激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法及系统与流程

本发明涉及激光雷达的技术领域，更为具体的说，涉及一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法及系统。

背景技术：

近几十年来，激光雷达越来越广泛的用于大气参数和大气成分的探测。为了获得远场很弱的回波信号，在激光大气探测中，通常采取增加激光发射功率和增加接收望远镜面积的方法。而这两种手段给激光雷达带来的问题是，近场回波信号很强，激光雷达系统探测的动态范围不够，很难进行探测。目前，在激光雷达系统中广泛使用的是通过光电倍增管的电子门控信号来抑制近场强回波信号，门控的主要作用是外加TTL电平，使得光电倍增管的高压信号不加到倍增管光电阴极和各放大级，从而光电效应轰击产生的电子没有得以放大形成流通输出到倍增管阳极。这种方法一定程度抑制了近场强回波信号产生的光电子的影响。但是此方法存在的主要缺陷是近场强回波信号仍然辐射在光电倍增管的光电阴极上，没有根本上阻止近场强回波信号到达阴极材料，光电阴极光电材料的眩晕效应影响其实仍然存在。眩晕效应对于回波信号的影响距离很难在数值上进行估计，近场信号越强，其影响距离越长。因此，为了解决激光雷达近场强回波信号的根本抑制问题，通常利用高速旋转的机械斩光盘片来按一定时序关系阻挡近场强回波信号。

我们在自主研制的臭氧激光雷达系统中使用激光雷达多通道接收光路高速斩光装置过程中，发现长时间内，由于多种环境因素和电机控制电压的抖动，斩光盘的输出频率存在较大抖动，普通PID(比例-积分-微分)控制器的控制精度较大但是针对动态和稳态多种运行情况精度还不够高。而较大的频率抖动会导致激光雷达的回波信号过渡区间高度(指信号开始打开到完全打开)的前移或后推，这直接引起回波信号的有效起始高度的较大变化，为减少频率抖动对激光雷达回波信号的影响，对斩光盘的输出频率进行稳定尤为必要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法及系统，以克服多种环境因素和控制电压抖动引起的后继光路斩光盘输出频率的较大抖动，从而保证激光雷达回波信号起始高度的稳定性。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法，包括：

根据预先设定的参考频率和斩光盘输出的当前实际频率计算偏差和偏差变化率，通过自适应模糊PID控制算法确定控制电压值；

根据所述控制电压值对电机驱动器上电，以使所述电机驱动器输出高扭矩高转速驱动电机旋转所需的相序电压，及监测所述高扭矩高转速驱动电机中霍尔传感器返回的速度控制信号、方向控制信号和制动控制信号，形成第一层闭环控制，其中，所述高扭矩高转速驱动电机旋转带动所述斩光盘旋转；

输出表征所述斩光盘的转动速度的脉冲频率信号；

获取所述脉冲频率信号以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。

可选的，通过自适应模糊PID控制算法确定控制电压值包括：

对所述偏差和所述偏差变化率进行模糊量化处理；

根据模糊量化处理结果确定多个控制规则，并进行模糊推理和决策得到模糊输出量；

对模糊输出量进行解模糊处理，得到所述自适应模糊PID控制算法的三种增益系数；

根据所述自适应模糊PID控制算法的三种增益系数、所述参考频率和所述当前实际频率计算所述控制电压值。

可选的，所述自适应模糊PID控制算法采用三角形隶属度函数。

可选的，所述进行模糊推理和决策得到模糊输出量包括：

采用Mamdani推理算法进行模糊推理和决策得到模糊输出量。

可选的，所述对模糊输出量进行解模糊处理包括：

采用重心法对模糊输出量进行解模糊处理。

可选的，所述获取所述脉冲频率信号以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制包括：

根据所述脉冲频率信号生成多路同步脉冲信号，其中一路同步脉冲信号作为所述激光雷达所需的主同步时钟信号，所述主同步时钟信号分频后同步所述激光雷达中其他部件，且剩余的同步脉冲信号中一路同步脉冲信号被表征为数字量输出作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。

