基于单目视觉和激光测距仪的位姿测量算法

基于单目手眼相机和激光测距仪,提出了一种尺寸未知的空间矩形平面的位姿测量算法.该算法不需要知道矩形平面的4个顶点的物体坐标,只需要知道它们的图像坐标、激光点的图像坐标和激光测距结果,就能够计算出尺寸未知空间矩形平面在相机坐标系下的位姿,并且计算出矩形平面的尺寸.通过建立单目手眼相机和激光测距仪的数学模型,对该算法进行了验证.实验结果表明,该算法是有效的,可以应用于机器人对空间物体的跟踪、定位以及抓取.  

激光测距仪的脉冲电流供电温度控制系统

激光测距系统中的发射器件和接收器件具有温敏特性且均为小功率器件,精密测温电路采用Pt电阻时,Pt电阻的自热效应影响测温精度.为减小自热效应产生的测温误差,在分析Pt电阻测温误差产生机理的基础上,提出了一种新的脉冲电流供电方案,建立了脉冲电流供电电路及其自热升温过程的数学模型,给出了脉冲宽度和热量积累的关系,并通过合理控制脉冲宽度大大减小了自热效应引起的测温误差.使用高阶正交多项式拟合法对Pt电阻的非线性进行了补偿,给出了该系统温度测量模块测量数据与一级标准铂电阻温度值的比较实验,在不同的温度点,该温度测量系统的最大误差为0.000 6 ℃.系统稳定性测试结果表明,该系统在0～15 ℃时,各温度点控制稳定度均优于0.005 ℃,满足高精度激光测距的需要.  

相位法激光测距接收系统

相位法激光测距作为一种高精度的测距方法，在很多领域中得到广泛应用，在激光调制频率一定的情况下，测距速度和精度取决于相位差测量的速度和精度，并受信号串扰等因素的影响。基于此，提出了一种新的相位差放大测量的方法，在不增加测量时间的同时将测相精度提高1/N倍，并结合欠采样技术避免了混频器和其他多余器件的使用，减小了串扰对系统的影响；高频弱光信号入射到雪崩光电二极管上，会在输出信号上产生相位延迟导致测距误差，我们提出灵活控制加在雪崩光电二极管上的反向偏压的方法减小该相位延迟，对于调制频率为18.5MHz波长为650nm的激光，当入射光强度为0.5uW时，可将相位延迟从1.4度 压缩到0.03度 之内；建立了信号串扰产生测相误差的数学模型，并通过实验给出了采取不同屏蔽措施时串扰对测相误差的影响。实验结果证明，当调制频率为18.5MHz时，测相精度为0.014度 ，相应测距精度可达0.3mm 。  

用于激光测距的高精度时间数字转换电路

针对大容量现场可编程门阵列(FPGA)时间数字转换电路线性度较差的问题,采用小容量FPGA实现了用于激光测距的高精度、高线性度时间数字转换电路。通过对高速计数器、数字插入方法、编码器硬件算法的研究,分析了影响时间数字转换电路精度和非线性误差的因素,提出了一种降低非线性误差的方法。首先,根据所分析的影响因素,解决了高速锁存的问题,在单片小容量FGPA XC2V250上实现了时间数字转换电路;接着,通过USB接口将携带时间信息的计数器值和温度计码转为二进制编码值传给PC机,进行计算和显示;最后,设计了延时测量电路,对所设计的时间数字转换电路进行了测试,得到了各个延时单元延时的大小,并进行了数据分析和处理。测试结果显示:时间数字转换电路单次测时分辨率约为80 ps,校正后可达40 ps左右,微分非线性误差为-0.524LSB~+0.448LSB,积分非线性误差为-1.598LSB~+1.492LSB,可以满足飞行时间法激光测距中高精度测时的要求。  

激光测距仪器维修训练系统的激励电压源设计

激光测距仪器维修训练系统可满足多种型号测距仪器的测试需求,而激励电源是该系统的关键部件。对基于USB总线的程控激励电压源进行了设计,可调电压源主要由ATmega16单片机与4通道数字电位器AD8403等器件构成,USB通信电路由ATmega16与PDIUSBD12构成,并且在Windows XP系统下开发了相应的WDM驱动程序。测试结果表明该激励电压源能够满足激光测距维修训练系统要求。  

