汽车轮毂激光测距讲解.docx
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汽车轮毂激光测距讲解
宁波理工学院
毕业论文（设计）开题报告
题目基于MC9S12XS128单片机的汽车轮毂激光测距
姓名丁攀
学号3090433052
专业班级09自动化
（2）
指导教师胡超
分院信息技术与工程分院
开题日期2013年3月7日
第1章文献综述
基于MC9S12XS128单片机汽车轮毂激光测距
1.1 国内外激光技术的发展
激光（LightamplineationbyStimulatedemissiononofradiation），简称Laser。
随着电子技术，计算技术，激光技术和集成光学的发展,激光测距仪朝着数字化，自动化，小型轻便化方向发展。
而随着小型专用计算机的发展和应用，给激光测距仪的工作效率，测距精度和测量速度提供了发展平台。
目前，市场上的手持式激光测距仪的工作物质主要有以下几种：
工作波长为905lun和1540nm的半导体激光，工作波长为1064n-In的YAG激光。
1.2.1 我国激光技术的发展
我国第一所光学专业研究所在1957年王大珩等人在长春建立的。
王之江等人
在1961年夏，研制成功了我国第一台红宝石激光器。
此后，各种类型的固体，气体，半导体和化学激光器的研制如雨后春笋般涌现。
同时，作为具有高亮度，高方向性，高质量等优异特性的新光源,激光很快应用于各个领域范围。
如航天科工集团八三五八所研制出量程200m,数据率100Hz的激光测距仪；中科院上海光机所研制出对漫反射水泥墙的测距达100m，采用300MHz计数方式，测距精度0.5m，重复频率1KHz的便携式激光测距机；常州莱赛公司研制了作用距离200m，测距精度0.5m的测距仪。
中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作采用4M品振,线性时间放大技术，测距为1km，精度<士1m的低价，便携式半导体激光测距机。
2002年陈千颂，霍玉晶等人对激光飞行时间测距的时一间间隔测量技术，时刻判别技术以及激光相位测距的相位调制技术进行了研究。
2005年提出了一种自触发脉冲飞行时间激光测距的方法，其有效地解决了测距精度和缩短测量时间两者之间的问题。
2005年中南大学成功研制出激光平直度自动测量系统，达到国际先进水平，填补了国内的空白。
近些年对大量程的激光测距研究相对较少。
一是因为其技术已经相对成熟。
二是在测绘上一般要求量程适中且精度较高。
相位法测距既解决了量程也解决了精度的问题，即采用多种频率调制方法来最终得到测量值。
目前，相位法大量程激光测距仪能达到的量程1km-20km，最高精度：
士（5mm+1pmm×D），单次测量时间:
3s一10s。
针对现状，今后发展趋势是在保证测距精度的前提下尽可能的提高测量速度。
1.2.1 国外激光技术的发展
1960年7月，美国休斯飞机公司研制成功世界上第一台激光器红宝石激光器。
1961年该公司又研制出第一台柯达利I型激光测距仪。
1971年美国陆军首先装备了AN/GVS一3型红宝石激光测距仪。
芬兰奥鲁大学电气工程系和芬兰技术研究中心，从20世纪70年代初至今持续了近35年，研究内容和产品涉及工业，航天，海洋及机器人视觉等多方面。
90年代中期，如美国Bushnen公司推出了量程为400m的400型LD激光测距机。
Yaddaga400，1997年评其为世界100项重要科技成果之一，同年又推出了量程为50Om的800型激光测距机。
美国Lexica公司展出了实用的小型LD测距机，测量距离0.2-30m。
对于短距离测量方面，国外有许多大学，研究机构和公司也开展了研究工作，并取得很大的进步。
1.2 研究方向
激光测距是由各功能模块组合而成的高精度测量技术，在设计的时候，应考虑各方面的因素影响。