可选的，所述当前实际频率为经过卡尔曼滤波后的频率信号。

相应的，本发明还提供了一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制系统，包括：

控制计算机，所述控制计算机用于根据预先设定的参考频率和斩光盘输出的当前实际频率计算偏差和偏差变化率，通过自适应模糊PID控制算法确定控制电压值；

可编程稳压电源，所述可编程稳压电源用于根据所述控制电压值输出相应电压对电机驱动器上电，以使所述电机驱动器输出高扭矩高转速驱动电机旋转所需的相序电压，及监测所述高扭矩高转速驱动电机中霍尔传感器返回的速度控制信号、方向控制信号和制动控制信号，形成第一层闭环控制，其中，所述高扭矩高转速驱动电机旋转带动所述斩光盘旋转；

频率输出器，所述频率输出器用于输出表征所述斩光盘的转动速度的脉冲频率信号；

以及，脉冲处理器，所述脉冲处理器用于获取所述脉冲频率信号以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。

可选的，所述控制计算机包括：

偏差比较模块，所述偏差比较模块用于根据预先设定的参考频率和斩光盘输出的当前实际频率计算偏差；

偏差变化计算模块，所述偏差变化计算模块用于根据所述偏差计算所述偏差变化率；

自适应模糊PID控制器，所述自适应模糊PID控制器用于对所述偏差和所述偏差变化率进行模糊量化处理，根据模糊量化处理结果确定多个控制规则，并进行模糊推理和决策得到模糊输出量，对模糊输出量进行解模糊处理，得到所述自适应模糊PID控制算法的三种增益系数；

以及，比例积分微分控制器，所述比例积分微分控制器用于根据所述自适应模糊PID控制算法的三种增益系数、所述参考频率和所述当前实际频率计算所述控制电压值。

可选的，所述脉冲处理器包括数字延迟脉冲发生器和脉冲计数器，

所述数字延迟脉冲发生器根据所述脉冲频率信号生成多路同步脉冲信号，其中一路同步脉冲信号作为所述激光雷达所需的主同步时钟信号，所述主同步时钟信号分频后同步所述激光雷达中其他部件，且剩余的同步脉冲信号中一路同步脉冲信号输出至所述脉冲计数器；

所述脉冲计数器用于将获取的同步脉冲信号表征为数字量输出至所述控制计算机，以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。

相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：

MP1730543

本发明提供了一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法及系统，包括：根据预先设定的参考频率和斩光盘输出的当前实际频率计算偏差和偏差变化率，通过自适应模糊PID控制算法确定控制电压值；根据所述控制电压值对电机驱动器上电，以使所述电机驱动器输出高扭矩高转速驱动电机旋转所需的相序电压，及监测所述高扭矩高转速驱动电机中霍尔传感器返回的速度控制信号、方向控制信号和制动控制信号，形成第一层闭环控制，其中，所述高扭矩高转速驱动电机旋转带动所述斩光盘旋转；输出表征所述斩光盘的转动速度的脉冲频率信号；获取所述脉冲频率信号以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。

由上述内容可知，本发明提供的技术方案，采用自适应模糊PID控制算法进行控制电压值的输出控制，有效降低后继光路斩光盘的时滞特性，兼具动态调节的快速性和稳态调节的稳定性，同时通过第二层闭环控制对驱动电机转速进行控制，补偿驱动电机自带的第一层闭环控制下的转速不稳定，进而克服多种环境因素和控制电压抖动引起的后继光路斩光盘输出频率的较大抖动，从而保证激光雷达回波信号起始高度的稳定性；此外，采用频率输出器直接准确快速的输出后继光路斩光盘的转速频率，相比于驱动电机中霍尔传感器输出的转速电压信号更加准确可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法的流程图；

MP1730543

图2为本申请实施例提供的一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制系统的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种自适应模糊PID控制器的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种激光雷达实际回波信号斩光高度变化图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术所述，我们在自主研制的臭氧激光雷达系统中使用激光雷达多通道接收光路高速斩光装置过程中，发现长时间内，由于多种环境因素和电机控制电压的抖动，斩光盘的输出频率存在较大抖动，普通PID(比例-积分-微分)控制器的控制精度较大但是针对动态和稳态多种运行情况精度还不够高。而较大的频率抖动会导致激光雷达的回波信号过渡区间高度(指信号开始打开到完全打开)的前移或后推，这直接引起回波信号的有效起始高度的较大变化，为减少频率抖动对激光雷达回波信号的影响，对斩光盘的输出频率进行稳定尤为必要。