应用特征估计的距离图像多尺度滤波

为了提取含有噪声的激光扫描距离图像中的特征,提出了一种多尺度自适应滤波方法。该方法由特征估计和多尺度滤波两部分组成。利用无嗅卡尔曼滤波器构建自适应特征估计器,估计扫描点间的几何拓扑关系,并用估计过程中所获得的Mahalanobis距离构建扩散滤波核,对原始距离像进行多尺度滤波处理。为了能够仅依靠单一模型实现对环境中不同几何元素的有效估计,介绍了一种根据距离像局部特性进行自适应调整的曲线估计模型。试验结果表明,在噪声方差为2.25×10-4 m2时,经自适应滤波处理后的图像的最高峰值信噪比增益达10.55dB,均方误差减小58.24%。与基于固定模型的滤波相比,本文所述自适应模型滤波法能够使特征提取的正确率提高10%,而时间消耗减少55%。  

相位式激光测距谱分析鉴相的无偏改进

针对相位式激光测距中的鉴相误差,建立了谱分析鉴相的误差模型,提出了在数据预处理中引入希尔伯特变换来消除相位差估计偏差的测量方法.分析了传统谱分析鉴相的偏差和方差,指出这些测量偏差受初相位的影响,在高速测距中不容忽略.提出了一种无偏改进方法,通过窗函数法设计正弦信号的简易希尔伯特变换器,将离散傅里叶变换的对象转换为解析信号,在仅增加4次加减法运算和2次移位操作的情况下,实现了近似无偏谱分析鉴相.仿真分析和实验验证结果表明,鉴相均值与真实相位差相同；当信噪比为40 dB时,每秒百万次高速鉴相的误差为0.1°；当调制频率为100 MHz时,测距精度达到0.4 mm.实验表明,将希尔伯特变换应用于谱分析鉴相,可实现高准确度相位差测量,并可应用于高速相位式激光测距.  

激光测距系统整形模块和低通滤波模块优化设计

由于减小相位式激光测距系统的鉴相误差可提高测距精度,本文对鉴相器前置整形模块和后置滤波模块进行了优化设计,以提高鉴相精度.针对整形模块,引入了迟滞比较器,克服了传统开环比较电路在实际噪声条件下存在的多重触发缺陷,解决了鉴相器输出方波高电平宽度不稳定的问题.针对滤波模块,介绍了基于MC4044鉴相芯片的两种典型放大/滤波电路及其缺陷,使用FilterPro软件设计了4阶有源低通滤波器,并说明了它相对于典型设计的优势.实验结果表明:相比于开环比较器,本文设计的迟滞比较器避免了接地(GND)噪声引起的多重跳变现象,输出方波的上升沿时问由1.66μs下降为108 ns;与基于MC4044的两种典型放大/滤波模块设计相比,本文设计的低通滤波电路克服了输出DC电平值非线性变化的缺陷线性度(R2)值由0.908 3提高至0.999 9)和灵敏度较低的缺陷(转化增益常量提高了96.5％),而输出DC电平上的干扰信号峰峰值则由50～230 mV下降至10～ 20 mV,有效减少了后级的A/D采样误差,提高了鉴相精度.  

经济型大尺寸激光自动坐标测量系统

利用手持式激光测距仪和二轴转台,设计了一种经济型大尺寸激光三维自动测量系统,用于船舶等大型工件的现场测量.介绍了系统的测量原理和主要组成部分,系统无需合作目标,在计算机的控制下自动对目标进行测量来获得相对系统的三维坐标数据.分析了系统的主要误差对测量结果的影响,完成了主要误差的提取实验.最后,利用激光跟踪仪对系统测试水平两点间的距离的测量精度进行了评定,并对船分段模型进行了测量实验.实验表明,该系统对水平放置物体的两点间距离的测量精度达到了1.73 mm,对船分段模型的平行平面之间的距离测量精度达到了1.5 mm.由于系统构成简单,硬件成本较低,测量精度较高,测量速度大约为1 point/s,非常适用于船分段的测量.  

系统参数对激光测高仪海洋测距和回波脉宽影响

星载激光测高仪的回波时间重心和脉冲宽度等系统参数对常见海态条件下的测距和反演精度有重要影响.本文根据菲涅尔衍射理论、海洋表面镜面反射理论、海洋波高和斜率统计特性以及激光测高仪回波误差理论,推导并更正了激光测高仪海洋回波光子数表达式.首次完整推导出了影响海洋回波重心和脉宽因素的表达式,证明了回波参数主要受发射脉冲宽度、测量天底角、指向角抖动和海洋表面上方风速的影响.除风速为表面特性影响外,其余为系统参数影响.结合地球科学激光测高系统(GLAS)参数对其海洋回波的测距和脉宽精度做了定量分析,得出不同风速GLAS的海洋表面单回波测距误差为2～15 cm,脉宽标准差为0.5～3.5 ns.推导结果对优化设计用于海洋表面测量的星载激光测高仪系统参数、提高回波反演目标特性精度很有意义.