【摘要】：當(dāng)前,無人駕駛技術(shù)已成為汽車領(lǐng)域的發(fā)展趨勢,障礙物探測是無人駕駛技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)。激光雷達(dá)作為一種主動探測方法,具有測量速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn),在障礙檢測方面優(yōu)勢明顯。本文以無人駕駛車障礙探測為應(yīng)用背景,針對掃描式多線激光雷達(dá)成本較高、測距精度較低的不足,開展了激光雷達(dá)測距技術(shù)研究,綜合考慮車載環(huán)境以及實(shí)際應(yīng)用需求,設(shè)計了一種掃描式測距激光雷達(dá)系統(tǒng)。論文主要工作如下;(1)對比分析了脈沖式和相位式激光測距原理,根據(jù)無人駕駛車障礙探測的實(shí)時性要求,選擇脈沖式測距方案,綜合考慮影響脈沖式測量精度的關(guān)鍵因素,設(shè)計了一種改進(jìn)型的時刻鑒別以及時間間隔測量方法,優(yōu)化系統(tǒng)探測性能。(2)針對半導(dǎo)體激光器和光電探測器的具體特性,設(shè)計了發(fā)射端和接收端光學(xué)系統(tǒng),在ZEMAX軟件中進(jìn)行光線追跡仿真,驗(yàn)證了其對發(fā)射光束的準(zhǔn)直壓縮和對回波光束的有效聚焦,從而可以提高系統(tǒng)探測范圍和精度。(3)設(shè)計并搭建了窄脈沖激光發(fā)射和信號接收電路系統(tǒng),系統(tǒng)以FPGA器件和C8051F206單片.機(jī)作為主控制器,可實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率為1kHz,脈寬為60ns的窄脈沖激光發(fā)射;為提高接收系統(tǒng)的信噪比,選用高靈敏度的APD作為光電探測器,結(jié)合信號調(diào)理電路,從而實(shí)現(xiàn)微弱回波信號的有效提取;設(shè)計高精度時間差測量模塊和機(jī)械旋轉(zhuǎn)模塊,驗(yàn)證掃描式激光雷達(dá)系統(tǒng)的測距性能。(4)為了驗(yàn)證測距激光雷達(dá)在無人駕駛車障礙探測中的性能,在Visual Studio 2010平臺下開發(fā)了基于MFC的數(shù)據(jù)重構(gòu)界面,根據(jù)測量得到的距離數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)障礙物信息重構(gòu)。搭建實(shí)驗(yàn)平臺,對近處目標(biāo)物進(jìn)行測量,測試并驗(yàn)證系統(tǒng)樣機(jī)的探測性能,最終結(jié)果表明,所設(shè)計的脈沖式激光雷達(dá)系統(tǒng)基本滿足預(yù)期的探測要求,并具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。
【圖文】：

件又可以分為機(jī)械激光雷達(dá)、混合固態(tài)激光雷達(dá)以及固態(tài)激光雷達(dá)。作為無人駕駛車障礙物探測的主要傳感器，目前應(yīng)用較多的是機(jī)械式掃描激光雷達(dá)，，對車輛周圍360 環(huán)境進(jìn)行掃描測量[15]。近年來隨著無人駕駛技術(shù)的迅速發(fā)展，國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)、公司等對此都展開了較為深入的研究，尤其是在激光雷達(dá)技術(shù)最重要的測距領(lǐng)域，取得了突破性進(jìn)展。目前幾種典型的障礙探測激光雷達(dá)主要分布在國外的公司和機(jī)構(gòu)，分別是以美國Velodyne 公司為代表的多線機(jī)械式激光雷達(dá)、德國 Sick 公司為代表的單線激光雷達(dá)以及美國 Quanergy 公司的概念款固態(tài)激光雷達(dá)。在 2005 年的美國自主駕駛車大挑戰(zhàn)賽中，作為冠軍獲得者，斯坦福大學(xué)的“斯坦利”號無人駕駛車上安裝的就是 Sick 公司的 LMS200 系列的單線掃描激光雷達(dá)[16]。此款激光雷達(dá)是對障礙物進(jìn)行非接觸式的二維掃描測量，水平角分辨率以及掃描頻率均可調(diào)，通過測量激光往返時間來計算距離參量，最后將掃描數(shù)據(jù)送入處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。2007 的大挑戰(zhàn)賽中，獲得第一名的是一輛改裝的“BOSS”號無人駕駛車，完成了在較復(fù)雜障礙賽道上行駛的任務(wù)，其頂部安裝的就是美國 Velodyne 公司的 64 線激光雷達(dá)。該多線激光雷達(dá)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1-1：

（a）S3 固態(tài)激光雷達(dá)樣機(jī)實(shí)物圖 （b）光學(xué)相控陣原理圖圖 1-2 S3 固態(tài)激光雷達(dá)Fig.1-2 S3 solid-state lidar這款激光雷達(dá)在激光發(fā)射陣列面上存在很多微小的發(fā)射單元，在進(jìn)行測量時，通過號調(diào)節(jié)每個發(fā)射單元的相位差來改變最終激光的出射角度，實(shí)現(xiàn)一定角度范圍的掃描，省去了多線激光雷達(dá)復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)部件并大幅減少了光學(xué)鏡頭的使用，大大降低了研本和體積。然而，這種激光雷達(dá)技術(shù)存在探測距離以及點(diǎn)云數(shù)量有限、抗干擾性較差足，且技術(shù)仍不成熟，加工難度高，因此固態(tài)激光雷達(dá)距離真正的實(shí)際應(yīng)用還有很長時間。對比國外激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)對于車載激光雷達(dá)的研究起步較晚，無人駕駛大多以理論和實(shí)驗(yàn)研究居多，尤其是在無人駕駛領(lǐng)域，激光雷達(dá)的應(yīng)用研究大多處于實(shí)驗(yàn)階段。目前主要的研究機(jī)構(gòu)有國防科技大學(xué)、南京理工大學(xué)，湖南大學(xué)和上海交學(xué)等。2009 年，在首屆“中國智能車未來挑戰(zhàn)賽”中，湖南大學(xué)的智能車前方、上方均掃描式激光雷達(dá)感知實(shí)時路況。上海交通大學(xué)的智能車，采用單線激光雷達(dá)進(jìn)行前方
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U463.67;TN958.98

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本文編號：2637890