基于此，本申请实施例提供了一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法及系统，以克服多种环境因素和控制电压抖动引起的后继光路斩光盘输出频率的较大抖动，从而保证激光雷达回波信号起始高度的稳定性。为实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图5对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。

参考图1所示，为本申请实施例提供的一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法的流程图，其中，自适应控制方法包括：

S1、根据预先设定的参考频率和斩光盘输出的当前实际频率计算偏差和偏差变化率，通过自适应模糊PID控制算法确定控制电压值；

S2、根据所述控制电压值对电机驱动器上电，以使所述电机驱动器输出高扭矩高转速驱动电机旋转所需的相序电压，及监测所述高扭矩高转速驱动电机中霍尔传感器返回的速度控制信号、方向控制信号和制动控制信号，形成第一层闭环控制，其中，所述高扭矩高转速驱动电机旋转带动所述斩光盘旋转；

S3、输出表征所述斩光盘的转动速度的脉冲频率信号；

S4、获取所述脉冲频率信号以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。

由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，采用自适应模糊PID控制算法进行控制电压值的输出控制，有效降低后继光路斩光盘的时滞特性，兼具动态调节的快速性和稳态调节的稳定性，同时通过第二层闭环控制对驱动电机转速进行控制，补偿驱动电机自带的第一层闭环控制下的转速不稳定，进而克服多种环境因素和控制电压抖动引起的后继光路斩光盘输出频率的较大抖动，从而保证激光雷达回波信号起始高度的稳定性；此外，采用频率输出器直接准确快速的输出后继光路斩光盘的转速频率，相比于驱动电机中霍尔传感器输出的转速电压信号更加准确可靠。

在本申请一实施例中，本申请提供的通过自适应模糊PID控制算法确定控制电压值包括：

对所述偏差和所述偏差变化率进行模糊量化处理；

根据模糊量化处理结果确定多个控制规则，并进行模糊推理和决策得到模糊输出量；

对模糊输出量进行解模糊处理，得到所述自适应模糊PID控制算法的三种增益系数；

根据所述自适应模糊PID控制算法的三种增益系数、所述参考频率和所述当前实际频率计算所述控制电压值。

在本申请一实施例中，本申请提供的所述自适应模糊PID控制算法采用三角形隶属度函数。

在本申请一实施例中，本申请提供的所述进行模糊推理和决策得到模糊输出量包括：

采用Mamdani推理算法进行模糊推理和决策得到模糊输出量。

在本申请一实施例中，本申请提供的所述对模糊输出量进行解模糊处理包括：

采用重心法对模糊输出量进行解模糊处理。

以及，在本申请一实施例中，本申请提供的所述获取所述脉冲频率信号以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制包括：

根据所述脉冲频率信号生成多路同步脉冲信号，其中一路同步脉冲信号作为所述激光雷达所需的主同步时钟信号，所述主同步时钟信号分频后同步所述激光雷达中其他部件，且剩余的同步脉冲信号中一路同步脉冲信号被表征为数字量输出作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。

进一步的，本申请提供的所述当前实际频率为经过卡尔曼滤波后的频率信号。

相应的，本申请实施例还提供了一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制系统，参考图2所示，为本申请实施例提供的一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制系统的结构示意图，其中，自适应控制系统包括：

控制计算机100，所述控制计算机100用于根据预先设定的参考频率和斩光盘输出的当前实际频率计算偏差和偏差变化率，通过自适应模糊PID控制算法确定控制电压值；

可编程稳压电源200，所述可编程稳压电源200用于根据所述控制电压值输出相应电压对电机驱动器300上电，以使所述电机驱动器300输出高扭矩高转速驱动电机400旋转所需的相序电压，及监测所述高扭矩高转速驱动电机400中霍尔传感器返回的速度控制信号、方向控制信号和制动控制信号，形成第一层闭环控制，其中，所述高扭矩高转速驱动电机400旋转带动所述斩光盘500旋转；