结合系统的功能指标需求，应该在经济实用的前提下，不断提高激光技术测距的性能。
我们在进行具体设计的时候应该注意以下几点：
（l）技术的成熟性及先进性
系统设计时必须采用成熟而先进的技术，使系统在今后一段时间内都处于领先地位，延长系统的生命力。
（2）系统的可靠性
数据的采集，数据的通讯都必须准确可靠，系统各部分的抗干扰、抗攻击能力要强，要求能适应各种恶劣的环境。
（3）系统的方便性
系统的构建、调试要尽可能方便，施工、安装要方便。
系统一旦发生故障，维护工作量要少。
4）要设计激光测距传感器与单片机的接口，完成激光测距的数据获取和处理；实现显示和具体应用。
1.3 进展情况
近些年来随着激光器技术的快速发展，得到了人们的关注和重视,其应用的领域十分广泛，用激光来实现测距的方法就是其中一种。
由于传统的模拟激光相位测距系统的特征，对其为了保证测量相位精度高致使技术土，电路结构复杂且重量较重不易携带。
针对以上情况本文根据课题所提出的要求，在对激光测距系统的了解基础之上，利用激光测距原理和单片机技术应用相结合，完成了相位式激光测距仪设计的理论即方案设计，指标论证，电路的硬件设计等工作。
本设计以MC9S12XS128单片机为核心，详细分析设计了一款测趾精度高，测量速度快，
性能稳定的激光相位测距仪。
1.4存在问题
目前市场上出现的测距仪己经十分成熟，包括接触式和非接触式。
对于传统测距仪来说，山于其属于接触式测距，因而实际应用不是很方便。
对于非接触式测距仪其应用范围十分广泛,如采用超声波，雷达和激光来实现。
从第一台激光器诞生开始，由于它的优质特性决定了其在各个领域中被广泛应用，本文旨在利用激光技术设计一款激光测距仪。
由于在特殊的场合安全性能不够高，使得测距仪的使用受到一定的限制。
根据自然环境及使用要求，故对激光测距仪的设计提
出较高的要求。
第2章开题报告
2.1 选题的背景和意义
激光距离传感器可用于其它技术无法应用的场合。
例如，当目标很近时，计算来自目标反射光的普通光电传感器也能完成大量的精密位置检测任务。
但是，当目标距离较远内或目标颜色变化时，普通光电传感器就难以应付了。
虽然先进的背景噪声抑制传感器和三角测量传感器在目标颜色变化的情况下能较好地工作，但是，在目标角度不固定或目标太亮时，性能的可预测性变差。
此外，三角测量传感器一般量程只限于0.5m以内。
超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体，而且由于它不是光学装置，所以不受颜色变化的影响。
但是，超声波传感器是依据声速测量距离的，因此存在一些固有的缺点，不能用于以下场合①待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合。
因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10°角以内②需要光束直径很小的场合。
因为一般超声波束在离开传感器2m远时直径为0.76cm。
③需要可见光斑进行位置校准的场合。
④多风的场合。
⑤真空场合⑥温度梯度较大的场合。
因为这种情况下会造成声速的变化。
⑦需要快速响应的场合。
而激光距离传感器能解决上述所有场合的检测。
2.2 研究的基本内容与拟解决的主要问题
（1）激光测距模块参数设置，实现特定应用的参数设置与动态调整；
（2）RS-232串口连接接口设计，通信调试；
（3）单片机硬件系统设计，实现激光测距模块的连接、显示和控制；
（4）激光测距数据与PC机串口通讯软件设计，完成完整测距功能。
首先介绍了基于MC9S12XS128单片机汽车轮毂激光测距的目的及意义，介绍了当前国内外激光测距技术发展的现状，并分析了几种广泛的激光测距的原理及方式，最终结合实际要求选取了三角法激光测距。
