基于TDOF的分布式激光定位系统的研究

摘要

论文系统研究了室内定位的相关技术背景，设计了一套基于测量激光短脉冲的飞行时差（Time Difference Of Flight，TDOF）的室内定位系统。该定位系统采用了半导体激光器和分布式高速激光脉冲接收器的研究方案。全面分析了该方案的工作原理和关键技术问题。并且成功研制出了实验室样机，利用样机进行了大量的系统实验。实验结果表明，研究的室内激光定位系统的主要性能指标达到了预计标准，具有高测量精度，空间可拓展性高等优点。
　　论文首先对国内外室内定位系统的相关方法进行了系统的研究和总结。在对定位功能需求分析的基础上，提出了一种高精度，高频率的室内定位方法。并且基于该方法，详细介绍使用了高斯牛顿迭代法和最小二乘法两种快速解算定位空间坐标的算法。同时，为了解决多点测量问题，设计了一套时分复用系统。
　　在系统实现部分，研制了一种高频稳定的半导体激光发射系统。讨论了半导体激光器的功率特性、光谱特性等属性，详细研究了半导体激光器驱动电路的工作原理。研制了一种脉冲激光接收系统，详细分析了脉冲激光系统的设计思路以及接收电路的设计。
　　该套定位系统以波长为905nm的脉冲半导体激光器作为激光光源，激光光源分为同步光源以及定位光源两种;使用高响应度的APD光电探测器探测激光光源的脉冲信号，光电脉触发信号冲采用了恒比定时电路提高了鉴别精度，采用TDC-GP21芯片基于触发信号计算TDOF信号，最后将TDOF信号通过串口传送到PC端使用定位算法进行定位计算。整套系统中的采用的运算芯片为性价比较高的STM32F103作为核心芯片，降低了系统的设计成本。
　　论文设计了一套对接硬件系统的定位轨迹显示软件，在定位轨迹的还原算法中系统研究了两种平滑计算轨迹的算法，通过两种平滑方式降低外界噪声以及系统误差带来的不良影响，对提出的两种方法都进行了仿真，并对仿真数据进行了分析和评估。
　　实验选取了部分待测点进行了位置定位测量，首先介绍了实验环境要求，定标实验流程等。实验结果表明，该系统的平均定位误差可优化到±6mm内，并且定位精度可以通过降低测量频率进一步的得到提高。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 激光定位技术概述

1．3 室内定位国内外研究

1．4 论文研究内容及论文结构

2 分布式激光定位系统研究

2．1 分布式激光定位原理简述

2．2 基于TDOF解算坐标算法介绍

2．2．1 高斯牛顿迭代法

2．2．2 最小二乘法

2．3 多点测量时分复用系统

2．4 本章小结

3 脉冲激光发射单元系统设计

3．1 脉冲激光发射系统分析

3．2 脉冲激光器原理

3．3 脉冲激光系统光源选型

3．4 脉冲激光器驱动电路

3．5 脉冲激光整形光学系统

3．6 脉冲激光单片机脉冲电平发生器

3．7 本章小结

4 脉冲激光接收系统模块设计

4．1 脉冲激光接收系统设计思路

4．2 光电探测器的选择

4．3 光电探测器的驱动电路

4．3．1 接受脉冲电路结构

4．3．2 脉冲接收电路的设计

4．3．3 恒比定时鉴别电路

4．4 脉冲激光接收系统TDC-GP21时差计算

4．5 脉冲激光接收系统对接单片机设计

4．5．1 单片机硬件介绍

4．5．2 单片机与TDC-GP21之间SPI通信模式介绍

4．6 本章小结

5 轨迹优化与轨迹显示

5．1 卡尔曼滤波轨迹优化

5．1．1 卡尔曼滤波的简介

5．1．2 卡尔曼滤波对应本模型的滤波方程

5．1．3 卡尔曼滤波对三种运动方式的仿真分析

5．2 滑动平均仿真实验

5．2．1 滑动平均的基本原理

5．2．2 曲线平滑度的评价

5．3 定位轨迹三维可视化显示系统

5．3．1 Microsoft Visual Studio开发环境简介

5．3．2 OpenGL图形库简介

5．3．3 开发环境配置流程

5．3．4 软件系统设计

5．4 本章小结

6 实验设计

6．1 测量时间标定实验

6．2 定位测量仿真实验

7 总结与展望

7．2 论文研究展望

参考文献

作者简介