發(fā)布時間：2018-01-04 22:36

  本文關(guān)鍵詞：基于激光測距的三維空間景深獲取　出處：《東南大學(xué)》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 三維測量 激光測距 MEMS振鏡 激光投影 TDC-GP21

【摘要】：激光掃描測距技術(shù)采用非接觸式主動測量的方式直接獲取目標(biāo)的三維數(shù)據(jù),克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)的局限性,具有測量速度快、精度高、抗干擾能力強、適用范圍廣、不需要合作目標(biāo)等優(yōu)點,是實現(xiàn)三維測量最重要的技術(shù)手段。目前激光掃描系統(tǒng)普遍存在體積大、功耗高、掃描速率慢等問題。MEMS振鏡技術(shù)為其向小型化、低功耗、低成本和便攜式應(yīng)用的方向發(fā)展提供了相應(yīng)的器件,具有重要的研究意義。本文將靜電式MEMS振鏡應(yīng)用到三維掃描測距系統(tǒng)中,靜電式振鏡具有結(jié)構(gòu)簡單、掃描頻率高、功耗低、體積小等特點,是三維掃描系統(tǒng)小型化的首選。本文以靜電式MEMS振鏡作為掃描器件,設(shè)計了一種高速激光掃描測距系統(tǒng),并進行了實際測量和數(shù)據(jù)分析,為三維激光掃描技術(shù)的小型化取得了突破。針對激光掃描測距系統(tǒng)設(shè)計時四個關(guān)鍵環(huán)節(jié),詳細分析和比較了目前主流的激光測距方法、激光測距探測方法、激光掃描方法和時刻鑒別方法。針對小型化、高掃描速率的特點,設(shè)計了整個激光掃描測量系統(tǒng)。系統(tǒng)選擇使用脈沖激光測距法來測距,脈沖激光器發(fā)射脈沖激光后,一部分經(jīng)分光鏡反射直接由PIN探測器接收作為start信號。利用MEMS振鏡作為掃描器件對另一部分脈沖激光反射以調(diào)整飛行方向,脈沖激光到達探測目標(biāo)后發(fā)生漫反射,采用單元APD探測器接收回波信號,并用前沿時刻鑒別法確定時刻作為stop信號,再由計時模塊測量兩個信號的時差。采用臺灣OPUS公司的靜電式MEMS振鏡OP-6111作為掃描器件。分析了其工作原理和掃描軌跡的特點,通過仿真確定了工作頻率,根據(jù)性能參數(shù)開發(fā)了配套的驅(qū)動電路,實現(xiàn)了振鏡驅(qū)動和坐標(biāo)計算。并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了激光投影系統(tǒng),實現(xiàn)了“SEU”字符的投影顯示。本文基于德國ACAM公司的時差測量芯片TDC-GP21設(shè)計了脈沖激光測距系統(tǒng)。時差測量的精度可以達到91.5ps。實際測距時,使用固體激光器產(chǎn)生脈寬35ns的脈沖激光,使用PIN探測器和APD探測器給TDC-GP21芯片提供start和stop信號。測量近距離目標(biāo)時,誤差小于0.23m。最后本文基于MEMS振鏡掃描模塊和脈沖激光測距模塊,搭建了激光掃描測距系統(tǒng)。使用RS232串口將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)诫娔X,測量速率達到2333Hz。本文對系統(tǒng)的測量速率和掃描盲點問題進行了詳細的分析,提出了改進方法。用系統(tǒng)對簡單物體進行三維掃描,用MATLAB還原出了三維圖。
[Abstract]:Laser scanning ranging technology directly acquires 3D data of target by non-contact active measurement, which overcomes the limitation of traditional measurement technology, and has high measuring speed, high precision and strong anti-interference ability. It is the most important technique to realize 3D measurement because of its wide application range and no need of cooperative target. At present, the laser scanning system is widely used in large volume and high power consumption. MEMS vibroscope technology provides devices for miniaturization, low power consumption, low cost and portable applications. In this paper, electrostatic MEMS vibroscope is applied to 3D scanning ranging system. Electrostatic vibrating mirror has the characteristics of simple structure, high scanning frequency, low power consumption and small volume. It is the first choice for the miniaturization of 3D scanning system. In this paper, a high speed laser scanning ranging system is designed with electrostatic MEMS vibrating mirror as the scanner, and the actual measurement and data analysis are carried out. A breakthrough has been made for the miniaturization of 3D laser scanning technology. Aiming at the four key links in the design of laser scanning ranging system, the current mainstream laser ranging methods and laser ranging detection methods are analyzed and compared in detail. Aiming at the characteristics of miniaturization and high scanning rate, the whole laser scanning measurement system is designed. The system chooses the pulse laser ranging method to measure the distance. The pulse laser emits the pulse laser. One part is directly received by the PIN detector as the start signal, and the other part of the pulse laser is reflected by the MEMS vibrator as the scanner to adjust the flight direction. When the pulse laser reaches the target, diffuse reflection occurs. The unit APD detector is used to receive the echo signal, and the forward time discriminant method is used to determine the time as the stop signal. Then the time-difference between the two signals is measured by the timing module. The electrostatic MEMS vibrating mirror OP-6111 of Taiwan OPUS Company is used as the scanner. The working principle and the characteristics of the scanning track are analyzed. The working frequency is determined by simulation, the matching driving circuit is developed according to the performance parameters, the drive of the vibrating mirror and the coordinate calculation are realized. On this basis, the laser projection system is developed. Implemented "SEU" In this paper, the pulse laser ranging system is designed based on the TDC-GP21 chip of ACAM company in Germany. The precision of time difference measurement can reach 91.5 ps. . A pulsed laser with a pulse width of 35 ns is generated using a solid-state laser. PIN detector and APD detector are used to provide start and stop signals to TDC-GP21 chip. The error is less than 0.23m.Finally, based on the scanning module of MEMS vibroscope and the module of pulse laser ranging, a laser scanning ranging system is built, and the data is transmitted to the computer in real time by using RS232 serial port. The measurement rate is 2333Hz. This paper analyzes the measurement rate and the blind spot of the system in detail, and puts forward an improved method. The system is used to scan the simple object in three dimensions. The three-dimensional image is restored by MATLAB.
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN247

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本文編號：1380444