一种基于FPGA的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路的制作方法

本发明涉及到激光雷达领域，尤其是一种基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路。

背景技术：

激光雷达是一种将传统雷达技术与先进激光技术相结合的主动遥感技术，通过测量激光脉冲往返于目标与激光雷达平台之间的时间，基于距离与光速和时间的关系得到激光雷达平台与目标之间的距离，配合扫描装置的三维扫描，或者扫描装置二维扫描结合激光雷达平台运动，激光雷达可以完成对目标表面的三维扫描测距。基于激光雷达成像方程，利用激光雷达平台与目标被扫描点的距离数据，激光脉冲的扫描角度数据，激光雷达平台位置与姿态数据，实现目标表面各扫描点三维坐标解算。基于解算得到的三维坐标，采用先进的滤波与分类方法可以得到目标的数字表面模型和数字高程模型，最后实现目标三维成像与测量。三维扫描激光雷达是指扫描装置可以实现三维扫描的激光雷达系统。从上述激光雷达的测量原理可以看出，激光脉冲的扫描角度是激光雷达数据处理中关键数据，因此如何高精度测量每一束被发射激光脉冲的扫描角是激光系统设计中的关键问题。同时，由于高重复频率三维扫描激光雷达系统中脉冲发射频率很高，而现有的可直接用于角度测量的编码器响应频率都比较低，因此如何高精度测量高重复频率三维扫描激光雷达每一个发射激光脉冲扫描角是三维扫描激光雷达系统设计中的难点。

本文针对高重复频率三维扫描激光雷达系统中激光扫描角测量问题，提出了一种基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路，所述基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路包括锁相环模块、2选1开关模块、秒脉冲计数器模块、角度测量模块、时间测量模块和usb接口模块，所述所有模块均在fpga内部完成，以及用于水平方向扫描电机角度测量的绝对值编码器和垂直方向扫描电机零位测量的增量式编码器。

技术实现要素：

本发明公开了一种基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路，其特征在于，所述基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路利用增量式编码器测量垂直方向扫描电机零位，低响应频率绝对值编码器测量水平方向扫描电机的扫描角度，结合基于fpga自主设计的高精度时间测量模块测量发射脉冲信号与垂直方向扫描电机零位信号之间的时间间隔，实现三维扫描激光雷达中高重复频率激光脉冲垂直方向扫描角度与水平方向扫描角度的测量，利用秒脉冲信号和自主设计的usb接口模块对测量到的角度数据和时间数据经usb接口有序上传到上位机，另外借助于自主设计的usb接口模块，实现扫描角度数据与外部测距模块距离数据之间的对准，所述基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路包括锁相环模块、2选1开关模块、角度测量模块、时间测量模块、秒脉冲计数器模块和usb接口模块，所有所述模块均在一片fpga内部完成，所述锁相环模块分别产生频率为1赫兹的秒脉冲、用于各模块输入信号上升沿检测的50兆赫兹检测时钟和用于时间测量模块计时的500兆赫兹计时时钟，所述2选1开关模块用于选择输入到秒脉冲计数器模块的秒脉冲信号是由外部gps产生还是由锁相环产生，所述秒脉冲计数器对输入的秒脉冲信号个数进行测量，并控制usb接口模块中的数据进行有序上传，所述角度测量模块在垂直方向扫描电机零位信号控制下读取水平方向扫描电机角度数据，得到垂直方向扫描电机零位对应的水平方向扫描角度θ，所述时间测量模块测量每一个发射脉冲信号与前一个垂直方向扫描电机零位信号之间的时间间隔tv-p，利用所测时间间隔和垂直方向扫描电机转速可以得到每一个发射激光脉冲所对应的垂直方向扫描角度α

α＝tv-p×sv(1)

同时结合电机零位对应的水平方向扫描角度θ和每一个发射脉冲信号与前一个垂直方向扫描电机零位信号之间的时间间隔tv-p，以及水平方向扫描电机的转速sh，可以得到每一个发射激光脉冲所对应的水平方向扫描角度β

β＝θ+tv-p×sh(2)