论文要设计MC9S12XS128单片机系统实现对激光测距模块的通信、控制和数据显示，保证距离测量的准确性和可靠性，最终实现对轮毂的测量。
2.3研究方法和技术路线
激光测距中，测量时间虽然原理，结构简单，但方法也多种，可分为直接和间接。
这些方法各有特点，分别应用于不同的测量环境和测量领域。
2.31三角法激光测距仪
三角法测距原理是当入射光与反射光构成光三角形，然后通过反射回来光束的位置来确定距离，三角法测量仪器主要由激光光源，成像透镜，光电探测器等
组成，其中最重要的组成部分是传感器。
其测量系统如图2-1所示。
图2-1三角法激光测距原理图
经聚焦后激光束垂直入射到物体的某一点，光电探测器接收其漫反射光经成像透镜形成光斑，距离变化Z引起探测器光敏面上像点位移
，该目标点的图像通过透镜汇聚到传感器上形成像点。
当物体移动时，像点也在移动。
即在己知基线长度，光源和传感器及透镜的相对位置确定的前提下，通过对光电检测器件输出的电信号进行运算处理，测量传感器上像点的位置就能准确确定被测物体距离。
这里需要注意的是只有当发射光束。
接收透镜平面受光面以及光电检测器件相交于一点时，聚焦才可以达到精确。
激光三角法测量是空间非接触测量的主要方法之一，优点在于快速，简便和精度高。
随着先进技术的发展，在复杂的三维曲面的快速测量中有着广泛的应用，
主要包括工业生产线上工件尺寸的检测和小位移精密测量。
其缺点在于受到测量
系统本身非线性误差，被测物体表面特征和环境要求等多方面的影响非常大，在
目标角度不固定或目标太亮时，其性能的可预测性变差。
此外，其一般量程只限
于0.5m以内。
2.3.2反馈发激光测距仪
反馈法测距的原理是把待测距离当作发射器和接收器之间振荡的反馈通道，再根据振荡频率与待测距离的关系，山测量频率值问接地求出待测距离。
其原理图如图2所示。
图2-2反馈发测距原理图
设光强信号周期为T，则有
（2-1）
（2-2）
（2-3）
即
（2-4）
故被测距离为
（2-5）
这种方法最早由前苏联人提出，60年代末日本的庆应大学进行了实验研究其系统的信号处理简单，只需一个MCS-51单片机应用系统就可完成频率测量。
距离计算和结果显示。
据掌握的资料，国内对反馈法的研究尚未进行反馈法测距适用于各种电磁波波源。
在反馈法测量中，主要问题是由于数字频率计有士1个字的误差导致频率值随着被测距离的增大而减小，测距的精度随着距离的增加而降低，因此反馈法测距比较适用于短程测距。
2.3.3调频连续波（FHCW）激光测距仪
调频连续波测距原理是通过发射一组频率连续可调的激光，然后根据接收到的激光频率来计算距离的。
目前采用FMCW激光测距方式测距，量程可达到18.5km，精度达到20mm，且频率惆啾率为100PHz/s（P=100000）。
频率惆啾率的高低影响精度和量程，惆啾率越高，精度越高，惆啾率越低，量程越大。
因此，在实际测量中需要考虑量程和精度平衡度问题，使量程和精度都达到要求。
FMCW的频率调制方式包括：
声光调制，开关调制，激光腔长调谐，电光调制和电源直接调制等。
探测方式包括非相干直接探测和相干光外差干涉探测。
2.3.4脉冲式激光测距仪
脉冲法测距原理是在激光器发射激光脉冲的同时启动计数器开始计数，激光脉冲遇到待测物体，产生回波，当接收道激光脉冲，终止计数器计数，则测距仪记录了激光往返的时间。
这样便可获得测距仪和被测量物体之间的距离。
其原理如图2-3所示。
图2-3脉冲测距原理图
光传播的速度为己知，设光传输的距离为L，即光脉冲往返距离为2L，若光激光往返的时间为T，则距离为
（2-6）
这种方法在测绘领域中的最早应用，其原理和结构简单，功耗小，其量程通常能达到数百米甚至数十千米，但精度只能达到士lm左右，且存在盲区大约在15m左右。
因为计数时钟与回波脉冲的相对关系是不能确定，最大误差可达到一个计数时钟周期。
