大尺寸运动物体的激光扫描检测系统的研究与设计

摘要

随着民航机场信息化改革的需要，智能化飞机泊位系统取代人工引导方式成为大势所趋，基于民航机场的需求，针对现有飞机泊位引导系统的不足，本文提出结合图像识别法和激光扫描检测法，利用其优势互补的特点，实现高精度、高可靠性的飞机泊位引导系统，并详细介绍了该系统中激光扫描子系统的原理及设计方法。
　　针对现有激光扫描仪的扫描范围和扫描速度的限制，本文提出采用双振镜结构实现激光扫描系统的方法，以满足对大尺寸移动物体的扫描要求。结合系统的应用场景，给出其总体设计方案，并完成了系统的理论分析、误差分析与校正、数据处理、系统软硬件设计等工作。
　　针对双振镜结构中存在的误差，本文根据其机械尺寸和几何关系，通过对其建立数学模型，计算空间内任一点的坐标表达式，从空间坐标解析的表达式中分析系统误差的来源。并计算了系统在六个自由度上允许的最大安装倾角，以及安装高度的最大输入误差。针对系统中测距误差、角度误差、非线性误差，本文分析了误差产生的原因，并给出了相应的校正方法，提高激光测距仪的测距精度的同时，减小电机转动的角度误差，并消除扫描轨迹的枕形误差。
　　针对步进电机参考零点的不确定性，本文介绍了系统物理零点的选取依据，并给出应用于不同场合，系统快速回到零点的多种方法。针对激光测距仪多次定点测量会产生多类距离值的问题，本文采用对数据分堆处理的方法，分别计算每堆数据的均值和概率，提高距离测量的精度。对于扫描数据的处理方法，本文通过多值平均、数据裁剪、中值滤波、角度校正、速度补偿等方法，使二维扫描曲线更接近真实曲线，并且可实现对移动的物体进行三维扫描。
　　本文采用ARM+FPGA架构设计系统的扫描控制器，ARM主要用于设备间通信、数据采集与数据处理，FPGA则主要产生步进电机的控制时序，充分发挥每种器件的优势，提高了扫描系统的扫描精度，增强了设计的灵活性。本文给出了系统的软硬件实现方法，包括扫描控制器的硬件电路设计、主控制器的软件设计、电机控制时序的产生、配置软件可视化界面的设计，最后对系统进行了全面的测试，测试结果验证了理论分析的结果，而且，系统的距离测量、角度控制、扫描速度和精度、零点处理、以及飞机模型的引导效果等指标均能满足应用要求。

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第一章 绪论

1.1课题背景

1.2国内外研究现状

1.3激光扫描检测系统

1.4本文主要研究内容

第二章 激光扫描检测系统总体设计

2.1引导系统的应用场景

2.2扫描系统方案设计

2.3激光扫描系统的设计

2.4本章小节

第三章 扫描系统数学模型的建立与误差分析

3.1扫描系统的数学模型

3.2系统误差来源

3.3误差分析与校正

3.4本章小节

第四章 激光点云数据预处理

4.1扫描系统零点处理

4.2测距数据预处理

4.3扫描数据预处理

4.4本章小节

第五章 扫描系统的软硬件设计与测试

5.1扫描系统硬件结构

5.2扫描控制器电路设计

5.3扫描系统的软件设计

5.4系统测试

5.5本章小节

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果