从而得到每一个发射激光脉冲对应的水平方向扫描角度和垂直方向扫描角度；

根据权利要求1所述的一种基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路，其特征在于，所述基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路采用usb接口模块实现上位机对秒脉冲计数器模块的使能控制，秒脉冲计数器模块实现角度测量模块和时间测量模块的使能控制，角度测量模块实现外部测距模块的使能控制，采用一级一级的使能控制方式，实现垂直方向扫描电机零位对应水平方向扫描角度的测量，以及每一个发射脉冲信号与上一个垂直方向扫描电机零位信号与之间时间间隔的测量，另外还可以实现外部测距模块距离数据、水平方向扫描角度数据和时间间隔数据的对准，当usb接口模块接收到来自上位机的开始工作标志位，usb接口模块控制端向秒脉冲计数器模块发出使能信号，当秒脉冲计数器模块接收到来自usb接口模块的使能信号后，秒脉冲计数器模块利用检测时钟检测输入秒脉冲的上升沿，当检测到第一个秒脉冲上升沿时，秒脉冲计数模块控制端口输出使能信号使能角度测量模块和时间测量模块开始工作，同时秒脉冲计数模块开始利用检测时钟对后续输入的秒脉冲上升沿进行检测，对检测到的秒脉冲上升沿进行累加计数，角度测量模块接收到秒脉冲计数器模块的使能信号后，利用检测时钟检测垂直方向扫描电机零位信号的上升沿，当角度测量模块检测到第一个垂直方向扫描电机零位信号上升沿时，角度测量模块控制端口输出使能信号使能外部测距模块开始工作，同时角度测量模块读取水平方向扫描电机角度数据作为三维扫描激光雷达开始工作时的水平方向扫描角度，并利用检测时钟检测后续每一个垂直方向扫描电机零位信号上升沿，检测到垂直方向扫描电机零位信号上升沿时读取水平方向扫描电机角度数据，所读取的角度数据就是垂直扫描电机零位所对应的水平方向扫描角度θ，当时间测量模块接收到来自秒脉冲计数器模块的使能信号后，时间测量模块利用检测时钟检测垂直方向扫描电机零位信号的上升沿，当检测到垂直方向扫描电机零位信号上升沿时，时间测量模块开始对计时时钟上升沿计数，当时间测量模块利用检测时钟检测到发射脉冲信号的上升沿时，时间测量模块将当前计时时钟上升沿个数数据放到时间测量模块的数据总线等待usb接口模块读取，当前计时时钟上升沿个数是垂直方向扫描电机零位信号与此时发射脉冲信号之间的计时时钟个数，所述计时时钟个数乘以计时时钟周期可以得到发射脉冲信号与垂直方向扫描电机零位信号之间的时间间隔tv-p，综上可以看出时间测量模块测量的第一个时间间隔所对应的发射脉冲信号与外部测距模块测量的第一距离数据所对应的发射脉冲信号是同一个信号，因此实现了基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路所测的角度数据与外部测距模块所测的距离数据之间的对准；

根据权利要求1所述的一种基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路，其特征在于，所述usb接口模块实现秒脉冲计数器模块测量的秒脉冲个数、角度测量模块测量的角度数据、时间测量模块测量的时间数据以及外部测距模块测量的距离数据的有序传输，当usb接口模块利用检测时钟检测到秒脉冲上升沿时，usb接口模块读取秒脉冲计数器数据度并经usb接口上传到上位机，接着等待角度测量模块的角度数据有效，角度测量模块中的角度数据有效后，读取角度数据并经usb接口上传到上位机，当时间测量模块检测到发射脉冲信号上升沿时，usb接口模块读取时间测量模块数据总线上的数据，并将其经usb接口上传到上位机，然后等待外部测距模块距离数据有效，当外部测距模块距离数据有效后，usb接口模块读取外部测距模块的距离数据，并将其经usb接口上传到上位机，从而实现秒脉冲计数器测量的数据，角度测量模块测量的数据，时间测量模块测量的数据和外部测距模块测量的距离数据有序上传到上位机。