为了提高测距精度，可以通过提高系统时钟频率来减少没有被剔除的结束时间所带来的误差。
不过高频电路设计的印刷板的制作难度高，成本高，所以上述方法变的不可取。
2.3.5相位式激光测距
激光测距中，测量时间虽然原理，结构简单，但方法也多种，可分为直接和间接。
这些方法各有特点，分别应用于不同的测量环境和测量领域。
本文采用的是相位式激光测距的设计方式。
相位式激光测距原理是对激光束进行调制，通过测量发射调制后的激光与接收被测物反射回的相位不同，测出相移
。
再根据调制光的波长，间接地测出激光发射往返时一间t，换算此相位延迟所代表的距离D。
如图2-4。
图2-4相位法测距原理图
设在起始时刻发射的调制光光强
（2-7）
接收时刻调制光的强度为
（2-8）
则接收与发射时刻的相位差为
（2-9）
时间差为
（2-10）
可得
（2-11）
式中，
，N为整波数，
为不足整波数的尾数。
尺长为Ls，N为整尺长，
为不足整尺的零数，故
（即Ls）称为测尺长度。
相位法激光测距测量精度可达到毫米量级,相对误差可达百万分之一。
本课题要应用于汽车轮毂的平整度测量，即要求激光测距测量速度快，精度高，仪器的结构简单，体积小。
经综合比较本课题选用即属于非合作目标相位法激光测距，适用于很多场合，有较大的市场和应用场景。
2.3.6干涉法激光测距仪
当两列具有固定相位差，相同频率，相同的振动方向或振动方向之间夹角很小的光线相互交叠时，就会产生干涉现象。
由激光器发射端发出按频率
变化的正弦调制光波，其发出的光波强度变化规律与光源的驱动变化相同。
当被称反射镜把入射光束反射回去时，需保证反射光的方向与入射光方向完全一致。
如图2-5所示。
图2-5干涉法测距原理图
经分光镜分成的反射光束S1和透射光束S2，通过固定反射镜M1和可动反射镜M2反射回来，汇合成相干光束。
当两束光叠加时，合成光强I为
（2-12）
当
时，反射光的相位差为2
的整数倍，二者叠加后I最大，出现亮条纹；当
时，两束发射光的相位相反，二者叠加后I最小，出现暗条纹。
通过沿光线方向慢慢移动反射器2，每移动一个
，变化一个周期，两束光的相位从相同到相反，出现一次亮暗光交替，则光探测器的输出信号也变化一次。
通过输出信号变化的次数n，来确定反射器2移动的距离
。
干涉法测距是精度可达微米级，利用现代电子技术还可能测定0.01个光干涉条纹，是一种经典的精密测距方法。
但该方法对环境要求高,适合于小位移的实时测量，同时只能测出反射镜的动态移动量,即适用于相对距离的测量，一般用于在高精度的实验室实验定标等,而不适于野外大地测距。
本文采用的是三角法激光测距，在MC9S12XS128单片机基础上实现对轮毂的激光测距。
2.3.7软件设计
系统加电后，对单片机初始化，主要是对控制和状态寄存器进行设置，完成处理器，定时器，时钟频率等配置。
2.3.8硬件设计
1.DC/DC转换器控制电路
2.AD输入端口
3单片机与PC串口通信
4RS-232与TTL电平转换电路
2.4研究的总体安排与进度
起始年月
进度目标要求
2012.12.05～2013.01.05
查阅文献，撰写报告和文献综述的初稿
2013.01.06～2013.03.05
对开题报告和文献综述初稿进行修改，外文翻译
2013.03.06～2013.03.15
准备PPT，设计论文研究的框架，开题报告答辩
2013.03.16～2013.04.15
论文内容设计、电路各部分调试，软件初步设计；完成系统分析设计和原型开发
2013.04.16～2013.05.15
软件设计，完成系统功能；系统实现与集成，系统测试；建立完整、详细的技术文档
2013.05.16～2013.06.10
论文的撰写与整理，提交毕业论文，答辩
表2-1
2.5参考文献：
[1]施金钗，相位式半导体激光测距关键技术的研究.学位论文.2008
[2]丁燕，相位法激光测距仪设计及其关键技术研究【D】上海:
