测距传感器主流之激光测距传感器工作原理.doc

测距传感器主流之激光测距传感器工作原理 激光传感器工作时,先由激光二极管对准目标发射激光脉冲.经目标反射后激光向各方向散射.部分散射光返回到传感器接收器,被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上.雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器,因此它能检测极其微弱的光信号.记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间,即可测定目标距离.激光传感器必须极其精确地测定传输时间,因为光速太快.激光测距传感器 与 超声波测距传感器之性能对比 激光测距传感器原理及应用 一、激光距离传感器的发展 激光在检测领域中的应用十分广泛,技术含量十分丰富,对社会生产和生活的影响也十分明显.激光测距是激光最早的应用之一.这是由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点.1965年前苏联利用激光测地球和月球之间距离(384401km)误差只有250m.1969年美国人登月后置反射镜于月面,也用激光测量地月之距,误差只有15cm. 利用激光传输时间来测量距离的基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离.即: . 激光测距虽然原理简单、结构简单,但以前主要用于军事和科学研究方面,在工业自动化方面却很少见.因为激光测距传感器售价太高,一般在几千美元.实际上,所有工业用户都在寻找一种能在较远距离实现精密距离检测的传感器.因为许多情况下近距离安装传感器会受物理位置及生产环境的限制,如今的激光测距传感器将为这类场合的工程师排忧解难. 二、工作原理 激光传感器工作时,先由激光二极管对准目标发射激光脉冲.经目标反射后激光向各方向散射.部分散射光返回到传感器接收器,被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上.雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器,因此它能检测极其微弱的光信号.记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间,即可测定目标距离.激光传感器必须极其精确地测定传输时间,因为光速太快. 例如,光速约为3108m/s,要想使分辨率达到1mm,则测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间: 0.001m(3108m/s)=3ps 要分辨出3ps的时间,这是对电子技术提出的过高要求,实现起来造价太高.但是如今廉价的激光传感器巧妙地避开了这一障碍,利用一种简单的统计学原理,即平均法则实现了1mm的分辨率,并且能保证响应速度. 三、解决其它技术无法解决的问题 激光距离传感器可用于其它技术无法应用的场合.例如,当目标很近时,计算来自目标反射光的普通光电传感器也能完成大量的精密位置检测任务.但是,当目标距离较远内或目标颜色变化时,普通光电传感器就难以应付了. 虽然先进的背景噪声抑制传感器和三角测量传感器在目标颜色变化的情况下能较好地工作,但是,在目标角度不固定或目标太亮时,其性能的可预测性变差.此外,三角测量传感器一般量程只限于0.5m以内. 超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体,而且由于它不是光学装置,所以不受颜色变化的影响.但是,超声波传感器是依据声速测量距离的,因此存在一些固有的缺点,不能用于以下场合. 待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合.因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10角以内. 需要光束直径很小的场合.因为一般超声波束在离开传感器2m远时直径为0.76cm. 需要可见光斑进行位置校准的场合. 多风的场合. 真空场合. 温度梯度较大的场合.因为这种情况下会造成声速的变化. 需要快速响应的场合. 而激光距离传感器能解决上述所有场合的检测. 四、在自动化领域的广泛用途 如今,自动检测和控制的方法中,除了超声波传感器和普通光电传感器外,又增加了一个能解决长距离测量和检验的新方法-激光距离传感器.