附图说明

图1是一种基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路简图

图2是一种基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路完整框图

图3是一种基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路工作时序图

具体实施方式

图2为基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路系统完整框图。如图2所示，基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路包括锁相环模块、2选1开关模块、秒脉冲计数器模块、角度测量模块、时间测量模块和usb接口模块，上述所有模块均在一片fpga内部完成，以及用于水平方向扫描电机角度测量的绝对值编码器和垂直方向扫描电机零位测量的增量式编码器组成。其中锁相环模块用于产生其他模块工作所需要的频率为1赫兹的秒脉冲、频率为50兆赫兹的检测时钟和频率为500兆赫兹的计时时钟。2选1开关用于选择秒脉冲计数模块所用秒脉冲信号来自外部gps还是内部锁相环。角度测量模块用于测量每一个垂直方向扫描电机零位对应的水平方向扫描电机扫描角度。时间测量模块用于测量垂直方向扫描电机零位信号与发射脉冲信号之间时间间隔。usb接口模块用于测量电路的使能控制与各模块数据向上位机传输。外部测距模块测量目标与激光雷达之间的距离，不包括在基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路，但是在测量电路工作描述中需要用到所以用虚框表示。

图2为所述基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路工作时序图。如图2所示，三维扫描激光雷达系统开始工作后，借助于上位机软件通过上位机usb接口向基于fpga的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路发送开始工作标志位，usb接口模块等待上位机发送开始工作标志位，当usb接口模块接收到开始工作标志位后，usb接口模块控制端信号由低电平变为高电平，从而使能秒脉冲计数器模块开始工作，秒脉冲计数器模块利用检测时钟检测输入秒脉冲的上升沿，当秒脉冲计数器模块检测到秒脉冲的上升沿，秒脉冲计数器模块控制端输出使能信号分别使能角度测量模块和时间测量模块，角度测量模块利用检测时钟检测垂直方向扫描电机零位信号的上升沿，当角度测量模块检测到第一个扫描电机零位信号的上升沿，角度测量模块控制端输出使能信号分别使能发射脉冲计数器和外部测距模块开始工作，同时角度测量模块读取绝对值编码器角度数据，后续工作中，角度测量模块检测每一个垂直方向扫描电机零位信号的上升沿，检测到垂直方向扫描电机零位信号上升沿后读取绝对值编码器的角度数据，该角度数据就是电机零位对应的出射激光脉冲水平扫描角。时间测量模块被秒脉冲计数器模块控制信号使能后，利用检测时钟检测垂直方向扫描电机零位信号的上升沿，当时间测量模块检测到垂直方向扫描电机零位信号上升沿后，时间测量模块开始对计数时时钟上升沿进行计数，同时时间测量模块利用检测时钟检测每一个发射脉冲信号上升沿，当时间测量模块检测到发射脉冲信号的上升沿时，时间测量模块将计时时钟上升沿个数放到时间测量模块的数据总线上等待usb接口模块读取，从而得到垂直方向扫描电机零位与每一个发射脉冲信号之间的时间，第i个间隔记为

其中，为第i个发射脉冲信号上升沿时刻计时时钟脉冲个数，tc为计时时钟脉冲周期。从而得到第i个发射激光脉冲垂直方向扫描角度αi

其中，sv是垂直方向扫描电机的转速，第i个发射激光脉冲水平方向扫描角度βi

其中，θi为第i个垂直方向扫描电机零位信号上升沿时刻对应的水平方向扫描角度，sh是垂直方向扫描电机的转速。

usb接口模块除了用于接收上位机开始工作标识位和秒脉冲计数器模块使能控制，同时还用于秒脉冲计数器模块测量的秒脉冲个数数据、角度测量模块测量的垂直方向扫描电机零位信号上升沿时刻水平方向扫描电机角度数据、时间测量模块测量的垂直方向扫描电机零位信号上升沿与发射脉冲信号上升沿之间时间间隔数据和外部测距模块测量的距离数据的顺序经usb接口上传到上位机。当usb接口模块检测到秒脉冲信号的上升沿时，usb接口模块读取秒脉冲计数器模块测量的秒脉冲个数数据，并将读取的秒脉冲个数数据经usb接口上传到上位机。当usb接口模块检测到垂直方向扫描电机零位信号上升沿并判断角度测量模块测量数据有效，usb接口模块读取角度测量模块测量的水平方向扫描角度并经usb接口上传到上位机。当usb接口模块检测到发射脉冲信号上升沿，usb接口模块读取时间测量模块数据总线上数据，并将其经usb接口上传到上位机。接下来，usb接口模块等待外部测距模块数据有效，当外部测距模块数据有效后，usb接口模块读取外部测距模块数据并将其经usb接口上传到上位机。综上所述usb接口模块实现各模块数据的有序上传。

以上所述，仅为本发明具体实施方法的基本方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。所有落入权利要求的等同的含义和范围内的变化都将包括在权利要求的范围之内。