同济大学硕论文,2007
[3]MC9S12XS128单片机简介
[4]浦昭邦，光电测试技术【M】机械工业业出版社，2005，174一191
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AneyesafeLaserRangefinderforarmoredvehieleFireeontrolsystem.SPIE1991.Vol1429:
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大功率半导体激光器驱动电源的设计。
应用激光.2002,20（6）:
257～260
[8]刘微微，便携式短程激光测距仪部分关键电路的设计与研究【D】，黑龙江哈尔滨：
哈滨工业大学硕士论文，2007
[9]张处武,胡学同.精密相位激光测距仪的设计.激光杂志.1998,19（6）：
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[10]赵大龙,陈千颂.脉冲激光测距漂移误差的研究.中国激光.2004,31（9）：
1112～1116
[11]张慧.提高相位激光测距精确度的研究[J].精密制造与白动化.2000
第3章外文翻译
使用激光测距测量太空碎片
Zhong-PingZhang，Fu-MinYang，Hai-FengZhang，Zhi-BoWu，Ju-PingChen，PuLi，Wen-DongMeng
1中国科学院上海天文台,中国科学院,中国上海200030；zzp@
2太空目标与碎片观测重点实验室,中国科学院,中国南京210008
摘要对于所有国家来说，当前活跃在太空中的太空碎片仍是一个棘手问题。
采用高精度测量技术将有助于产生一个可靠的准确的目录太空碎片碰撞。
激光测距是一种实时测量技术对太空碎片的观测精度高。
2008年7月的第一个太空碎片的激光测距实验在中国上海天文台与测距精度约60-80厘米。
实验结果表明，射程为900公里的目标返回信号是相当强的，使用10ns的脉冲宽度在532nm波长的激光功率为40W（2J在20Hz）。
初步的激光测距系统，并在2008年和2010年观测到的结果的表现进行了介绍。
关键字：
天体测量，太空碎片，激光测距，观察报告
1引言
中国已经推出了许多航天器和20世纪70年代以来，已经产生了一些太空碎片。
它也是一个国际的成员（机构间空间碎片协调委员会）。
因此，有必要注重中国注与国际社会的合作，以减少空间碎片可能造成的损害，并制定高精度的测量技术类型，可靠且准确的太空碎片编目。
激光测距是一种实时测量技术且对太空碎片的观测精度高。
2002年10月，在第13届国际激光测距研讨会上，本·格林提交了一份名为“激光跟踪太空碎片”的报告，并宣布，使用孔径为76厘米高功率激光望远镜可以跟踪大小为15厘米距离为1250公里的太空碎片（Greene等人，2002）。
在最近几年，只有少数几个国家进行了太空碎片的激光测距技术的研究。
中国的太空碎片的激光测距项目得到中国航天局的支持在上海天文台进行。
在2006年，激光测距系统对太空碎片初步实验在上海卫星激光测距（SLR）站进行，使用了60厘米孔径的望远镜。
该系统的主要目标是发展太空碎片的激光测距的关键技术。
在2008年7月测试和升级后，国内研究所从一个距离超过900公里废弃的苏联火箭（编号17912）和美国火箭（编号30778）上获得了功率为40W的激光返回。
之后，在2010年，该实验系统进行了改进，获得了几次精度为50-70厘米太空碎片的激光测距结果。
本文给出了初步的实验系统，测量结果和数据分析。
2高精度排列的激光系统的性能
中国科学院在上海天文站进行了卫星激光测距实验。
图1展示了空间碎片激光测距系统的结构，包括轨道预测，控制系统，大功率激光器，激光束传输系统，望远镜座跟踪系统，高精度计时系统，返回探测和接收系统。
