三维激光雷达控制系统设计与实现

作     者：王宏飞 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孟松;郑凯

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：三维激光雷达 TDC-GP22 二维扫描振镜 双阈值误差补偿算法 

摘      要：激光雷达是获取目标三维(3D)空间信息最有效的方式之一,它具有波束窄、方向性强和响应速度快等特点,在机器视觉、军事侦察和地形测绘等领域有着广泛的应用前景。本文结合扫描式三维成像激光雷达的发展现状,围绕其高精度测距技术和高分辨率扫描成像技术展开研究,设计了一套三维激光雷达样机,利用该样机进行一系列的系统实验,实现了高精度、高分辨率激光扫描式三维成像。本课题研制的三维激光雷达控制系统以脉冲式激光测距原理和机械式二维扫描成像方法为核心。三维激光雷达硬件系统的发射端选择Nd:YAG高能量脉冲激光器作为激光光源,接收端利用APD光电探测器探测回波信号,扫描端采用机械式二维扫描振镜进行扫描成像,控制端以ARM Cortex-M4内核的STM32F407微控制器为核心设计了二维扫描振镜驱动电路、双阈值鉴别电路和TDC时间间隔测量电路。三维激光雷达软件系统采用Free RTOS嵌入式实时操作系统,基于双阈值误差补偿算法实现了高精度测距,基于阶梯型控制信号实现了高分辨率扫描,多任务合作完成了目标三维空间信息的获取。三维激光雷达控制系统搭建完成后,对典型目标进行了标定实验、测距实验和成像实验。实验结果表明三维激光雷达在测距范围为1-10m内的测距精度为±2cm,每帧图像的分辨率为200×200像素,水平和竖直方向的视场角均在20°左右,对典型目标成像结果清晰,达到了预先设计的指标。