[应用相关] STM32开发一款3D激光雷达

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 楼主 | 2019-7-14 11:15 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-7-14 11:16 | 显示全部楼层
    快速增长的领域的例子包括:机器人应用,建筑设备(例如Leica DISTO类
手持激光测距仪),机器人真空吸尘器(例如Electrolux Trilobite ),玩具(例如
LEGO MINDSTORMS汽车应用(例如自适应巡航控制),计算机输入设备(例如
微软Kinect),无接触开关(例如卫生设备,照明控制),节能传感器(ATM,复
印机,自动售货机,笔记本电脑,LCD显示器)和其他应用[4]0
    目前,光学测量技术可能是测量固定和移动物体的尺寸,横截面形状和位置
的最基本方法,并且己经被各种广泛地应用[[5-g3。此外,它们还用于验证或校准
其他非光学方法。现在已被广泛接受的是,许多测量问题本质上是三维的,二维
情况很少存在。如果场景的三维信息可用,许多二维的应用程序可以大大简化[[9J0
一个很好的例子就是印刷电路板上电子元件的位置测量。它将需要使用二维技术
的复杂和繁琐的算法。相反,通过使用范围信息,可以使过程更加的简单和有效。

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 楼主 | 2019-7-14 11:16 | 显示全部楼层
    三维光学测量涉及分析被物体反射或辐射的光通量的特性。根据应用类型及
其实际限制,如何选择正确的图像系统或技术变得更加复杂。目前,与图像信息
有关的技术如果不需要受控光源,并且被动地涉及辐射束(通常是激光),那么
它大部分被分类为被动的。多年来,被动测量技术已被用于三维测量的大部分工
作中,例如地形测量。而使用主动测量技术测量地形则显得不切实际。被动技术
试图在环境光线下分析物体的结构。所以系统的性能很容易受到环境的影响。最
近,由于这种测量技术的一些限制和局限性,例如恶劣的环境,工业应用时需求
的低成本性和紧凑性,使得使用主动方法比被动技术更容易获得3D数据。主动
技术试图通过使用结构化光源来减少场景分析的模糊性。主动系统将光投射到一
个物体上。然后光线被照明物体的表面反射并被检测器接收。收集的能量可以提
供有关分析对象的信息,例如其距离。通过利用三维物体旋转和平移的不变性特
性,基于主动视觉的系统可以解决二维成像系统发现的大多数模糊问题。另外,
对于基于激光的方法,三维信息对背景照明和表面纹理的成像相对不敏感,这使
得主动系统比被动视觉更加适应恶劣的环境。

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 楼主 | 2019-7-14 11:17 | 显示全部楼层
    根据要测量的距离和需要的精度,采用不同的技术。己经发表了许多关于光
学测量的论文。Frohlich}l l】讨论了距离测量传感器。给出了商业仪器的列表。
Blais}lz}给出了一个非常完整的技术调查。他包括超过80个商业传感器的性能表。
Boehler}l3}讨论了激光测距方法,重点是扫描传感器,并包括一个己经商业化的产
品的性能指标。Sansoni}l4I是该领域最近的教学类文章。它包括用于3D表面传感
器的多种技术并进行相互的比较。 Amann}'s}讨论了用于激光距离测量的常规方法。
Beraldin}l6]也是激光测距教程。