图2展示观察室，跟踪望远镜和电子控制室。
装配有反射器的卫星经常没测量到。
接受望远镜和发射器的孔径分别是60cm和20cm。
按α方位安装，并直接由马达驱动。
卫星校准后的望远镜的指向精度是大约5英寸。
图3展示的是40W的Nd:
YAG激光器的框图，以及图4示出的照片，内视图和激光束通过的发射机射向天空。
Nd:
YAG激光系统中有10根激光棒。
从两个激光棒内的振荡器的输出被分成两束，然后进到放大器的单元分别是1和2。
从两组放大器单元的输出传递的频率倍增器，然后结合成一个光束用于测距。
检测器和时间间隔接收器的操作和卫星激光测距相同。
由于太空碎片的不规则和激光脉冲宽度，太空碎片的尺寸低于常规的卫星激光测距。
捷克技术大学提供了单光子的灵敏度和30ps的定时精度单光子雪崩光电二极管检测器。
拉脱维亚里加大学（Artyukh2001年Artyukh等，2008）制作的时序精度为10ps的事件定时器用来测量时间间隔。
图1太空碎片激光测距系统结构图
图2上海卫星激光测距站，望远镜和电子控制室
图3功率为40W的Nd：
YAG的光发射器。
1：
HR反射镜;2：
E-Q开关;
3：
偏光片4：
YAG棒;5：
输出镜;6：
隔离器;7：
补偿器;8：
反射镜;9倍频器;10：
光电耦合器;11：
影像镜头。
图440W激光器的内视图和激光束。
（a）40W激光器；（b）内视图；（c）激光射向天空
3回归分析检测到的激光雷达方程
预计从2米直径的位于800公里之外的目标返回的信号强度可以粗略估计由下面的公式（Degnan1993年）：
，
（1）
其中
是由检测器接收到的光电子的平均数目；
是波长为532nm的激光；
是量子功率为0.2的检测器；h是普朗克常数=
J·S；光速c=299792458m/s；Et是2J的激光脉冲能量；Ar是接受望远镜的有效面积0.251平米；
是目标表面的反射率=0.16；S是反射目标的有效面积。
等效半径为1m，
；假设目标是球形
；
是望远镜发射的激光束12弧度/秒；R是800公里以内的目标；T为大气传输，在海拔为30度是T=0.6；Kt=0.6是光发射的效率；Kr=0.6是光接受的效率；
是受大气影响的衰减系数=13dB。
我们发现
（光电子）
用单光子的灵敏度由C-SPAD检测器的检测的概率可以估算
（2）
因此，从理论上说，我们可能会得到12次观测时间间隔为5秒，20赫兹的返回激光。
4太间碎片的观测结果在上海天文台
安装40W功率的激光后，我们建立了控制和测距接口和软件，用于实验。
2008年7月我们首次从被丢弃的苏联火箭弹编号17912（639×611公里）和美国火箭弹编号30778（541×499公里上得到了空间碎片的反射激光。
在图5中，横轴是时间轴，垂直轴是观察值和预计值在范围内的误差。
中线的中央点的激光返回，和其他各点是来自检测器的噪声和背景。
图6示出了每个传递在范围内变化;水平轴是一天内的每一秒，垂直轴是空间碎片的范围。
在测量中获得的最大范围为936公里。
图7显示的是2008年7月7号来自编号17912火箭的激光返回的统计信息。
横轴是每5秒一次计数，垂直轴是返回数。
激光接收率是7％左右。
结果表明，当望远镜跟踪最好的时候每5秒得到的数值为10～14，返回信号的强度和理论估计大体一致。
图5从太空碎片返回的激光（a）2008年7月丢弃的苏联火箭（编号17912）（b）2008年美国丢弃的火箭（编号30778）
图6获得的太空碎片的数据
在2010年的上海卫星激光测距站更新了太空碎片的激光测距实验系统，包括采用一个更好，更稳定的高功率激光（1J在10Hz，输出功率10W，波长为532纳米）。
这改善了
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