ea r eh i 曲d e m a n d sf o re q u i p m e n ta n da p p a r a t u st ot h eh i g hp r e c i s i o n ，t o d a y sl a s e rr a n g e f i n d i n g sh a v es o m ed i s a d v a n t a g e s i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h en e e d so fm i d d l ea n ds h o r td i s t a n c em e a s u r e m e n ta r e w i d e s p r e a d ，b u ts of a r , n oc h e a p ，s i m p l e ，h i 曲p r e c i s i o nm e a s u r e m e n ti sb r o u g h tf o r w a r d a f t e rs e v e r a lk i n d so fl a s e rr a n g ef i n d e r st h a t c u r r e n t l yi n u s ea r ei n t r o d u c e d ，w h o s e t e c h n o l o g i c a la d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e d ，ad i s t a n c em e a s u r i n gu s i n g s i n g l e p o i n tl a s e rt r i a n g u l a t i o ni sp r o p o s e d an e wa d v a n c e dt r i a n g u l a t i o ni sp r o p o s e dt og e tap r o p e ra c c u r a c yf o re i t h e rn e a ro rf a r d i s t a n c eb ya d o p t i n gd i f f e r e n tp a r a m e t e r s a d o p t i n gc m o si st h em a i ni n n o v a t i o nt om a k e t h ep r i c ea n dp o w e rl o w , t h i sd i s s e r t a t i o nc a nb ed i v i d e di n t os e v e r a lp a r t s i nt h ef i r s tp a r t ， t h et r i a n g u l a t i o ni sp r o p o s e d ，a n dt h ep a r a m e t e r so fo p t i c a ls y s t e ms t m c t u r ea r ea l s o d e t e r m i n e d ，w h i c ha r eu s e di ns h o r td i s t a n c ea n dl o n gd i s t a n c er e s p e c t i v e l y , a tt h ee n do ft h i s p a r t ，t h ee l l o r so ft h ew h o l es y s t e ma r ew o r k e do u tv i at h e o r e t i c a la n a l y s i s i nt h es e c o n dp a r t ， t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mi si n t r o d u c e d t h ep a r t i c u l a rf u n c t i o n so fs o m ek e yp a r t sa r e a n a l y z e ds u c ha sl e n s ，c m o s ，m c u ，f l a s ha n dl c d i nt h et h i r dp a r t ，t h ed e s i g no f s o f t w a r ei si n t r o d u c e da n dt h er e a l i z a t i o no fe a c hp a r to ft h es y s t e mi sa l s od i s c u s s e d ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fk i n d so fs u r f a c ea r ea n a l y z e d ，am e t h o do ff i t t i n gc e n t r o i dl o c a t i o na f t e r t a k i n gat h r e s h o l di na r e a si sb