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 楼主 | 2019-7-14 11:17 | 显示全部楼层
    莫尔干涉测量}}z,}s]是一种直接的光学技术,可以进行无损非破坏性计量测量。
这种测量方法被用于三维物体轮廓测量。莫尔原理的核心是使用两对精确匹配的
光栅对:光栅在空间上放大投射光线,然后相机光栅解调观察到的图像并产生相
位与距离成正比的干涉条纹。通常莫尔地形}m>ao}可以分为两大类:标准莫尔和阴
影莫尔,这取决于所使用的光学布局。对于标准投影莫尔系统,通常使用精确匹
配的一对光栅。投影光栅放置在光源的前方,而参考光栅或相机光栅放置在相机
的前方。准直光通过光栅投射,并通过光栅的间距进行幅度调制。当光落在物体
表面上时,空间载体的相位被物体表面的形状调制。当使用相移投影莫尔(阴影
莫尔)时,相机光栅相对投影光栅进行相移。这种技术可以应用于精细测量物体
的精确测量。在阴影莫尔技术的情况下,光栅靠近物体放置,光栅线的阴影投射
到物体上,如图1-1所示。光栅线和阴影线会产生干涉,产生代表相同高度表面
轮廓的条纹,并描述表面的形状[}zi,z2}。这种测量方法可以测量的最近距离可以达
到0.001个激光波长。但该测量方法的缺点是模糊度范围约为1微米。由于传
感器精度的差异,很难将干涉仪测量与其他传感器测量相关联。Dehne}}}描述了
一种测量具有纳米精度的不同航天器之间的距离的系统。Dubovitsky}24]和Liebe}25}
报道了一种系统,其中激光束在 40GHz进行相位调制以区分干涉仪距离和毫米
级距离。Swinkels}26】还报道了一个用于航天的计量系统。
    一般来说,莫尔技术主要用于非常精确地测量小的平面外位移,例如由于应
力引起的表面变形。虽然非常准确,但这些技术的测量深度范围非常有限。
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 楼主 | 2019-7-14 11:19 | 显示全部楼层
    基于脉冲飞行时间的激光测距仪广泛用于各种军事、工业和大众应用中,包
括绝对距离测量,轮廓分析,定位和三维视觉。这种技术的基本原理是基于这样
的事实,即光在给定介质中以有限和恒定的速度传播。因此,通过计算光在介质
中传播所产生的时间延迟可以得到距离。整个测量量程的精度相对恒定,因为这
些系统需要检测通过空气传播的时间光,所以测量将仅受电子设备中的偏移和抖
动的影响。脉冲飞行时间激光雷达装置通常由激光脉冲发射器,必要的光学器件,
两个接收器通道和一个时间数字转换器(TDC)组成,如图1-2所示。激光脉冲
发射器向目标发射短光脉冲。然后在接收器通道中处理接收到的起始脉冲,为
TDC生成逻辑电平起始脉冲。以相同的方式处理从目标反射并由停止接收器通
道的光检测器收集的光脉冲,并且向TDC生成逻辑电平停止脉冲。TDC使用它
的时间基准将时间间隔转换为表示与目标距离的数字。由于光速极高,定时器分
辨率必须非常快,以获得良好的精度。此外,激光脉冲的触发时间必须非常短。
使用这种类型的传感器可以进行公里范围测量,通常精度在厘米的范围内。精确
度主要取决于于电子设备如何精确地计算时间差。例如,如果想要1毫米的分辨
率,则需要测量约3.3皮秒的时间延迟。显然,脉冲分辨率差会导致测量精度的
不确定性。Liebe}2}}描述了基于该原理的空间限定激光雷达。Kilpela}28}9}描述了一
种用于工业应用的系统。Kawahara}2o}描述了脉冲激光雷达的电子器件。
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 楼主 | 2019-7-14 11:19 | 显示全部楼层
    激光相位测距法使用正弦或方波来调制激光器,用相位计测量出射光束和入
射光束之间的相位。通过降低频率来精确测量相位是可行的[31]。典型的调制频率
是数十兆赫兹,现代测量仪器和手持激光测距仪都是基于这种调制技术。该方法
的缺点是需要很长的测量时间才能得出相位差值。另外,距离计不能区分距离值
调制波长的倍数的距离。为了建立正确的距离,传感器必须改变调制频率几次以
找到绝对距离。测量需要具有不同频率的多个测量的事实意味着这种类型的传感
器在动态场景中可能表现差。Bosch[3z]讨论了这种类型的传感器的误差来源。
Yoon[33]描述了相位测量时的信号处理。Beheim[3a】描述了一种在1.5米的距离上
操作的传感器。Minoni[3s]描述了一种工作范围从130~到300 mm的传感器。
    基于激光三角的测量技术原理有很长的历史,从古希腊的基本测地测量到更
现代的基于激光的摄像机。希腊哲学家泰勒斯在公元前六世纪发现了五个几何定
理。其中两个用于解决基于三角测量的距离相机中的三角测量方程:相交直线和
余弦定律的相反角度。激光三角测量法通过发射的激光束经过被测物体的反射后
在激光检测器上的位置来计算距离,通过在激光检测器上光束的位移来计算距离
差。激光检测器典型的是1维或2维照相机,然后测量到激光光斑的角度。到斑
点的距离与斑点的角度具有函数关系,这是三角测量。这种类型的传感器可以用
位置敏感检测器(PSD)来实现。这是一个可以测量激光光斑位置的光电传感器。
PSD具有高带宽和低成本的特点。但是,它没有像素化。换句话说,暗电流在整
个焦平面上累积,并且不能抑制场景中的背景照明。这意味着在明亮照明的场景
中在2米以上的距离处操作这种类型的传感器是有问题的,因为对眼睛无害的强
度的激光信号由于暗电流和背景照明而变得不明显。目前可以通过脉冲激光器以
减去暗电流和背景照明来提供一些缓解。Wallrabe}36]描述了一种基于PSD的传感
器。最近,基于PSD的距离传感器己经出现在Sharp}3}}中并且成本控制在10美
元范围内。Nikashima}3g}描述了一种利用2个PSD芯片的系统,从而提高了范围
和精度。Kramer}39]描述了一种同时可以使用LED作为照明源的系统。三角测量
是要求工作范围小于10米的应用中最常用的方法。到目前为止,在2米到10米
的范围内,商用的三角测量传感器数量有限。

