旋转式单线激光雷达扫描控制与应用研究

【摘要】：旋转式单线激光雷达是激光技术、雷达技术和光机电一体化等技术的综合体现,可以精准对被测目标的角度和距离值进行测量。为了提高激光雷达的运行稳定性和测量精度,本文以激光雷达扫描控制系统为研究对象,对其控制策略进行了深入研究。利用无源性控制理论设计了相应的控制器,并对其参数进行了优化。其次,设计了激光雷达扫描控制系统的硬件电路及程序。最后提出了一种使用旋转式单线激光雷达进行空间动态角度测量的方法。主要研究内容如下:首先,分析了激光雷达扫描控制算法和空间角度测量方法的国内外研究现状,并结合本文激光雷达扫描控制系统的控制需求,提出了扫描控制系统的总体设计方案。建立了基于端口受控耗散哈密顿系统(Port-controlled Hamiltonian System with Dissipation,PCHD)的驱动电机数学模型。其次,为了保证激光雷达的扫描控制系统稳定运行,得到扫描周期内均匀分布的点云信息,同时具有更强的抗干扰特性,需要设计出合理的控制器。传统控制策略存在抗干扰能力差,控制效果不佳等问题,无源性控制理论是从能量的角度出发对被控系统进行控制的一种理论。本文对无源性控制理论进行了详细的介绍,分析了采用无源性控制策略的优势,并基于激光雷达驱动电机的PCHD模型设计了扫描控制系统的无源性控制策略。由于激光雷达扫描控制系统是一个非线性时变系统,控制器参数难以确定。手动进行参数调整,控制效果不理想。为了避免人工调参带来的遗漏最优参数问题,同时提高控制器的控制效果,采用粒子群算法和鸡群算法分别对无源性控制器参数进行优化。并分别对采用无源性控制器和PID控制器的扫描控制系统进行了仿真。仿真结果表明,基于无源性控制理论的控制器抗干扰能力较强,达到了更高的稳定精度。根据仿真结果和控制器复杂度,设计了激光雷达扫描控制系统电路和旋转部分及固定部分的控制程序。最后,针对大空间动态角度测量的高成本、难测量等问题,将旋转式单线激光雷达应用在空间动态角度测量上,首先根据激光雷达获取实时方位和俯仰数据信息,通过合作目标、激光雷达、被测对象之间的关系建立基于李代数的空间坐标系,推导了空间动态角度测量的数学模型。分析了系统误差的影响因素。最后,搭建了模拟实验平台并分析实验结果。实验结果表明,将旋转式单线激光雷达应用于空间角度测量,具有成本低、易于操作的优点,并且测量精度能够达到0.081°。