r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hs o l v e ds o m ed i f f i c u l t i e si nf i n d i n g c e n t r o i do fs p e c i a ls u r f a c e s i nt h ef o u r t hp a r t ，t h ee x p e r i m e n te q u i p m e n ti se s t a b l i s h e d ， i m a g e sa r ec a p t u r e dt h r o u g hc m o s ，a n dt h er e s u l to fe x p e r i m e n ti sa n a l y z e da n dt h e c a l i b r a t i o nc u r v ei sd r a w n ，d u et ot h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co ft h eu s e dl i g h t s e n s i t i v e t r a n s d u c e r sc a l i b r a t i o n ，t h em e t h o do fu s i n gp i e c e w i s el i n e a rl i n et oa p p r o x i m a t ec m o s c a l i b r a t i o nc u r v ei sp r o p o s e d ，w h i c hd e c r e a s e dt h em e a s u r e m e n te r r o r sg r e a t l y , a n a l y z e dt h e m e a s u r e m e n te r r o r sa n dp r o p o s e dt h em e t h o d so fm i n i s h i n ge r r o r s a tt h ee n do ft h i s d i s s e r t a t i o n ，i ts u m m a r i z e st h ec o n t e n to ft h ew h o l es y s t e m ，a n da l s od i s c u s s e dt h ef u t u r e i i 浙江大学硕 学位论文 m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：d i s t a n c ed i v i d e dt r i a n g u l a t i o n ；c o l l e c t i o no fi m a g e ；c e n t r o i dl o c a t i o no f l i g h t s p o t ；c a l i b r a t i o nc u r v e ；p i e c e w i s el i n e a ra p p r o x i m a t i o n ；e r r o i - sa n a l y s i s 1 1 1 浙江犬学硕上学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 激光测距是激光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 g a ( 钇铝石榴石) 激光器技术同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 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“1 ，在中、短程激光雷达应用方面有取代y a g 激光雷达的趋势，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。 1 2 现有激光测距方法评述 1 2 1 相位测距法。 相位法激光测距是利用发射的调制光和目标反射的接收光之间光强的相位差包含 的距离信息来实现对被测距离的测量。由于采用调制和测相等技术，相位测距法具有测 图卜l 相位测距基本原理 量精度高的优点，己经广泛应用于有合作目标的精密测距场合，回波的时问延迟产生_ ：r 1 浙江火学硕士学位论文 褶位延迟，测出相位差就得到了目标距离。“。其工作原理如图卜1 所示。设，为调制频率， 调制光的角频率为w = 2 - 4 。若调制后的辐射信号由目标反射后返回接收机，它所产生 的相位移为妒，则辐射信号由发射到返回的时间f 为“1 ： 得 对式( 卜2 ) 求微分，整理得 f ：里；旦 w 埘 三；三旦 22 巧 以：工d c 一堂+ 工塑 c f甲 ( 1 2 ) ( 卜3 ) 可知，在理论一h 影响相位法测距精度主要由光速误差( 传输光的气体媒质折射率变 化) 等原因引起、调制频率，的误差及相位测量误差组成，其中第一项可以采用实时实 地环境参数( 温度、大气压力等) 误差补偿来降低，后两项取决于信号处理电路的性能。 因此，在电路系统中，频率产生电路和差频测相电路是关键，它直接影响系统误差的大 小。