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 楼主 | 2019-7-14 11:20 | 显示全部楼层
    一种替代方案是利用像素化焦平面。比如光电二极管的线性阵列,以及一维
或二维CCD或CMOS检测器[a0j o Liebe}al"az]描述了具有多个激光束的系统。Wu}a3j
描述了一种用于汽车应用的系统,但并未优化此传感器的扫描速率(刷新率)。
Dorsch}`}j讨论了由于斑点造成的这种技术的精度限制。Konolige}as】描述了一种低
成本商业传感器。在具有像素化检测器的传感器中,暗电流仅在接近激光光斑的
像素中起作用,并且背景照明可以在亮度低于激光信号本身的情况下被抑制。使
用可见激光的这种技术可以在大约10米的距离以内操作。这个限制是由可见激
光器对眼睛安全性决定的。在10米处,激光光斑强度不比明亮照明的背景亮。
使用可见激光器的优点是可以清楚地看到被测量距离的点在场景中是什么位置。
也可以使用例如近红外激光束比如波长为1.55微米的红外激光。在这个波长处,
人眼对激光损伤不敏感,并且可以使用大约高25倍的功率水平[46j。此外,该波
长的太阳照射背景仅为可见波长的25。这意味着工作范围可以扩展大约10倍。
不幸的是,激光光斑对于人眼是不可见的,并且必须使用特殊的IR观察器来检
测护林员测距的点。此外,检测器必须基于InGaAs来进行制作。InGaAs距离
传感器的示例由Beraldin}a}j给出,其基于S 12InGaAs光电二极管阵列。对于商业
应用领域来说,InGaAs光电二极管阵列是非常昂贵的。

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 楼主 | 2019-7-14 11:20 | 显示全部楼层
    激光三角测距法的原理是用一束激光以一定的入射角度照射被测物体,激光
在物体表面发生反射和散射,在另一角度利用透镜对反射激光汇聚成像,光斑成
像在CCD(Charge-coupled Device,感光祸合组件)或CMOS(Complementary
Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)位置传感器上。当被测物体
沿激光方向发生移动时,位置传感器上的光斑将产生移动,其位移大小对应被测
物体的移动距离,因此可通过算法设计,由光斑在传感器上的位置计算出被测物
体与基线的距离值。由于入射光和反射光构成一个三角形,对光斑位移的计算运
用了几何三角定理,故该测量法称为激光三角测距法。

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 楼主 | 2019-7-14 11:20 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-7-14 11:21 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-7-14 11:23 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-7-14 11:23 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-7-14 11:24 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-7-14 11:24 | 显示全部楼层
    为了制作出的激光雷达具有低成本,高效率、易操作,方便移植的优点,首
先需要考虑激光器的的波长、功率以及散射角度,图像传感器方面,现在基于
CCD的摄像头和CMOS的摄像头都很热门,在测量和传感领域都具有广泛的应
用价值,本章也将讨论这两种不同类型的传感器技术。电子控制部分将介绍电源
系统的设计以及电机控制系统以及激光器系统。机械结构部分将详细说明各器件
的安装和布置,以及雷达的小型化,可移植化。软件设计部分将展示单片机程序
和PC端上位机程序的框图以及上位机的用户操作界面。

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 楼主 | 2019-7-14 11:25 | 显示全部楼层
    激光的高凝聚性使其可以发射非常窄的直线光束,具有对环境进行特定定位
探测,小型扫描光学系统和小尺寸的优点。此外,它们的光谱纯度允许使用非
常窄带的光学滤波器来抑制环境光,并且其非常高的时间带宽允许高频方波调制,
而不引入相移和信号失真。
    在半导体激光器(或激光二极管[[LD])中,反馈通常通过沿其晶面切割半导
体材料来获得。与其他类型的激光器相比,激光二极管具有体积小,布局紧凑,
光斑面积小,低成本、寿命长等特性。激光二极管在许多方面比其它类型激光器
更适合本文设计的系统的需求。由于其高亮度,窄带波长和相位相干性,选择
激光二极管作为我们成像系统的光源。
    可见光束对于任何光学系统的校准都有很大的帮助,并且由于其可被人眼直
接观测到,可以有效避免直视激光,防止对人体眼睛造成伤害,一定程度上提高
了系统的安全性。尽管可见光比红外更安全,更实用,但大多数光学传感设备的
响应率曲线表明它们对红外线更敏感。通常,通过将激光波长从可见光移动到红
外线可以获得大约50%的灵敏度增加。红外线在室内很有用,因为人造物体能
很好地反射红外线能量。然而,在户外,道路和其他建筑发出的辐射限制了红外
投影的使用,特别是如果光源未调制的话。这些因素可能会对测量结果造成极大
的负面影响。
    此外,由于本文所涉及的激光雷达系统使用线激光器,因此还要考虑线激光
的散射角度的问题。散射角度过小会导致纵向的扫描视角过小,并浪费图像传感
器的画幅。而过高的散射角度则会过度降低激光线上每一点的平均能量,光束将
变得更加发散且昏暗,影响雷达的量程和侧脸效果。综上所述,为了较高的灵敏
度以及尽可能避免环境光所带来的影响,我们需要选择一个红外激光器,并且使
图像传感器尽可能无损耗地接收到从物体反射回来的光线。
    本文最终选择了波长为808纳米,功率为160毫瓦的90度一字线半导体激
光器,这种类型的半导体激光器具有体积小巧,成本低廉的优点,直径仅1 Omm,
长度约23mm。表面采用氧化物处理,工作电压为3.3 V,寿命方面可达到1000
小时。在激光三角测距法的量程中可以完全胜任。

