一种激光雷达测距系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机器人自动化领域。涉及一种基于自触发原理的高精度激光测距系统
【背景技术】
[0002]移动式机器人在未知环境下(如自主导航、地质探测、行星表面巡视等)需要实时快速获取与前方目标障碍距离，以便进行路径规划、任务规划以及机械臂展开规划等操作。因此良好的视觉系统是保证以上工作的重要前提。激光具有速度快，相干性好，精度高，实时性好等优点，因此激光测距技术成为视觉系统中应用最为广泛的技术之一。
[0003]目前应用的激光测距系统按照原理可划分为脉冲式、相位式和干涉式。脉冲式通过计量测量激光脉冲的往返时间间隔来计算距离，适用于测量远距离的任意目标，但测距精度较低；相位式通过激光光波在传递过程中发生的相位变化来间接推知测量距离，测距精度高，但只适用短距离且对合作目标而非任意目标进行测量；干涉式仅适用于测量薄膜厚度。据此可知任意未知环境下测距只可使用脉冲式激光测距系统，因此核心便在于提高测量精度。201110221805.5号专利提出了一种基于皮秒脉冲的高精度激光脉冲装置，依靠皮秒脉冲可使测量数十公里距离的误差为1_，但由于皮秒脉冲激光器结构复杂，调试操作难度较高，体积较大，不适合于空间有限的移动式机器人中以及未知恶劣环境中。而若使测距精达到毫米级，使用基于普通激光发射模块的现有产品不仅结构复杂，体积庞大，可移动性差，且造价成本高昂。因此本发明在脉冲测距的基础上提出基于自触发原理的测改进距方案，计时精度由几十微秒、几百皮秒提高至最高达22皮秒，测量精度可达6.6毫米，且使用小型集成模块，便于安装操作和移动，成本大幅降低。
【发明内容】
[0004]针对现有的普通一次测量式脉冲激光测距系统存在的测量时间精度低、测距分辨率低等缺陷，本发明提出了一种新型的基于自触发原理的激光雷达测距系统，即在系统内部通过反射光接收模块自主触发激光发射模块形成多次循环测量，多次测量可将待测距离扩大一定倍数，延长测量时间，并且测量一次性完成，能够显著提高测量精度。
[0005]一种新型激光雷达测距系统，由上位机和下位机组成，上位机为PC机I，PC机I上运行有测距控制平台，带有可视化界面，PC机I的显示器12用于显示系统状态及测量结果，上位机通过串口总线与下位机通信。下位机包括激光发射模块、激光接收模块、计时模块、逻辑模块和控制模块。
[0006]激光发射模块采用PIN激光发射器3，PIN激光发射器3发射测量激光脉冲，PIN激光发射器3的脉冲输入端使用“或”逻辑门驱动，一路用于开始测量信号输入、另一路用于自触发测量信号输入，PIN激光发射器3有一逻辑输出端、在发射激光脉冲时同步给出一时间信号电平；激光接收模块采用AH)激光接收器7，集成有放大、滤波、电源、温度补偿等环节，当收到PIN激光发射器3的激光脉冲反射光时输出逻辑正电平。PIN激光发射器3的激光发射峰值功率波长恰位于APD激光接收器7的峰值响应功率波长附近，且都大于800nm，这样既可保证免受可见光干扰，又能使接收器能可靠接收响应反射光脉冲信号。
[0007]计时模块包括时刻鉴别器19、时刻鉴别器IIlO和高精度计时器11，时刻鉴别器19与IIlO分别用于对测量开始信号和终止信号的时刻进行识别，高精度计时器11用于两者的时间间隔测量，计时器带有手动配置式寄存器，用于设定测量范围以及时间精度；
[0008]逻辑模块包括计时开始锁定器6和逻辑判断计数器8，计时开始锁定器6为单输入单输出，输入端与PIN激光发射器3的时间信号电平端相连，用于捕捉并锁定计时开始信号，其输出端连接时刻鉴别器19的输入端，锁定器一旦输出开始信号，便一直保持输出且不再响应后续的信号输入，防止多次触发计时器的开始信号输入造成计时错误；逻辑判断计数器8为单输入双输出、用于自触发的计数和判断，首先输入端获得APD激光接收器7给出的反射光电信号，进行计数判断，当计数达预设值时第一输出端将向时刻鉴别器IIlO给出脉冲作为测量停止信号，否则第一输出端无信号输出，而第二输出端通过PIN激光发射器3脉冲输入端前的“或”逻辑门给出测量脉冲信号开始下一次测量操作，从PIN激光发射器3上一次的发射测量脉冲到下一次发射测量脉冲时间周期即为一个自触发周期。
[0009]控制模块采用单片机控制器2，其主要功能用于与PC机I进行指令接收和测量结果上传，以及与计时模块进行通信用于手动配置、读取结果等。
[0010]与已有技术相比，本发明具有以下优点:
[0011 ] (I)采用小型脉冲式激光发射模块，体积小巧，质量轻便，便于安装，发射模块峰值发射波长和接收模块峰值响应波长接近且都远离可见光波段，减少了环境光干扰，接收性能可靠。
