室内高速二维激光雷达的设计与实现

（申请工程硕士学位论文）室内高速二维激光雷达的设计与实现培养单位：信息工程学院专业类型：工程硕士研究生：王晨宇指导教师：黄涛教授2017年4月室内高速二维激光雷达的设计与实现王晨宇武汉理工大学分类号密级公开UDC学校代码10497学位论文题目室内高速二维激光雷达的设计与实现英文DesignAndImplementationOfIndoorHighSpeedTwo题目DimensionalLaserRadar研究生姓名王晨宇姓名黄涛职称教授学位博士单位名称信息工程学院邮编430070姓名李明职称教授级高工学位博士单位名称武汉环宇智行科技有限公司邮编申请学位级别硕士学科专业名称电子与通信工程专业类型工程硕士论文提交日期2017.4论文答辩日期2017.5学位授予单位武汉理工大学学位授予日期答辩委员会主席评阅人2017年4月指导教师副指导教师武汉理工大学硕士学位论文I武汉理工大学硕士学位论文II摘要在自主导航技术中，激光雷达是普遍使用的关键传感器之一，当前激光雷达市场上大多数产品都还是工业用激光雷达，工业激光雷达在性能上虽然能够严格满足工业应用的基本要求，但雷达设计过程复杂，制造成本高昂，体积功耗巨大，难以在室内服务机器人身上得到普遍应用。因此，设计并制造出成本价格低廉、体积功耗较小同时性能上又能满足普通家用需求的二维激光雷达，对于室内服务机器人产品的迅速推广和产业的迅速发展就具有重要的推动作用。（1）介绍了激光雷达的研究背景及基本原理，确定雷达采用三角激光测距的方案。根据激光三角法的原理设计出雷达测距模块的成像结构。根据三角测距理论，对测量距离和测量精度两个指标进行综合分析，结合具体应用的需求，确定雷达系统的镜头类型、CCD芯片型号以及光学成像系统的结构参数。（2）结合实际应用需求，对雷达的总体电路组成进行设计，具体设计出控制CCD工作的CCD驱动电路、系统控制核心单片机最小系统电路、实现雷达与PC通信的串口通信电路、识别雷达旋转周期的光电传感器电路、驱动测距机构旋转的电机驱动电路，实现了系统底层的硬件组成。（3）阐述了系统算法的设计，结合线阵CCD的使用方法以及工作特点设计出以K60单片机为控制核心的CCD驱动控制算法，保证CCD工作频率能够跟随雷达的不同转速实现自适应调整的功能。通过系统标定实验绘制分段拟合的距离曲线，得到分段拟合的距离解算算法，利用距离解算算法得到单个采样点的距离信息。设计出数据分割算法，使得雷达能够从采样数据中分割出一周采样点数据并发送至上位机。设计出PC上位机接收雷达发送的一周采样点信息并进行二维局部环境的图像显示。（4）最后对实际系统进行实地测试，并对最后的测试结果进行分析，验证了该雷达系统的可行性和有效性。经实验测试，雷达的扫描范围为48mm~6311mm，距离平均误差为2.8mm，最大误差为11mm，角度分辨率为1°，最大转速为1.98r/s，同时可实现手动调速功能。满足室内应用的基本需求。关键词：激光技术，激光雷达，激光三角法，线性CCD，系统标定武汉理工大学硕士学位论文IIIAbstractIntheautonomousnavigationtechnology,laserradarisoneofthecommonlyusedkeysensors,butonthemarket,mostofthecurrentproductsoflaserradarareindustriallaserradars,laserradarperformanceintheindustrycanstrictlymeetthebasicrequirementsofindustrialapplications,buttheradardesignprocessiscomplex,highmanufacturingcostandthepowerconsumptionishuge,itisdifficulttobewidelyusedintheindoorrobots’body.Therefore,thedesigningandmanufacturingof2Dlaserradarthatislowcost,smallvolumeandpowerconsumptionperformanceandcanmeettheneedsofordinaryhousehold,playsanimportantroleinpromotingtherapiddevelopmentoftherapidpopularizationandproductsofindoorservicerobot.（1）theresearchbackgroundandthebasicprincipleoflaserradararedescribed.Then,accordingtotheprincipleoflasertriangulation,theimagingstructureoftheradarrangingmoduleisdesigned.Accordingtothetriangulationtheory,thecomprehensiveanalysisofthemeasuringdistanceandmeasuringaccuracyofthetwoindicators,combinedwiththespecificneedsoftheapplication,determinethestructureparametersoflensthatismostsuitableforradarsystemtype,andselecttheCCDchipandopticalimagingsystem.（2）Accordingtotheactualapplicationrequirements,thepapermakestheoveralldesignoftheradarcircuitcomponent,includesthespecificdesignofCCDdrivingcircuittocontrolphotoelectrictransfercontrolCCD,systemcontrolcoreMCUminimumsystem,communicationcircuitthatbuildstheserialcommunicationbetweenradarandPC,cyclesensorcircuitthatmakesrecognitionofradarrotation,motordrivecircuitthatrealizestherotationrangingmechanism.Achievethecompositionoftheunderlyinghardwaresystem.（3）thepaperintroducesthedesignofsystemalgorithmthatisbasedonsingle-chipmicrocomputerK60CCDdrivecontrolalgorithmbyusinglinearCCDandworkcharacteristics,ensuretheworkingfrequencyofCCDradarcanfollowdifferentspeedtoachievetheadaptivefunction.Then,thedistancecurveofthepiecewisefittingisdrawnbythesystemcalibrationexperiment,andthedistancecalculationalgorithmisobtained.Thedatasegmentationalgorithmisdesigned,whichcanbeusedtosegmentthedatafromthesampledandsendittothehostcomputer.Atlast,wedesignthePChostcomputertoreceivetheradar’sdata.（4）thesystemistestedintheactualfield,andthefinaltestresultsareanalyzed武汉理工大学硕士学位论文IVtoverifythefeasibilityandeffectivenessoftheradarsystem.Throughtheexperimentaltest,thescanningrangeoftheradaris48mm~6311mm,theaveragedistanceerroris2.8mm,themaximumerroris11mm,theangularresolutionis1degrees,themaximumspeedis1.98r/s,andthemanualspeedcontrolfunctioncanberealizedatthesametime.Itmeetsthebasicneedsofindoorapplications.Keywords:lasertechnology,lidar,lasertriangulation,linearCCD,systemcalibration武汉理工大学硕士学位论文V目录第1章绪论..................................................................................................................11.1课题来源..........................................................................................................11.2研究背景和意义................................................................................................11.3国内外研究概况..............................................................................................31.3.1国外激光雷达研究现状.......................................................................31.3.2国内激光雷达研究现状.......................................................................51.3.3三角测距技术的发展...........................................................................61.4主要研究内容..................................................................................................7第2章雷达系统结构设计..........................................................................................82.1整体结构设计.................................................................................................82.2测距方案的选择.............................................................................................92.2.1激光三