频率输出器600，所述频率输出器600用于输出表征所述斩光盘500的转动速度的脉冲频率信号；

以及，脉冲处理器700，所述脉冲处理器700用于获取所述脉冲频率信号以作为所述斩光盘500输出的实际频率，形成第二次闭环控制。

由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，采用自适应模糊PID控制算法进行控制电压值的输出控制，有效降低后继光路斩光盘的时滞特性，兼具动态调节的快速性和稳态调节的稳定性，同时通过第二层闭环控制对驱动电机转速进行控制，补偿驱动电机自带的第一层闭环控制下的转速不稳定，进而克服多种环境因素和控制电压抖动引起的后继光路斩光盘输出频率的较大抖动，从而保证激光雷达回波信号起始高度的稳定性；此外，采用频率输出器直接准确快速的输出后继光路斩光盘的转速频率，相比于驱动电机中霍尔传感器输出的转速电压信号更加准确可靠。

参考图3所示，为本申请实施例提供的另一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制系统的结构示意图，其中，本申请实施例提供的所述控制计算机100包括：

偏差比较模块110，所述偏差比较模块110用于根据预先设定的参考频率和斩光盘输出的当前实际频率计算偏差；

偏差变化计算模块120，所述偏差变化计算模块120用于根据所述偏差计算所述偏差变化率；

自适应模糊PID控制器130，所述自适应模糊PID控制器130用于对所述偏差和所述偏差变化率进行模糊量化处理，根据模糊量化处理结果确定多个控制规则，并进行模糊推理和决策得到模糊输出量，对模糊输出量进行解模糊处理，得到所述自适应模糊PID控制算法的三种增益系数；

以及，比例积分微分控制器140，所述比例积分微分控制器140用于根据所述自适应模糊PID控制算法的三种增益系数、所述参考频率和所述当前实际频率计算所述控制电压值。

在本申请一实施例中，本申请实施例提供的控制计算机安装有自行编写的带有自适应控制算法的控制软件，控制软件根据预先设定的参考频率和当前实际频率，计算得到稳定频率所需的控制电压值，进而输出给供电结构以对斩光盘系统的电机驱动器进行上电而改变其连接的驱动电极的转速，进而改变斩光盘的转速。其中，控制计算机主要完成以下工作：

预先设定参考频率，获取斩光盘输出的当前实际频率；对参考频率和当前实际频率之间的大小进行比较，并判断二者的偏差大小，同时，比较此次偏差对上次偏差的比率，并判断偏差的变化方向得到偏差变化率；而后自适应模糊PID控制器通过自适应模糊PID控制算法自适应改变比例、积分和微分系数，即自适应模糊PID控制器根据此次偏差的大小和偏差的变化方向，确定若干个控制规则，并根据不同控制规则叠加不同的增益，分别调整自适应模糊PID控制算法的三种增益系数；最后根据自适应模糊PID控制算法的三种增益系数和偏差计算出相应的控制电压值，而后将该控制电压值输出至可编程稳压电源，使可编程稳压电源输出相应直流电压对电机驱动器进行上电(此外，在直流电压对电机驱动器进行上电而控制驱动电机同时，还有控制扰动量对驱动电机转速造成影响，即外界环境干扰因素对驱动电机造成影响)，进而控制激光雷达后继光路斩光盘输出频率，此过程不断进行，达到长时间稳定后继光路斩光盘输出频率的效果。

进一步的，本申请实施例提供的控制计算机还用于显示设定的参考频率、实际频率和其工作过程中进行的判断和计算结果。以及，控制计算机还用于存储参考频率、实际频率和其工作过程中进行的判断和计算结果，以便在工作结束时进行保存和显示，及对工作过程的每一环节的中间结果进行保存和回放显示。

参考图4所示，为本申请实施例提供的一种自适应模糊PID控制器的结构示意图，其中，本申请实施例提供的自适应模糊PID控制器130包括输入变量的模糊化单元131、模糊推理单元132、模糊规则库133和解模糊单元134；所述模糊化单元131的输入信号为偏差及偏差变化率，模糊化单元131的输出端与模糊推理单元132的输入端连接，模糊推理单元132的输出端与解模糊单元134的输入端连接，所述解模糊单元134的输入端还输入有被控制量的偏差和被控制量的偏差变化率。在本申请一实施例中，本申请提供的自适应模糊PID控制器采用的是三角形隶属度函数。

本申请实施例提供的模糊推理单元132可以采用Mamdani推理算法，如表1所示的本申请实施例提供的一Kp(比例系数)模糊控制规则表，E和EC分别为偏差和偏差变化率进行模糊量化处理后的模糊量，可以看出，该推理算法采用的控制规则形式为：

