面向同时测绘与定位的激光雷达系统

摘要

随着当今社会对自主移动机器的需求不断增大，同时测绘与定位技术在机器自主导航领域的应用愈渐广泛。激光雷达是实现同时测绘与定位技术的核心单元之一，它能够迅速、准确的测量出所在环境的距离信息，辅助机器完成实时的地图测绘与定位。如何设计与制作高精度的激光雷达系统是同时测绘与定位技术发展中重要研究的课题之一。
　　本文面向同时测绘与定位技术领域的应用场景，在对比分析了多种激光雷达测距技术优劣势的基础上，提出了一种基于模拟电路实现激光调制与接收、数字电路实现信号混频鉴相的高精度相位式测距技术;针对此技术的实现方法，研究设计了激光器跨导调制及驱动电路、光电二极管跨阻放大电路、基于FPGA的直接数字频率合成器及数字混频鉴相电路、基于STM32的信号解算及系统控制程序;最后，完成了激光雷达系统样机，并搭建了测试平台，验证了系统测量技术的合理性及电路设计的可行性。
　　基于上述工作，本文实现了一个面向同时测绘与定位的激光雷达系统，其工作电压为±6V、数据输出频率为250Hz、测距激光为1550nm波长的人眼安全激光。测试结果表明，该系统的鉴相精度达到1.6755×10-4弧度，测距精度达到±1cm、测距量程为30m、扫描范围为360°，满足同时测绘与定位技术对激光雷达系统的性能指标要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与现状

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究现状

1．2 激光测距原理与鉴相技术分析

1．2．1 激光测距原理

1．2．2 相位检测技术

1．3 研究内容和论文组织

第二章 面向同时测绘与定位的激光雷达系统设计方法

2．1 系统总体框架

2．2 激光发射部分

2．2．1 激光调制技术

2．2．2 激光器的选型

2．2．3 激光器驱动电路设计

2．2．4 调制信号生成

2．2．5 激光发射电路调试

2．3 激光接收部分

2．3．1 光敏器件驱动模块

2．3．2 跨阻放大模块

2．3．3 模数转换模块

2．4 信号处理部分

2．4．1 信号生成

2．4．2 信号混频

2．4．3 信号滤波

2．4．4 信号解算

2．5 PCB设计部分

2．6 雷达姿态控制部分

2．7 光路设计部分

2．8 本章小结

第三章 测试平台搭建与测试数据分析

3．1 测试方法设计

3．2 测试平台搭建

3．2．1 激光雷达数据采集平台

3．2．2 激光雷达信号调试平台

3．3 测试及数据分析

3．3．1 测试过程

3．3．2 数据分析

3．4 本章小结

第四章 总结与展望

4．1 总结

4．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的科研成果