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 楼主 | 2019-7-14 11:25 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-7-14 11:26 | 显示全部楼层
    2)低功耗
    主动式像素传感器架构的功耗比CCD同类产品低100倍。这在依赖于电
池续航能力的便携式应用中具有很大的优势,例如笔记本电脑,手持式扫描仪和
视频手机。另一方面,CCD系统从本质上来说更加耗电。这是因为CCD本质
上是电容性器件,需要外部控制信号和高压时序(S-15伏)才能达到可接受的电
荷转移效率。同时,他们的片外支持电路也将消耗大量功率。
    3)高灵活性
    在CMOS主动式像素图像传感器中,每一个像素均含有光电检测器和读出
放大器。这两个器件将集成电荷转换成像素内部的电压,然后可以通过X-Y线
  (而不是使用电荷域移位寄存器,如在CCD中)读出。这种列和行的寻址能力,
与普通DRAM相似,允许开发者自己设定,使图像传感器仅处理选定区域的像
素上的电荷(窗口化),可用于片上电子摇摄,倾斜和缩放。窗口化在需要图像
压缩,运动检测或目标跟踪的应用程序中提供了更多的灵活性。
    4)图像无涂抹,无干扰斑纹
    现代CMOS传感器实现了与高端CCD相媲美的量子效率(灵敏度),但与
CCD不同,它们不容易出现由于像素模糊而导致的斑纹。这是因为CCD依赖于
电荷域移位寄存器,当CCD寄存器溢出时,CCD寄存器可能会将电荷泄漏到相
邻像素,从而导致明亮的光线“开花”并导致图像中出现不需要的干扰斑纹。在
CMOS传感器架构中,信号电荷被转换为像素内部的电压,并通过行列总线读出,
就像在DRAM中一样。CMOS传感器在每个像素中都内置防溢出保护,因此不
会出现溢出。从而避免了在CCD照射下通过电荷转移引起的涂抹。
    5)帧速率高
    CMOS图像传感器的高集成度,使得大部分图像信号处理电路可以和CMOS
传感器芯片集成在同一块电路板上,从而图像数据信号的传输距离大大缩短,因
此电容、电感和寄存器等部件的延迟都降低了很多。另外,由于CMOS图像传
感器在输出时采用的是行和列总线的寻址方式,这种输出方式的效率本来就比
CCD图像传感器的输出方式快很多,而且现代的CMOS传感器能够以更快的速
度驱动图像阵列的行和列总线,这使得CMOS图像传感器在机器视觉和运动分
析应用中尤其具有速度优势。CCD将电荷信号从像素传输到像素输出节点,转
化为电压并进行放大后输出,而CMOS成像器将每个像素中的电荷信号直接转
换为每个像素的电压并依照行和列的总线选择信号进行输出。

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 楼主 | 2019-7-14 11:26 | 显示全部楼层
    本论文选用了基于OV2710图像传感器的摄像头。OV2710是一款全高清
(1080p) CMOS图像传感器,专为向数字视频摄像机、笔记本电脑、PC摄像头、
安全和其他移动应用提供高端高清视频而设计。1/2.7英寸画幅的OV2710满足
了对视频会议和录制的经济实惠的高清质量数字视频解决方案的快速增长的需
求。显示分辨率有多种选择,当分辨率为1920 x 1080像素时,运行速度为每秒
30帧。此时单个像素边长为3N,m;当使用640 x 480的分辨率时,运行速度大大
提升,可以达到每秒钟120帧的速率,此分辨率下单个像素边长延展为6},m o
OV2710提供3700mV/lux-sec的低光敏度,40dB的信噪比和69dB的峰值动态范
围,相机可在几乎任何照明条件下工作,从明亮的日光到低于1 Slux的接近完全
的黑暗。

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