另外，还必须考虑到信号在光路和电路上传输时将产生的附加相移。附加相移是随 机的，随着外界环境、元器件性能及其稳定度等而变化，无法用修正来消除，会对测量 结果造成很大影响。因此。电路系统的合理设计是实现高精度距离测量的关键。 1 2 2 脉冲激光测距法 脉冲激光测距是利用激光传播往返时问差的测量来完成的”。测量时由脉冲激光器 向目标发射脉冲光束，再经目标反射而返回测距仪，由激光所需时间t 来确定月标的距 离l 。即： l：孚(1-4) 1 图1 2 为脉冲激光测距原理框图“1 。 2 浙江大学硕l 学位论文 图卜2 脉冲激光测距原理框图 取样棱镜 脉冲激光测距系统一般由脉冲激光发射单元、接收单元、控制电路、计时基准脉冲振荡 器、计数器和显示模块等部分组成“3 。其工作过程为：按下复位按扭，复位电路给出复位 信号使整机复原，待整机处于准备测量状态之后，再触发脉冲激光发射机，输出激光脉 冲。 1 2 3 干涉测距法w 干涉测距法是基于光波的干涉原理，利用各种干涉仪测距的方法。激光的出现，使 干涉测距法的应用范围更加广泛。激光干涉测距法的基本原理如图卜3 所示： 图卜3 激光干涉测距仪原理 3 浙江大学项k 学位论文 由激光器发出的光经分光镜分成两束，束射向干涉仪的固定参考臂，经参考反射 镜m 返回后形成参考光束；另一束射向干涉仪的测量臂，测量臂中的反射镜m ：将随被 测物体的位移而移动，这一束光从测量反射镜返回后形成测量光束；测量光束和参考光 束的相互叠加干涉形成干涉信号。干涉信号的明暗变化次数直接对应于测量镜的位移， i u 表示为： l 。生 ( 15 ) 2 因此，由光电显微镜发出的对的起始计数点，可以通过对的计数得出被测位移l 的 值。 1 2 4 三角测距法 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。3 ，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。图卜4 是激光三角测距的最简单的形式。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。 图卜4 激光三角测距法原理 4 物面 浙江大学砸士学位论义 1 2 5 几t i b i , ! l h t l 7 方法的比较 从上面对几种测距方式的叙述来看，现行的激光测距技术各有其优缺点1 ： 脉冲激光测距法采用测量激光的传输时间的测量方法，适用于较远距离测距，特别 是在天体测量方面，测距精度较低( 一般大于l m ) 。 相位测距法采用激光调制的方法，通过测量载波调制频率的相位，达到测量距离的 目的，适用于中远距离测距，要达到距离的高精度测量，必须提高系统的激光调制频率 和相位测量精度，增加了系统对设备的性能要求，增加了系统的成本造价。 干涉测距法测量精度高，适用于微小位移的测量( 一般小于l 肛m ) ，对测量环境要求 非常苛刻，适用于高精度的实验室的实验定标等应用。 激光三角测距法比较适合于中短距离的测量，被广泛应用于物体的表面轮廓、宽度、 厚度、位移及振动测量。接收装置使用电荷耦合器件或光电位置敏感器件( p s d ) ，由于 这几种器件接收的是物面散射光，所以对其灵敏度的要求较高，但是在中、短距离测量 中，由于激光有很好的单色性、方向性和高亮度，加之接收装置的高灵敏度，散射光斑 的位置还是比较容易确定的。 通过对上述几种测距方法之比较，可以看出不同的测距方法适合于不同的测距范 围。脉冲测距法适合于远距离的测量，相位测距法适合于中远距离的测量，干涉测距法 适合于变化微小的钡4 量，三角测距法适合于中短距离的钡8 量，特男i j 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。 1 3 课题的提出及主要工作 就目前而言，由于激光测距的一些特殊性，现在普遍使用的激光测距技术还无法满 足一1 些特殊领域距离测量的要求。要达到高精度的测量，一般情况下对设备及元器件的 要求较高，设备造价昂贵，对测量环境要求苛刻，目前的激光测距技术存在一定的缺陷 “o 。，怎样提高激光测距的测量精度、降低激光测距对测量环境的特殊要求、降低设备造 价，是目前各国科研人员一直在努力解决的问题。 考虑到在实际应用中，中短距离较高精度非接触测量的需求广泛存在，如河流宽度 浙江大学硕士学位论文 的测量、隧道截面轮廓的检测，矿井f 测量等，在很多时候，可以代替米尺进行测量。 但蜀前还没有提出一种适用的精度高、体积小、价钱便宜的中、短距离测量方法，本课 题f 是为了满足这一要求来研究单点激光三角测距系统。 三角法测距的原理公式中凶变量、自变量及系统结构参数之间具有非线性关系，并 且在系统结构确定以后，距离越远，单位距离变化在接收器件上的对应变化量越小，即 测量分辨率越低，测量精度与测量距离之间存在着矛盾，因此本文提出采用分段的三角 测距法，很好的解决了测量距离跟测量精度之间的矛盾。一般的测距系统采用d s p 作为 控制器，数据处理快，但价钱昂贵。单片机体积小，成本低，功耗低，考虑到对于本系 统使用单片机已经可以满足设计要求，故采用单片机作为数据处理的控制器。 本论文分为五个部分详细介绍了课题的研究内容。第一部分提出了分段三角测距 法，并确定了分别用于近距离段和远距离段测量的系统光学结构参数，最后通过数值模 拟从理论上分析了整个系统的测量误差。