本文關(guān)鍵詞：高精度低成本激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：智能系統(tǒng)是當(dāng)前國民科技發(fā)展的重要部分,該領(lǐng)域?qū)τ诟呔雀兄h(huán)境3D圖像信息采集有迫切需求。激光3D視覺系統(tǒng)是目前最高效的環(huán)境3D信息采集技術(shù)之一。信息獲取能力強(qiáng)、工作距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)使其可以成為智能系統(tǒng)重要的信息獲取手段。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,激光3D視覺系統(tǒng)面臨著技術(shù)難度大,器件價(jià)格高的問題。本論文基于此,提出了一種高精度低成本激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,從關(guān)鍵問題和關(guān)鍵技術(shù)入手,研制了一套激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)原理樣機(jī)。成像實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)總體性能達(dá)到了國內(nèi)同類研究的先進(jìn)水平。論文主要研究內(nèi)容如下:(1)對激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。成像方式采用檢流計(jì)式振鏡掃描,通過閉環(huán)控制,獲取激光照射的空間位置信息,依靠雪崩光電二極管高的靈敏度特性獲取目標(biāo)回波,以飛行時(shí)間法高精度測量目標(biāo)環(huán)境的距離,最后將目標(biāo)區(qū)域的位置信息和距離信息融合成3D圖像信息;推導(dǎo)了大氣透過率和目標(biāo)光學(xué)特性的理論公式,在直接探測激光雷達(dá)距離方程條件下,估算并選擇了符合要求的激光脈沖發(fā)射機(jī);分析了檢流計(jì)式振鏡工作原理,從關(guān)鍵參數(shù)角度入手,確定了檢流計(jì)式振鏡的選型依據(jù),選擇了單元雪崩光電二極管的光電探測手段,分析了雪崩光電二極管的工作原理和特性,并依據(jù)關(guān)鍵參數(shù)選擇了符合系統(tǒng)要求的雪崩光電二極管。(2)研究了低成本激光二維高速高效振鏡掃描技術(shù)。通過分析二維檢流計(jì)式振鏡的掃描軌跡,討論并選擇適合激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)的掃描軌跡排列,并對掃描軌跡的失真情況進(jìn)行了仿真,得到有效的校正方法;將校正算法代入到二維檢流計(jì)式振鏡的驅(qū)動電壓輸入中測量掃描軌跡校正結(jié)果,獲得均勻的空間點(diǎn)陣;為了實(shí)現(xiàn)360°全視場掃描,計(jì)算并選擇了適合本文激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺。(3)設(shè)計(jì)并加工收發(fā)合置偏振隔離光學(xué)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)加工發(fā)散角小于0.75mrad、光斑4mm直徑輸出的準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng);設(shè)計(jì)加工偏振隔離光開關(guān),P光透過率90%以上,S光反射率90%以上,P光和S光成90?分離;設(shè)計(jì)加工4倍擴(kuò)束伽利略式掃描望遠(yuǎn)系統(tǒng),掃描角?10?;設(shè)計(jì)加工APD光學(xué)系統(tǒng),彌散圓為51?m,有效焦距40mm;對雜散光問題進(jìn)行了討論和分析,提出解決方法:第一種方法是利用偏振隔離原理隔離伽利略式掃描望遠(yuǎn)系統(tǒng)表面反射雜散光,第二種方法是通過旋轉(zhuǎn)固定角度來屏蔽1/4波片表面反射雜散光,兩種方法均獲得了較好的雜散光隔離效果。(4)研究了高精度時(shí)間間隔測量與時(shí)刻判別技術(shù)。從測時(shí)和鑒時(shí)兩個(gè)方面提高系統(tǒng)的測距精度:測時(shí)選擇時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器,比較傳統(tǒng)的模擬時(shí)間間隔測量技術(shù)和現(xiàn)在流行的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔測量技術(shù),選擇延遲線插入法提高測量精度,并依據(jù)儀器指標(biāo)計(jì)算出了該時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的理論測時(shí)誤差;鑒時(shí)選擇了恒比定時(shí)法,并根據(jù)系統(tǒng)總測量誤差和測時(shí)誤差確定了恒比定時(shí)的鑒時(shí)誤差,分析恒比定時(shí)鑒時(shí)時(shí)間漂移和虛警率得到了相應(yīng)的閾值設(shè)定,確定了112m V的閾值設(shè)定值,并選擇了鑒時(shí)誤差小于100ps的四通道恒比定時(shí)器;討論并分析了系統(tǒng)時(shí)序同步問題,確定了更為精確的光觸發(fā)方案。(5)搭建激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。包括系統(tǒng)最遠(yuǎn)工作距離測定,系統(tǒng)固定延時(shí)標(biāo)定,激光測距精度標(biāo)定和系統(tǒng)掃描成像實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,高精度低成本激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)指標(biāo)達(dá)到了期望數(shù)值,100m工作距離、53mm測距精度、10??10?大視場加轉(zhuǎn)臺360°全視場的掃描以及10k(高幀頻)~100k(低幀頻)的高分辨率。同時(shí),應(yīng)用成熟的振鏡掃描技術(shù)也讓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小型化和低成本的目標(biāo),擁有廣泛的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN249

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本文編號：1261654