它为各种不同场合提供了应用的灵活性,这些场合可包括如下: 设备定位. 测量料包的料位. 测量传送带上的物体距离和物体高度. 测量原木直径. 保护高架起重机免于碰撞. 无误差检查场合. 五、几个应用实例 1、测量传送带上箱子的宽度 使用两个激光传感器,在传送带的两侧面对面安装.因为尺寸变化的箱子落到传送带上的位置是不固定的,这样,每个传感器都测量出自己与箱子的距离,设一个距离为L1,另一个为L2.此信息送给PLC,PLC将两个传感器间总的距离减去L1和L2,从而可计算出箱子的宽度W. 2、保护液压成型冲模 机械手把一根预成型的管材放进液压成型机的下部冲模中,操作者必须保证每次放的位置准确.在上部冲模落下之前,一个发散型传感器测量出距离管子临界段的距离,这样可保证冲模闭合前处于正确位置. 3、二轴起重机定位 用两个反射型传感器面对反射器安装,反射器安装在桥式起重机的两个移动单元上.一个单元前后运动,另一个左右运动.当起重机驱动板架辊时,两个传感器监测各自到反射器的距离,通过PLC能连续跟踪起重机的精确位置. 有了这种新式廉价激光测距传感器,反射性或多颜色的目标长距离位置检测即使在检测角度变化的情况下也没问题了基于DSP的多超声测距传感器数据采集处理系统 移动机器人要实现在未知和不确定环境下运行,必须具备自动导航和避障功能.在移动机器人的导航系统中,传感器起着举足轻重的作用.视觉、激光、红外、超声传感器1等都在实际系统中得到了广泛的应用.其中,超声波传感器以其信息处理简单、速度快和价格低,被广泛用作移动机器人的测距传感器,以实现避障、定位、环境建模和导航等功能. 传统的轮式移动机器人超声数据采集系统大多采用单片机作为微处理器,以此来测量移动机器人到障碍物的距离,并将距离通过串口传输到上位机.采用这种设计,系统制作简单、成本低.但是,对于多超声传感器测距系统,如果仍采用单片机来完成测距任务,由于系统中超声传感器数量较多,为保证系统的实时性,就需要多个单片机才能完成数据采集,这使得采集系统不可避免地存在设计复杂和一些算法难以实现等缺陷.随着微电子工艺的发展,数字信号处理器(DSP)的应用领域已从通信行业拓展到工业控制领域.TI公司推出的TMS320LF2407A是专门针对控制领域应用的DSP,它具有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构,其指令执行速度高达40MIPS,且大部分的指令都可以在一个25ns的单周期内执行完毕.另外,它还具有非常强大的片内I/0端口和其它外围设备,可以简化外围电路设计,降低系统成本.正是基于这种思想,中国科学院自动化研究所在国家863计划的支持下,利用多DSP和嵌入式PCI04自行设计和研制了轮式移动机器人CASIA-I.本文着重介绍其超声数据采集系统,同时对通过CAN总线完成的超声数据与上位机通讯的原理和设计过程进行分析说明,并给出实验结果. 1超声测距原理 超声测距的原理较简单,一般采用渡越时间法,即: D=ct/2 (1) 其中D为移动机器人与被测障碍物之间的距离,c为声波在介质中的传输速率.声波在空气中传输速率为: 其中,T为绝对温度,c.=331.4m/s.在不要求测距精度很高的情况下,一般可以认为c为常数.渡越时间法主要是测量超声发射到超声返回的时间间隔t,即渡越时间,然后根据式(1)计算距离. 2系统硬件设计 在距地面高度为45cm、相隔为22.5的同一环上均匀分布着16个Polaroid生产的超声传感器,其编号为1#16#(逆时针安排),超声传感器波束角为30,超声传感器的最小作用距离为0.45m.超声数据采集板主要有两大模块:一是16路超声传感器的超声波发射和回波的接收模块,二是与上位机(机器人中央控制器)的CAN总线通讯模块.其硬件结构见图1. TMS320LF2407A向I/0端口发出控制信号,启动内部定时器进行计时.此控制信号经功率放大后作为超声传感驱动电路的启动信号(1NIT),超声传感器产生的、遇到障碍物时返回的高频振荡信号经放大(为弥补传播过程中信号的衰减)使超声传感驱动电路的ECHO端产生高电平脉冲.ECHO电平变化经过门电路后引起TMS320LF2407A外部中断,在中断程序内获取定时器的计数值,根据式(1)计算距离;否则,认为传感器前方探测范围内无障碍物. 因为超声传感器之间的安装位置相差22.5,而超声传感器的波束角为30,如果超声波同时发射,必然会有干扰.如果采用轮循方式,即一个接一个地发射超声波,虽然可以消除串扰回波的影响,但是16个超声传感器轮循一次周期较长,降低了采集频率.