基于PSD的目标空间位置与姿态测量系统研究与设计

摘要

目标空间位置及姿态的测量在军事，科研，航空航天领域有着非常重要的应用。传统目标空间位置姿态测量主要依赖于惯性导航系统，GPS，激光雷达，CCD摄像等技术，然而这些技术在获取目标空间位姿的过程中均有精度低，系统响应速度慢，数据处理复杂等缺点。 为了弥补传统目标空间位置姿态测量中的不足，本文提出了基于位置敏感探测器（PSD）的单目视觉测量目标空中位置姿态的方法。该方法主要采用在被测目标上安装多个特征光点，利用PSD快速测定每个特征光点的位置信息，继而通过姿态解调算法解算出目标的空间位置及姿态。 本文的研究内容主要包括以下几个方面： 1、根据系统所要求功能和技术指标，提出了基于单目PSD的空间位姿测量方案，并完成了系统总体设计。 2、分析了PSD的探测特性及被测目标的运动特征，研究了单目PSD探测目标空间位置姿态算法。即通过PSD探测得到被测目标上放置的多个特征光点位置信息，用以完成目标空间位置及姿态的求解。 3、分析了系统光学特性和探测要求，选定了PSD的型号，设计了光电探测单元，实现了利用PSD对目标光点位置信号的快速精确探测。 4、设计了基于ARM和USB的嵌入式控制系统，编写了上位机及下位机相关程序代码。 5、搭建了空间目标位置姿态测试的模拟实验系统，测试了系统稳定性及精度。其中系统响应速度高达1μs，20m探测距离处90%置信区间为[-22.05mm,22.5mm]，标准偏差低于12.25mm。实验结果表明，该系统能有效探测目标空间位置与姿态变化。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1．SINS/GPS位姿探测技术

2. 激光雷达位姿检测系统

3. 双目CCD位姿检测技术

4. 单目CCD位姿检测技术

1.2 基于PSD探测系统的研究及发展现状

1.2.1 PSD国内外发展现状

1.2.2 PSD具体应用领域

1.3 PSD测量中去除环境背景方法概述

1.4 本文工作内容与创新点

第2章 基于PSD测量空间物体位姿系统原理和方案设计

2.1 基于PSD空间位姿探测系统设计要求

2.2 PSD基本工作特性概述

2.2.1 PSD的工作原理

2.2.2 PSD的基本结构

2.2.3 PSD的性能指标

2.3 基于多特征点获取目标空间位置姿态理论模型

2.3.1目标像空间中心位置求解

2.3.2透镜放大率解调模块

2.3.3 位姿解调模块

2.4 位姿测量系统总体设计方案

2.5 本章小结

第3 章 目标位姿指示单元及位置检测单元设计

3.1 目标指示单元设计

3.1.1 特征光点LED的选取

3.1.2 脉冲时序发生器

3.1.3 供电系统

3.2光电检测单元设计

3.2.1 光电探测器的选取

3.2.2 光学镜头的选型

3.2.3 窄带滤波片的选型

3.2.4 信号预处理电路

3.2.5 数字前置处理电路

3.3本章小结

第4章 数字信号处理与逻辑控制单元设计

4.1 逻辑控制与数据传输模块

4.1.1 ARM控制子模块

4.1.2 USB控制子模块

4.2 采集触发模块

1） 总光强检测模块

2）比较电平发生模块

3）阈值电压设置模块

4.3 CPLD时序控制模块

4.3.1 ADC写时序控制

4.3.2 AD读时序控制

4.3.3 FIFO读写时序控制

4.4 上位机软件模块

4.5 本章小结

第5章 实验与误差分析

5.1 光电探测单元响应速度实验

5.2 LED面板位姿探测实验

5.2.1 系统稳定性实验

5.2.2 系统精度测试实验

5.2.3 目标位姿测量实验

5.3 误差分析

1） 光源稳定性

2） PSD非线性及信号处理电路

3） 被测物体移动位置误差

4）温度对探测系统影响

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参与科研情况说明

致谢