二維激光雷達測繪系統(tǒng)技術(shù)研究

李樂吟 梁小梅 章嘉雯 南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院

1 研究背景

隨著我國科技的日益發(fā)展，對距離測量的要求愈來愈高，為了追求測量范圍高、測量精度高，激光測距技術(shù)逐漸走進人們的各行各業(yè)。激光測距技術(shù)應(yīng)用在航空航天、位置定位、野外勘探、導(dǎo)彈發(fā)射、娛樂等多個方面。由此可見激光測距對于保障國家安全及人民幸福生活是不可或缺的。激光測距利用激光的單色性、方向性、相干性、高亮度，以實現(xiàn)測程遠、精度高、速度快、分辨率高、抗干擾能力強的目的。本作品實現(xiàn)了激光測距掃描系統(tǒng)的精度、距離提高與系統(tǒng)簡化的綜合提升，可達到15m以上的測量距離以及毫米以內(nèi)的測量精度。

2 二維激光雷達測繪系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)字同步檢相技術(shù)

在連續(xù)式激光測距系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)性能最重要部分是檢相測量，其測距精度起決定性作用。由于相位在激光測距中的重要地位，因此發(fā)展起來的檢相技術(shù)層出不窮。在方式上主要有兩種:模擬測相和數(shù)字測相。測量相位的方法有多種，本文使用數(shù)字同步檢相技術(shù)，因為其能夠在保證精度的前提下預(yù)留更多的資源空間進行其他運算，節(jié)省資源，且技術(shù)較易實現(xiàn)。

2.2 FPGA產(chǎn)生數(shù)字DDS

本系統(tǒng)將傳統(tǒng)的使用DDS芯片產(chǎn)生正弦波再采樣進行相干測量的方法進一步改進，簡化了前端電路，將模擬DDS改為使用在FPGA內(nèi)使用數(shù)字DDS實現(xiàn)，減少了電路DA和AD，并且充分應(yīng)用FPGA的高速并行運算的特點。此外我們將傳統(tǒng)的模擬混頻再濾波的正交解調(diào)技術(shù)改為在高速AD采集后進行數(shù)字混頻數(shù)字濾波數(shù)字解調(diào)，解決了模擬電路搭建麻煩、可靠性不高、易引入噪聲等一系列缺點，為整個系統(tǒng)激光測距的準(zhǔn)確性提供了保障。運用數(shù)字采樣、濾波等一系列數(shù)字信號處理技術(shù)，以及優(yōu)化的FIR數(shù)字濾波器和CORDIC算法，使得最終得到準(zhǔn)確的相位信息。

2.3 STM32系統(tǒng)設(shè)計

在本模塊中，將STM32的軟件設(shè)計層次劃分為三層，從底層向上分別為硬件層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層。下面對各層的功能進行簡單說明：

硬件層：硬件層通過接口來處理來自FPGA結(jié)算得到的相位差數(shù)據(jù)，以及與TFT用戶交互界面的硬件通信連接。

系統(tǒng)層：系統(tǒng)層通過uC/GUI來支持從底層的距離數(shù)據(jù)以及TFT用戶交互界面。并實現(xiàn)可拓展。

應(yīng)用層：應(yīng)用層基于uC/GUI，開發(fā)出一套基于激光測距系統(tǒng)的應(yīng)用。

2.4 MATLAB掃描成像

我們將激光測距系統(tǒng)搭載在二維云臺上，通過STM32控制兩個舵機能夠在兩維平面進行掃描，記錄對應(yīng)的轉(zhuǎn)角信息以及距離信息，最終形成一個二維空間的點云數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入電腦并使用matlab進行繪圖顯示，即實現(xiàn)對二維空間環(huán)境的掃描建模。

3 維激光雷達測繪系統(tǒng)創(chuàng)新點

（1）將傳統(tǒng)外接DDS芯片產(chǎn)生正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯邮褂肍PGA搭建數(shù)字DDS，極大地減少了外圍電路，而且能夠準(zhǔn)確的獲取信號的相位信息，提高了計算精度。

（2）接收端的光電二極管將接收回來的信號進行模擬混頻、濾波轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂酶咚貯D采樣、數(shù)字混頻濾波，充分地使用數(shù)字信號的處理的方法，減少模擬電路的復(fù)雜性，使得系統(tǒng)得以小巧化。

（3）激光發(fā)射電路設(shè)計簡單，降低了復(fù)雜程度，器件也極易獲取，為該選項技術(shù)提供更廣闊的市場。

（4）將數(shù)字信號處理與FPGA的并行處理相結(jié)合，數(shù)據(jù)處理的速度較快，提高了連續(xù)不間斷重復(fù)測量的能力。