为了在不降低采集频率的同时消除超声的相互干扰,本系统将16个超声传感器分成A(1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#)和B(2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#)两组,因为同一组内的两个超声传感器安装位置相差45,通过计算可以知道,这种情况下超声传感器同时工作不会产生干扰,因而每一组里的超声传感器同时工作,组与组之间则采用轮循方式工作.这样既可以达到很高的采集频率,同时也满足了系统的实时性要求.每组8个超声传感器的ECHO端分别连接到一门电路,然后通过门电路连接DSP的XINTl和XINT2端.XINTl/2引脚电平发生跳变时会产生外部中断,通过I/0口可以知道是哪个或哪几个传感器引起中断. TMS320LF2407A内部集成了CAN控制器,通过它可以方便地构成CAN控制局域网络.TMS320LF2407A的CANTX和CANRX接口与CAN收发器SN65HVD230相连,通过SN65HVD230连接CAN总线.SN65HVD230是TI公司生产的专门针对240X系列DSP内CAN控制器与物理总线的接口.它的供电电压和TMS320LF2407A一样,仅为3.3V.由于CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性,最高传输速率可达到1Mbps.超声采集板的数据能够快速、可靠地传给中央控制器. 3软件设计 系统软件主要由两部分构成,即超声数据采集与处理模块、CAN总线通讯模块. 3.1多路超声传感器数据采集模块 超声传感器被分为两组,两组循环交替工作.软件设计上采用两个定时器依次工作,分别对两组传感器进行计时.选择定时器的周期比超声传感器探测最大距离所需的渡越时间稍长.在每个定时器周期开始时,触发一组超声传感器同时开始工作.在定时器周期内,每个回波返回,都会触发一次外部中断(XINTl或XINT2中断),在外部中断处理程序内,将超声波返回时间进行纪录,并将相应的超声传感器关闭.外部中断处理程序非常简短,本系统只用了不到20条指令,并且TMS320LF2407A指令执行速度很快,因而即使因进入外部中断处理程序而延误了对后来回波的处理,但这种延误的时间根据计算不大于0.5s,由此引入的距离误差根据(1)式计算小于83.510-6m.可见误差非常小,可以忽略不计.当定时器中断时,对于距离大于最大超声探测范围的,没有相应的时间记录,给它们加上超出测距范围的标志.其它的时间数据都有记录,根据(1)式计算距离,然后启动下一个定时器工作,并触发下一组超声传感器.本文的超声传感器的最大探测距离为3.5m,因而超声波探测的最长时间为20.58ms.所以每个定时器的周期选为20.6ms.图2只画出了一组超声传感器的处理框图,另一组与此相同,不再赘述. 由于受环境温度、湿度的影响,超声传感器的测量值与实际值总有一些误差,表1列出了本超声测距系统测量值与对应的实际值.采用最小二乘法8对表1的数据进行拟合,结果为: y=O.9986x+0.2111 式中,x为测量值,y为实际值. 3.2基于CAN总线的数据通信 超声数据采集板发送测距数据以中断的方式完成.TMS320LF2407A有专门的mailbox中断,用于响应发送/接收中断.每个超声传感器的测距值在DSP内用两个字节存储,而CAN总线传输标准要求每个数据帧最多只能传输8个字节的数据.本系统共有16个超声传感器,共有32个字节存储所有测距值.CAN总线传输所有测距值需要4个数据帧才能传送完.本系统的通讯过程为:中央控制器发送远程请求,超声数据采集板进入接收中断,在中断服务程序内,采用查询方式发送4帧数据,每帧数据包含4个超声传感器的测距值.本系统采用的波特率是500kbps.TMS320LF2407A用mailbox0接收中央控制器的远程请求帧,用mailbox2发送测距数据值.图3是超声数据采集板的发送数据中断服务程序框图.其中,TA2是对应mailbox2发送数据帧完成的标志位,RMP0是对应mailbox0接收数据帧的标志位.关于TMS320LF2407A的CAN模块的具体说明,在此不作具体介绍. 中央控制器接收子程序由VC+编写.当机器人需要新的测距值时,即调用此子程序.程序框图见图4.接收程序收到一帧数据后,判断数据是否有错,若有错,则向采集板发送命令,要求重发此帧数据;若正确,发送确认命令,要求采集板发送下一组数据,直到所有的超声测距数据都接收完. 