如果NB且NS，那么PM

如果NM且NM，那么PB

……

如果PB且PM，那么NB

其中，NB、NS和PB等是不同论域上的模糊集合。

表1

以及，本申请实施例提供的解模糊单元134可以采用重心法，其公式如下：

式中u(xi)是模糊推理单元的模糊输出量，n为总控制规则的数，xi是控制规则数i对应的值，U是模糊控制最终输出值。最终，解模糊单元输出PID算法的三种增益系数。

最后，比例积分微分控制器140根据自适应模糊PID控制算法的三种增益系数(比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd)、参考频率r(t)和当前实际频率y(t)计算所述控制电压值u(t)，如下公式：

其中，e(t)＝r(t)-y(t)，Ti为积分时间常数、且Ki＝Kp/Ti，Td为微分时间常数、且Kd＝Kp*Td。

激光雷达后继光路斩光盘系统有其自身特性，输出频率自适应控制方法控制系统参数的调整需结合控制对象特性进行，上述公式中所述的所有参数都可以针对系统的变化通过控制软件人为设定，系统的具体参数都可在计算机屏幕上显示和更改，操作人员可以方便操作改变系统的数据。

基于本发明实施例的上述方案进行了实验，该实验中记录了上述装置激光雷达数据采集四个小时激光雷达斩光高度的结果，如图5所示，图5为本申请实施例提供的一种激光雷达实际回波信号斩光高度变化图，从图中可以看出，斩光高度基本稳定在约184.32m范围内，对应频率变化稳定在约±0.0246Hz范围内。

在本申请一实施例中，本申请提供的频率输出器可以为由发光二极管、光电管组成的光电转换触发输出电路，高扭矩高转速驱动电机驱动斩光盘按照一定的速度旋转，斩光盘上带有多个槽口，槽口切割激光雷达中接收望远镜的回波信号和切割光电转换触发输出电路，槽口切割光电转换触发输出电路输出代表斩光盘转动速度的脉冲频率信号。

在本申请一实施例中，参考图3所示，本申请实施例提供的所述脉冲处理器700包括数字延迟脉冲发生器710和脉冲计数器720，

所述数字延迟脉冲发生器710根据所述脉冲频率信号生成多路同步脉冲信号，其中一路同步脉冲信号作为所述激光雷达所需的主同步时钟信号，所述主同步时钟信号分频后同步所述激光雷达中其他部件，且剩余的同步脉冲信号中一路同步脉冲信号输出至所述脉冲计数器；

所述脉冲计数器720用于将获取的同步脉冲信号表征为数字量输出至所述控制计算机100，以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。

以及，参考图3所示，本申请实施例提供的激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制系统还包括有一卡尔曼滤波器800，卡尔曼滤波器800对脉冲计数器输出的频率进行滤除测量噪声和系统噪声后输出滤波后的频率。其中，卡尔曼滤波对于每个时刻的控制系统误差和测量误差，只要对它们的统计性质作某些适当的假定，通过对含有噪声的观测信号进行处理，就能在平均的意义上，求得误差为最小的真实信号的估计值。

本申请实施例提供了一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法及系统，包括：根据预先设定的参考频率和斩光盘输出的当前实际频率计算偏差和偏差变化率，通过自适应模糊PID控制算法确定控制电压值；根据所述控制电压值对电机驱动器上电，以使所述电机驱动器输出高扭矩高转速驱动电机旋转所需的相序电压，及监测所述高扭矩高转速驱动电机中霍尔传感器返回的速度控制信号、方向控制信号和制动控制信号，形成第一层闭环控制，其中，所述高扭矩高转速驱动电机旋转带动所述斩光盘旋转；输出表征所述斩光盘的转动速度的脉冲频率信号；获取所述脉冲频率信号以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。

由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，采用自适应模糊PID控制算法进行控制电压值的输出控制，有效降低后继光路斩光盘的时滞特性，兼具动态调节的快速性和稳态调节的稳定性，同时通过第二层闭环控制对驱动电机转速进行控制，补偿驱动电机自带的第一层闭环控制下的转速不稳定，进而克服多种环境因素和控制电压抖动引起的后继光路斩光盘输出频率的较大抖动，从而保证激光雷达回波信号起始高度的稳定性；此外，采用频率输出器直接准确快速的输出后继光路斩光盘的转速频率，相比于驱动电机中霍尔传感器输出的转速电压信号更加准确可靠。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。