基于激光三角测距原理的激光雷达系统研究

摘要

随着自主移动机器人、无人汽车的不断发展，对于空间探测传感器的需求越来越大。激光雷达系统作为一种主要机器人传感器，由于其所具有获取环境信息全面、测量精度高、探测频率快等特点，正在被广泛地应用。
　　目前，机器人技术的普及通常受制于其昂贵的环境探测传感器，为了加快机器人技术的普及，机器人传感器正朝着测量精度更高、系统能耗更小、成本更低、结构小型化的趋势不断发展，激光雷达系统也不例外。但是，对于激光雷达系统的研究我国和欧美日发达国家之间还存在着较大的差距。因此，我国自主研究开发高精度、低成本的小型激光雷达探测系统是当前我国发展机器人技术亟待解决的重要问题。
　　本文所研究的激光雷达系统分别以激光三角测距技术、增量式编码器技术作为测距系统和角度测量系统的基本原理。在测距系统方面，分别对光路结构、光斑噪声、像素定位算法进行研究，以提高其测距的精度和量程。在角度测量系统方面，通过对基本码道结构进行改进，解决了单码道增量式编码器无法获取零相位脉冲的问题。
　　本文分为五个部分详细地对课题的研究内容进行了介绍。第一部分为激光雷达系统的相关理论介绍，通过对光路结构和系统噪声的分析提出了提高系统测量精度的方法。第二部分主要详细介绍了系统的硬件设计，对系统结构和硬件电路进行了详细的介绍和分析。第三部分介绍了软件系统的设计和算法研究，对系统各部分的软件实现进行了详细的讨论。通过对光斑噪声的分析，提出距离属性加权平均滤波和迭代灰度质心算法求光斑质心的方法，解决了因激光雷达旋转和特殊表面造成无法确定光斑质心的问题。第四部分为激光雷达的误差测量实验，分别光滑环境和粗糙环境进行实验测量，得到其误差分别为1.3cm和2.4cm，并分析了误差产生的原因和解决方法。最后，对本课题的研究做了总结，并对系统存在的不足和改进进行了论述。

目录

第一章 绪论

1.1课题背景

1.2国内外研究现状及分析

1.3现有激光测距技术的分析

1.4论文内容的安排和主要工作

第二章 激光雷达系统相关理论

2.1激光三角测距的不同光路设计方式

2.2角度测量原理分析

2.3光斑中心定位算法

2.4精度提高分析

2.5本章小结

第三章 激光雷达系统的硬件平台设计

3.1激光雷达结构

3.2硬件选型

3.3电路设计

3.4本章总结

第四章 系统软件设计及精度提高算法研究

4.1激光雷达软件系统设计

4.2光斑噪声及去噪分析

4.3光斑定位算法

4.4算法验证

4.5本章结论

第五章 激光雷达系统实验与误差分析

5.1系统的测量数据分析

5.2系统的测量精度及误差分析

5.3本章小结

总结展望

参考文献

攻读学位期间所获得的科研成果

声明

致谢