第二部分介绍了系统的硬件设计。通过对本测 距系统要求的具体分析，选择了合适的元器件。对三角测距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动能进行了分析。第三部分介 绍系统的软件设计。对系统各个部分的实现方法进行了讨论。第四部分搭建了实验装置， 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，采用逐段折线逼近 该标定曲线的方法，大大减小了误差，并进行了误差分析和提出了减小误差的方法。最 后对系统做了总结，并对系统以后的改进也进行了论述。 浙江人学硕士学位硷文 第二章用于中、短距离测量的三角测距法 从前一章可知，三角测距法具有结构简单、计算方便等优点，所以研究三角测距系 统具有很好的现实意义。在详细介绍系统的设计之前，酋先对系统的基本原理进行分析， 介绍了几种常用的三角测量系统，对激光垂直和倾斜照射被测物体表面进行了理论分 析，提出采用分段三角测距法，解决了测量距离、测量精度和测量范围这三者之间的矛 盾，并对系统的各要素进行了数学推理和运算，从而精确地限制了每个测距系统的测量 范围。 2 1 三角测距法原理h ” 典型的激光三角法测距光路，如图2 1 所示。系统主要由激光器、成像透镜、光电 探测器等组成。激光器发出的激光束经准直聚焦后垂直入射到物体表面上，其漫反射光 激光源 z 被测物面、。 图2 一l 激光三角测距系统 电探测器 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j 二像点位移 缸，通过计算公式就可获得传感器与被测物体表面之间的距离信息。 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， 8 是激光束与透镜光轴的夹角，0 作为测量物体高度的基点，是成像透镜的焦距。此 浙江大学砸 学位论史 第二章用于中、短距离测量的三角$ ! i 1 显1 7 法 从前一章可知，= 角测距法具有结构简单、计算方便等优点，所以研究三角测蹲系 绩具有很好的现实意义。在详细介绍系统的设计之前，首先对系统的基本原理进行分析， 介绍了j i a i 常用的三角测量系统，对激光垂直和倾斜照射被测物体表面进行了理论分 析，提出采用分段三角测距法，解决了测量距离、测量鞘度和测量范围这- i 者之问的矛 盾，并对系统的各要素进行了数学推理和运算，从而精确地限制了每个测距系统的测量 范围， 2 1 三角测距法原理 典型的激光三角法测距光路，如图2 一l 所示。系统主要由激光器、成像透镜、光电 探测器等组成。激光器发出的激光束经准直聚焦后垂直入射到物体表而上，其漫反射光 激光源 被测物面、。 图2 一l 激光三角测距系统 电探测器 经成像透镜形成光斑成像在光f b 探测器上，距离变化z 引起探测器光敏面上像点位移 打，通过计算公式就可获得传感器与被测物体表面之间的距离信息。 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， 8 是激光束与透镜光轴的夹角，0 作为测量物体高度的基点，r 是成像透镜的焦距。此 8 娃激光束与透镜光轴的夹角，o 作为测量物体高度的基点，r 是成像透镜的焦距。此 浙江人学硕+ 学位论文 叫测距变化的计算公式为“2 “。 z ：!坐(2-1) b s i n 口b x - c o s 日 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。 2 2 单光束照射物面标祥实验 本实验采用面阵c m o s ( l m 9 6 1 7 ) 接收光斑的图像，因为c m o s 功耗低，价格便宜，采 用的激光光源为半导体激光器，由激光器发出的激光束照射到被测标样表面形成的漫反 射光经成像透镜在感光器件c m o s 的光敏面上形成像点，当所测距离不同时反映在光敏器 件上的光点像位置也随之不同，因此只要知道光点像位置就能求出距离。 2 2 1 实验光路 实验中c m 0 s 一直采用与物面成一定夹角的方式接收，入射激光可用两种方式照射 “，一种是让激光垂直照射到物面标样的表面，c s 以一定的角度接收，接收器件与c m o s 光敏面平行，正中间的基准光线通过透镜在光敏面上清晰成像，当物面标样被前后移动 时，光斑在基准光线两端成像；另一种是让激光倾斜入射到物面标样的表面，c m o s 以一 定的角度接收，入射光线与反射面的法线成一定角度，光斑仍然在基准线两端成像。 第一种光路结构简单，计算公式也简单；而第二种光路比第一种光路稍微复杂，计 算公式也复杂，因此我们采用第一种光路，如图2 - 2 所示。 激光 物面 蚓2 2 实验光路 8 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 实验测量公式 本实验中采用第一种光路布置，让激光垂直照射到被测物面标样的表面，光路的测 图2 3 光路计算公式 量公式如图2 3 所示，光束照在a 点，反射至) j c m o s 光敏面上的n 点，a 点反射至) c m o s 光敏面上的n 点，当所测距离y 不同时反映在光敏器件上的光点像位置x 也随之不同， 根据图2 4 所示三角关系和牛顿物像关系公式“”可得两者之间的关系为： y ：茎：笪：塑! 