本文介绍的超声数据采集系统采用TMS320LF2407A为核心处理器,可以达到很高的采集速率和精度.通过CAN总线通讯,可以将测距值以很高的波特率可靠地发送给机器人中央控制器.此系统已经在自行设计的智能移动机器人CASIA-I上得到了实际应用.实验验证了硬件系统的可靠性和算法的有效性.传输时间激光测距传感器 一、传输时间激光距离传感器的发展 激光在检测领域中的应用十分广泛,技术含量十分丰富,对社会生产和生活的影响也十分明显.激光测距是激光最早的应用之一.这是由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点.1965年前苏联利用激光测地球和月球之间距离(380103km)误差只有250m.1969年美国人登月后置反射镜于月面,也用激光测量地月之距,误差只有15cm. 利用激光传输时间来测量距离的基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离. 传输时间激光测距虽然原理简单、结构简单,但以前主要用于军事和科学研究方面,在工业自动化方面却很少见.由于激光测距传感器售价太高,一般在几千美元,高昂的价格一直是阻碍其广泛应用的主要原因.然而最近,激光测距传感器由于技术上取得了重大进展,使其价格已降到几百美元,从而使它今后有可能成为许多长距离检测场合最经济有效的检测手段. 造成这样大幅度降价的主要原因是最近两种消费产品的急剧增长. 其一是蜂窝电话.蜂;移动通信自70年代出现以来,发展异常迅速,用户几乎年年翻番,尤其是近年来发展更为惊人.蜂窝电话的发展促使电信工业提供出性能极佳的低噪声放大器.这种放大器的核心部件就是传输时间计时器. 其二是DVD播放机.DVD播放机的发展推动了低成本可见光二极管激光器的发展.这种二极管激光器发出的激光具有更好的聚焦特性,能实现超高密度数字存储.与仅仅几年前为CD机研制的红外激光二极管相比,其聚焦特性要好许多倍. 正是这些新器件的出现再加上表面安装电路板技术和清洁廉价的电源等,才使传输时间激光距离传感器的发展跃上新台阶. 实际上,所有工业用户都在寻找一种能在较远距离实现精密距离检测的传感器.因为许多情况下近距离安装传感器会受物理位置及生产环境的限制,如今的传输时间激光测距传感器将为这类场合的工程师排忧解难. 二、工作原理 传输时间激光传感器工作时,先由激光二极管对准目标发射激光脉冲.经目标反射后激光向各方向散射.部分散射光返回到传感器接收器,被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上.雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器,因此它能检测极其微弱的光信号.记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间,即可测定目标距离.传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输时间,因为光速太快. 例如,光速约为3108m/s,要想使分辨率达到1mm,则传输时间测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间: 0.001m?(3108m/s)=3ps 要分辨出3ps的时间,这是对电子技术提出的过高要求,实现起来造价太高.但是如今廉价的传输时间激光传感器巧妙地避开了这一障碍,利用一种简单的统计学原理,即平均法则实现了1mm的分辨率,并且能保证响应速度. 三、解决其它技术无法解决的问题 传输时间激光距离传感器可用于其它技术无法应用的场合.例如,当目标很近时,计算来自目标反射光的普通光电传感器也能完成大量的精密位置检测任务.但是,当目标距离较远内或目标颜色变化时,普通光电传感器就难以应付了. 虽然先进的背景噪声抑制传感器和三角测量传感器在目标颜色变化的情况下能较好地工作,但是,在目标角度不固定或目标太亮时,其性能的可预测性变差.此外,三角测量传感器一般量程只限于0.5m以内. 超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体,而且由于它不是光学装置,所以不受颜色变化的影响.但是,超声波传感器是依据声速测量距离的,因此存在一些固有的缺点,不能用于以下场合. 待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合.因