[0012](2)直接使用激光发射模块的同步时间信号输出端作为计时开始信号输入，这样便省去了分光镜、分光放大电路的设计，大大简化了系统结构，且避免了分光放大电路的环境干扰、非线性等因素对测量结果带来的影响。
[0013](3)通过自触发原理提高测距精度，自触发可以延长测量时间、将待测距离扩大一定倍数，避免在测量近距离时由于测量时间太短导致分辨率低于系统最低分辨率造成测距失败，且测量一次完成，避免了多次开启系统重复测量带来的耗时过长以及消耗存储空间存储测量数据。一般自触发使用FPGA等可编程器件，但是可编程器件线性度较差，会导致误差对测量结果的影响难以把握，从而无法对结果进行定性分析及误差补偿，而本系统使用常用器件搭建自触发电路，保证了线性度，使得测量结果稳定。
[0014](4)使用高精度时间数字计时芯片，并且可通过PC上位机平台控制软件界面以及单片机控制系统手动进行寄存器配置以选择测量范围及测量精度，操作简便灵活，系统适应能力强。结合自触发原理可使测量结果精度可达几十皮秒。
【附图说明】
[0015]图1为本自触发式激光测距系统的全系统框图，图2为激光发射模块的输入驱动电路以及计时开始锁定器6的电路图；
[0016]图3为逻辑判断计数器8的电路连线图；
[0017]图4为第一次测量时的开始信号锁定操作流程图；
[0018]图5为自触发过程的流程图，此过程包括逻辑判断计数器的判断和自触发计数操作；
[0019]图6为本系统的一次完整测量过程的流程图，测量过程为从打开串口连接系统到读取处理结果；
[0020]图7为单片机控制器根据收到的不同操作标志字执行不同操作的选择分支流程图。
[0021]图中:I一PC机，2—单片机控制器，3 — PIN激光发生器，4一被测目标，5—发射接收端的透镜，6—计时开始锁定器，7—AH)激光接收器，8—逻辑判断计数器，9一时刻鉴别器I，10—时刻鉴别器II，11 一高精度计时器，12—显示器；301—PIN激光发射主体；302—“或”逻辑门a ;601 — “或”逻辑门b ;602— “或”逻辑门C。
【具体实施方式】
[0022]以下结合实例与附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0023]图1示出了本发明自触发式激光测距系统的全系统框图。PC机I与显示器12组成上位机系统；单片机控制器2与PC机I使用串口进行通信，单片机控制器2的I/O接口连接高精度计时器11，用于进行通信测试、寄存器配置及结果读取等操作；PIN激光发射器3的输入使用二输入“或”逻辑门驱动，逻辑门一输入端连接单片机控制器2，用于发射第一次测量脉冲，另一端连接逻辑判断计数器8，用于自触发循环测量；PIN激光发射器3的时间电平输出端连接计时开始锁定器6，再输出给时刻鉴别器19，最后再连接高精度计时器11，用作计时开始端；PIN激光发射器3透过一透镜5向被测目标4发射测量激光束，APD激光接收器7透过另一透镜5接收反射光束，两透镜5的作用用于扩大视野;APD激光接收器7的输出端连接逻辑判断计数器8，逻辑判断计数器8带有两路输出，一路通向PIN激光发射器3，另一路通向时刻鉴别器1110，同样连接高精度计时器11，用作计时停止端；系统计时芯片包括时刻鉴别器19、时刻鉴别器IIlO和高精度计时器11 ;该系统计时芯片内有手动配置式寄存器，用于选择测量范围和时间精度；系统计时芯片采用德国ACAM公司所产高速高精度时间数字测量芯片TDC-GP21。
[0024]图2示出了激光发射模块的输入驱动电路以及计时开始锁定器6的电路图，PIN激光发射器3的PIN激光发射主体301使用日本滨松光电(HAMAMATSU)所产的集成式脉冲激光二极管发射模块C6582，PIN激光发射器3的“或”逻辑门a302为输入驱动电路；“或”逻辑门a302的一端连接单片机控制器2，该输入端仅第一次测量时使用，一端连接逻辑判断计数器8，用于自触发输入。
[0025]“或”逻辑门b601和“或”逻辑门c602通过输出反馈线交叉互连形成基本RS触发器，“或”逻辑门c602 —输入端连接PIN激光发射器3的同步时间信号输出端，一旦收到电平信号，RS触发器翻转，使得“或”逻辑门a601固定输出高电平给时刻鉴别器19作为计时开始信号，此后便不再翻转，这样便保证了计时开始信号不会被多次触发造成计时错误；“或”逻辑门a302、“或”逻辑门b601、“或”逻辑门c602均为“或”逻辑门74LS32 ;
[0026]图3示出了逻辑判断计数器8的电路连线图，APD激光接收器7使用日本滨松光电(HAMAMATSU)所产的集成式APD雪崩二极管模块C10508，带有放大、滤波、高电压源、温度补偿、增益调节及PC机COM通信等单元。逻辑判断计数器8采用同步十进制计数器74LS160，ENT,ENP端以及LD置数端和MR清零端全部接高电平，使得计数有效，从O开始，