二塑二：丝 ( 2 _ 2 ) x l f l x ：丝= 坠( 2 - 3 ) ，2 + ，2 一f2 一， 式中l ，为被测距离，为成像系统焦距，为激光发射口到成像系统中心的距离，即 基线长度，l 为某一已知距离，通常取光敏面接收器中心对应的距离，即基准距离，盖 为该被测距离在光敏接收器上与已知距离在光敏接收器上像点的距离，有正负之分。 2 3 理论分析和提高精度的措施 2 3 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问具有非线性的关 浙江大学硕士学位论文 系，因此系统中各参数的设置是个难点。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( 2 3 ) 式求导呵得”“： 由( 2 4 ) 式可得：所测距离越大，盖：越小，即缸变化量越小，测量精度越低。晟 大测量距离和最小测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( 2 3 ) 式，我们发现石不仅与y 有关，还与，、f 有密切关系，将( 2 3 ) 式分 别对，、f 求导得m 1 ： 石j ：二! ：坠丝：贮墨：塑( 2 5 ) ( ，工2 + z 2 一f 2 一l 】，) 2 x ：丛生坠业鸳丝兰型鲨：望6 ) r = ；= = = = = = 一l z b ( ，2 + f 2 一f 2 一三y ) 2 中短距离测量中，2 + - y ，, l 2 + f 2 ，故由( 2 5 ) 式和( 2 - 6 ) 式可知，对同一y 值， 和聩苣大，x 越大，即测量精度越高，而，与f 大则会减小测量范围( 对同一光电接收 器件来说) ，对( 2 4 ) 式来说，是y 值越大即测量距离越远，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0 1 = 曰：，如 图2 4 所示，因此最大距离和最小距离可以作为已知量，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。 l o 浙江人学硕士学位论文 c m 图2 - 4 三角测距参数确定理论分析图 遗过最小距禺、最大距呙丰u 基线长度腻口j 以疋出乐统删县匕绡利爹致。具体订- 3 9 9 2 n 列 下： t 9 0 3 = 芸麓 ， t 9 0 4 = 鬟筹( 2 - 8 )。赫 鹕；嚣器 。， 司知透镜焦距厂= 掣，兰t t g ( o , + 岛) ， 其中：疗。；竺生掣， t g v z 最小距离。基线长度z 日，2 8 阳增西歪i 酲爵口。4 比辔1 丽。 浙江大学硕士学位论文 2 3 2 分段- $ n 罡f f 法 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，于是提出分段三角测距法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采完成不同距离段的测量。结构原理 如图25 所示。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 激光器 像系统1 k 成像系统2 图2 - 5 分段三角测距法原理闰 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 处精度正好是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 l l m 作为远距离段。 2 3 3 测距系统参数的设置和精度 参数的设罴直接决定系统的精度。前面已经提到在中短距离测摄中 ，：+ l y ，撕丽，我们将公式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 简化为： 浙江大学硕士学位论文 ( 21 0 ) 式中：x = ( m a x x 一3 2 0 ) x 0 0 0 7 5 m m ，m a x x 为光斑质心坐标。因此只要找出光斑质心 位置，就能利用( 2 1 0 ) 式就能直接求出测距。 对近距离段，我们求得各组对应的基线长度，、透镜焦距，和基准距离参数如表 2 “l 所示。 表2 - 1 近距离段基线长度f 、透镜焦距，和基准距离l 对应表 基线长度1 透镜焦距， 基准距离 9 0 m m 1 2 8 m 3 0 2 4 m m l o o m m1 1 3 m m3 0 3 0 咖 1 1 0 m m 9 9 m3 0 2 9 m m 1 2 0 m m9 6 m m3 0 3 4 m m 对远距离段，我们求得各组对应的f 、，和参数如表2 2 所示。 表2 2 远距离段基线长度f 、透镜焦距，和基准距离对应表 基线长度f 透镜焦距， 基准距离 1 5 0 r a m3 8 4 n u n 7 9 9 4 n m l 1 6 0 n u n3 3 1 m m7 8 6 8 m m 1 7 0 r a m3 3 l m m7 9 5 0 n u n 1 8 0 r a m3 l o m m 7 9 6 2 m m 2 0 0 r a m2 7 8 r a t a7 9 6 9 r a m 2 1 0 r a m 2 6 5 m m7 9 7 l m m 2 2 0 m m2 5 3 m m 7 9 7 0 m m l 一 一 川i 棚r 卜一置 y 一十等瓮 一， ，一 ，= 浙江火学硕十学位论史 在巾短距离测量中，综合考虑测量精度和系统的结构参数，所取弭，数值应该相 当，且都远小于。