脉冲式激光测距系统的研究与设计

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目前自动驾驶技术已经在汽车、机器人和无人机等移动设备中得到了广泛应用,促进我国轨道交通、物流运输和生产制造等行业迅速发展。激光雷达是自动驾驶技术的核心传感器,利用激光测距系统实现障碍物距离探测与导航避障,随着激光雷达在自动驾驶技术中的应用日益广泛与深入,对于激光测距系统的性能指标也有了更高的要求。目前激光雷达仍存在研发成本高、系统设计难度大、激光测距精度较差等问题,因此对低成本、小型化、高精度的脉冲式激光测距系统展开研究与设计。本课题主要完成的设计工作如下:(1)研究主流激光测距技术方案的原理和特点,提出一种改进型设计方案。结合实际应用需求,选择以脉冲式激光测距作为系统的距离检测方法,取消了传统脉冲式激光测距系统中分光镜的设计,简化系统电路结构,降低系统硬件成本。(2)设计激光发射电路与接收电路。选择SPLPL90_3型激光二极管为系统的激光源,设计出窄带脉冲激光驱动电路;选择AD500-8型雪崩光电二极管为系统的光电探测器,设计出激光回波接收电路。对系统电源电路进行设计,并且根据光学原理为系统适配光学镜头。(3)对时间间隔测量模块软硬件进行设计。选择STM32F103ZET6为系统控制器,选用高精度时间数字转换芯片TDC-GP22为计时器,完成时间间隔测量系统硬件电路设计和系统PCB设计;对系统软件进行设计,实现激光飞行时间间隔的测量,并在Visual Studio 2015平台开发系统上位机界面,用于实验数据的显示与保存。(4)搭建激光测距系统平台进行实验验证。对系统样机的各个模块进行硬件测试与功能验证,展开多组标定实验完成系统距离校准,验证系统测量稳定性,采用卡尔曼滤波算法降低系统测量误差,并对实验结果进行研究与分析。经实验验证,本课题设计的脉冲式激光测距系统的最大量程为25m,测量误差不超过30mm。
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