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激光测距系统设计与研究

周善勇  
【摘要】:在自动化车库、海关货箱搬运的工程实践中,时常要对相对位置进行检测,并对相关区域进行监控。在监控过程中,为了防止人或者其他异物进入区域,需要对区域进行快速、密集的距离数据采集测量,防止事故的发生。激光测距系统由于其测距速度快、体积小、不易受电磁干扰等特点而被大量应用与自动化立体车库中。因此,设计一种能够快速进行区域位置检测与监控的激光测距系统就显得尤为重要了。 本文详细讨论了一种可以实现高速扫描的激光测距系统。为了满足应用背景要求,在分析了解激光测距各种原理以及其各自的优缺点之后,选取合适的激光测距方法,根据激光测距过程设计了系统总体结构以及利用控制系统完成对系统各个部分的协调控制,最后并对系统各部分分别进行设计。文章首先分析了激光脉冲发射系统对测距精度的影响因素和对发射模块的要求后,系统采用专用集成MOSFET和电容的激光二极管和专用的驱动芯片产生高质量的激光脉冲作为测距信号。其次在激光脉冲接收单元中,介绍多种光电转换器件如雪崩二极管和PIN光电二极管等的优缺点,最后选择使用低噪声的PIN光电二极管作为光电转换器件,利用专用的电流-电压转换放大器将电流信号转换为电压信号,经增益可调放大器件再次放大后利用高速电压比较器来提取有用信号作为时间间隔测量的终止信号。在时间测量方面,首先详细分析了时间测量的误差来源,并介绍了多种减少时间间隔测量的误差方法,本文结合系统应用需求,选择采用FPGA作为时间数字测量平台,运用数字插补法能对时间进行快速、精确的测量,实现时间测量模块的单片集成,减小了电路面积和功耗,增强了抗干扰能力。 完成系统总体工作流程和各个部分的电路设计后,本文将各模块进行仿真和时间电路测试,并分别检测了各模块工作情况以及性能效果,最后对系统整体测试。通过对时间测量数据的分析,论证了所设计的系统可以达到预期效果。在测试中,也发现了一些现有技术的不足,并提出了进一步改进的措施。本课题最后通过对激光测距系统样机制作来对设计方案进行验证。


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