实验中选用基线长度，：l o o m m ，透镜焦距，= 1 1 4 m m 口= 0 ，+ 0 ，- - 8 8 1 1 。作为近距离段参数；选择基线长度1 2 2 1 0 r a m ，透镜焦距，为2 6 5 m m 口= 0 ，+ 0 3 = 8 8 4 94 作为远距离段测量参数。使用以j 一参数，最后的结构参数见表23 所 表2 - 3 系统参数表 距离段基线长度z 透镜焦距， 基准距离夹角0 近距离段 1 0 0 m m1 1 4 m m3 0 3 0 m m 8 8 1 1 。 远距离段 2 1 0 m m2 6 5 m m7 9 7 1 8 8 4 9 6 为了更直观的看出像点位置和对应测距的关系，我们做出远近距离段的像点位置跟 测距的对应关系图，如图2 6 和图2 7 所示，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。 j 。1 f _。 。 j ； 图2 - 6 像点位置与测距对应关系图( 近距离段) 1 4 浙江人学硕士学位论文 图2 7 像点位置与测距对应关系图( 远距离段) 采用以七结构参数，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 r a m ，在远 距离段测量时误差在4 m m 1 3 r r d n 。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，可以看出像点位置跟测距是服从近似线裢分布的，我们放大其中 部分局部，得到像点位置与测距对应关系局部图如图2 8 所示。 ( a ) 近距离段 ( b ) 远距离段 酬2 - 8 像点位置与测距对应关系局部图 浙江大学顾： 学位论业 第三章单点激光三角法测距系统的硬件设计 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。 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。系统的原理框到如图3 1 所； 图3 - 1 系统原理框图 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。结构示意图见图3 2 所示。 酬3 - 2 结构示意斟 浙江人学硕士学位沦文 由光源发出的激光束照射到被测物体表面，其漫反射光经成像透镜形成光斑成像在 感光器件c m o s 的光敏而上，该散射光斑的中心位置由传感器与被测物体表面之问的距 离决定。整个系统由单片机c 8 0 5 1 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。 3 1 光学系统 3 1 ，1 光源的选择 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。 5 体积小，成本低。 由于本系统是便携式仪器，从探测器要求小体积这一点出发，半导体激光器是最符 合要求的。半导体激光器与其它固体激光器和气体激光器相比，具有体积小、重量轻、 全固化、成本低等优点。虽然半导体激光器发射波长被大气的衰减比较大，但是在中短 距离探测中已足以胜任。这里选择波长) t j 6 5 0 n m 的红色可见光连续波激光器，功率为8 m w 左右，在6 m 处光束直径约为4 m m 的圆形光斑，这一大小和形状的光斑可以抵抗定t 扰 并有利于距离分辨能力。 浙江火学碗上学位论史 3 1 2 透镜的选择 组成测量系统的光学部件本身的误差主要来源于球差、彗差、象散、场曲和畸变等， 它们会使实际成像点偏离理想成像点，给测量带来误差。这些误差主要靠光学设计和制 造工艺来消除或减小。 简单物镜是指那些属于单组元的镜头，如胶合镜组、间隙很小的双分离镜纰等。在 一些性能要求不高的成像系统中，由于孔径不大，视场很小，常单独作为物镜被采用。 同时，简单物镜也是一些复杂镜头的重要组成部分。在小视场情况下使用的物镜，应校 正色差、球差和近轴彗差。双胶合物镜虽只有三个变量，但在玻璃组合恰当时，有可能 在给定焦距下同时校正好这三种像差。由于本系统采用的激光光源是单色光，因此不需 要校正色差，只需校正球差和近轴彗差。 远轴光线轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射高度的 光线交光轴于不同位置，相对近轴像点( 理想像点) 有不同程度的偏离，这种偏离称为 轴向球差，简称球差“。球差的存在，在高斯像面上的像点已不是一个点，而是个圆 形的弥散斑。彗差“。是轴外点成像时产生的一种宽光束像差，是与视场和孔径均有关的。 大的彗差，严重影响轴外点的成像质量，因此，任何具有一定大小孔径的光学系统都必 须很好地校征彗差。 双胶合镜组的球差校正是由胶合面的作用所致。胶合面产生足够的正球差来校正第 一、三两面的负球差，为保证像质，双胶合镜组的相对孔径不能任意提高。 表3 - 1 给出了用双胶合镜组作为物镜时，在不同焦距时的相对孔径“。 表3 - 1 双胶合物镜在不同焦距时的孔径 i 焦距f 。( r a m ) 5 01 0 0 1 5 02 0 03 0 05 0 01 0 0 0 l 相对孔径d ， 1 ：31 ：351 ：41 ：51 ：6 1 ：8 l ：1 0 | 实验中根据测距系统的要求，近距离段采用焦距为1 1 4 r a m 的双胶合透镜，远距离段 采用焦距为2 6 5 m m 的双胶合透镜，通光孔径分别为3 0 m m 和5 0 m m 。 浙江人学硕上学位沦文 3 2 光电成像器件g m o s c m o s 与传统的光电接收器件相比，具有以下优点：( 1 ) 驱动脉冲电路。c m o s ；艺t 片内 部集成了驱动电路，大大简化了硬件设计，同时降低了系统的功耗。( 2 ) 集成度。c m o s 图像传感器可将光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、模拟转换器、图像信号处 理器及控制器等集成到一块芯片上。( 3 ) 读取速度。c m o s 图像传感器在采集光信号的同 时就可以取出电信号，还能实时处理各单元的图像信息。( 4 ) 价格。从目前的市场看， c m o s 器件的价格要远远低于c c d 器件。( 5 ) 功耗。c m o s 光电传感器使用单一光源，耗电量 非常小。( 6 ) 带宽。c m o s 具有低的带宽、并增加了信噪比。( 7 ) 访问灵活性。c m o s 具有对 局部象素图像的编程随机访问的优点。如果只采集很小区域的窗口图像，可以获取很高 的帧频。这是c c d 图像很难做到的。( 8 ) 填充系统。由于c m o s 的集成度高，单个象素的填 充系数远低于c c d “。 3 2 1 本系统中采用的面阵c m o s 图像传感器 作为光斑特征分析的光学检测元件，c m o s 图像传感器最终要实现对光斑的成像， 因此在选择c m o s 图像传感器时，需要考虑如下因素：单个象素的大小、信噪比、光 谱响应特征和在所要求环境下的响应度。l m 9 6 1 7 是单色c m o s 图像传感器，灵敏度高， 并具有固定的消噪电路，符合系统要求。 本系统采用的面阵c m o s 图像传感器的主要性能参数“”如下： 单色数字式黑白图像传感器 1 3 英寸 成像面积：4 8 6 r a mx3 6 6 m m 象素尺寸：7 5 肛m 7 5 m 总有效象素面积：( 水平方向) 6 6 4 ( 垂直方向) 5 0 4 象素 1 2 位的a d 转换器，1 2 位、1 0 位、8 位数据输出 i l c 总线接e 1 ，通过i i c 对各个寄存器进行读写操作 3 3 v 电源供电，工作时功耗 9 0 m w ，待机时功耗 | r 一 t iti l ： ，。，、，、，- ；+ i “、。 一 、7 图4 7i2 c 总线工作时序图 图48 说明了字节读写操作的程序结构。 起始信号 0 写被控器地址 写操作过程 写被控器地址+ l 读数据 t i终j t 信号 + ：字节第8 何为0 一：字节第8 位为“1 ” 读操作过程 蚓4 8i2 c 总线读、写操作过程 系统中使用的c m o s 图像传感器具有可编程的12 c 接口，所以可以通过1 2 c 总线将芯片 的相关1 2c 控制寄存器赋值，同时控制图像数据输出的一些相关的功能如输出的场频率、 扫描方式、数字视频输出格式、p c l k 频率等。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 的m c u 中有一个完全符合系统管理总线标准1 1 版的串行i o 接口，它是一 个暇线的双向串行总线，与l2 c 串行总线兼容，因此对c m o s 的控制非常方便。通过设置 交叉丌关，s d a 、s c l 6 1 脚将分别被分配到p 0 6 和p o 7 引脚，在传输过程中，s c l 时钟速 率为2 0 0 k h z 。 本例中的软件是用汇编语言写的，目的是为了说明用s m b o s t a 作为软件索引的优点。 s m b u s 状态表写在8 字节的存储段内，这是通过对每个状态使用“o r g ”语句实现的，从 孚 雪 浙江大学硕士学位论文 表的起始地址按对应的状态码向下偏移。例如：如果状态表的标识符为sr f a t e t a b l e ， 状态1 是o x 0 8 ，表示起始条件已发送，则状态的代码段应从下面的地址开始，即： o r gs t a t e _ t a b l e + 0 8 h m o vs m b o d a t ，w r ia d d ：装入从地址+ w c l rs t a ；手动清除s t a r t 位 j m p s m b 一1 s r e n d ；中断返回 s m b i s r e n d ： c l rs i p o pa c c p o p d p l p o pd p h p o pp s w r e 汀i 现在，当s m b o s t a q h 的状态码为0 x 0 8 时，可按如下过程访问状态l ，即 m o va ，s m b o s t a ：装入当前状态 m o v d p t r ，# s t a t e _ t a b l e：将d p t r 指向表的起始地址 j m p a