CN105467375A - 一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率的稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率的稳定方法，该方法采用光电转换输出电路准确快速的输出后继光路斩光盘的频率，相比于电机霍尔传感器输出的转速电压信号更加准确可靠；同时，通过控制计算机针对斩光盘系统的特性，进行电压输出控制，可有效降低后继光路斩光盘系统的时滞特性，兼具快速性、准确性和稳定性，同时具有良好的动态和静态特性；同时，通过控制计算机进行相关计算和结果显示，每一环节的中间结果可随时保存和回放显示。

Description

一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率的稳定方法

技术领域

本发明涉及激光雷达的技术领域，尤其涉及一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率的稳定方法。

背景技术

近几十年来，激光雷达越来越广泛的用于大气参数和大气成分的探测。为了获得远场很弱的回波信号，在激光大气探测中，通常采取增加激光发射功率和增加接收望远镜面积的方法。而这两种手段给激光雷达带来的问题是，近场回波信号很强，激光雷达系统探测的动态范围不够，很难进行探测。目前，在激光雷达系统中广泛使用的是通过光电倍增管的电子门控信号来抑制近场强回波信号，门控的主要作用是外加TTL电平，使得光电倍增管的高压信号不加到倍增管光电阴极和各放大级，从而光电效应轰击产生的电子没有得以放大形成流通输出到倍增管阳极。这种方法一定程度抑制了近场强回波信号产生的光电子的影响。但是此方法存在的主要缺陷是近场强回波信号仍然辐射在光电倍增管的光电阴极上，没有根本上阻止近场强回波信号到达阴极材料，光电阴极光电材料的眩晕效应影响其实仍然存在。眩晕效应对于回波信号的影响距离很难在数值上进行估计，近场信号越强，其影响距离越长。因此，为了解决激光雷达近场强回波信号的根本抑制问题，通常利用高速旋转的机械斩光盘片来按一定时序关系阻挡近场强回波信号。

我们在自主研制的臭氧激光雷达系统中使用激光雷达多通道接收光路高速斩光装置过程中，发现长时间内，由于多种环境因素和电机控制电压的抖动，斩光盘的输出频率存在较大抖动，最大可能达到几Hz。而较大的频率抖动会导致激光雷达的回波信号过渡区间高度(指信号开始打开到完全打开)的前移或后推，这直接引起回波信号的有效起始高度的较大变化，为减少频率抖动对激光雷达回波信号的影响，对斩光盘的输出频率进行稳定尤为必要。而目前，缺乏对斩光盘输出频率进行稳定的相关研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率的稳定方法，以克服多种环境因素和控制电压抖动引起的后继光路斩光盘输出频率的较大抖动，从而保证激光雷达回波信号起始高度的稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率的稳定方法，包括：

利用控制计算机根据预先设定参考频率以及脉冲计数器输出的脉冲频率信号控制可编程稳压电源输出指定的直流电压；

利用电机驱动器根据可编程稳压电源输出的直流电压输出高扭矩高转速驱动电机旋转所需的相序电压，以及监测所述高扭矩高转速驱动电机中霍尔传感器返回的速度控制信号，方向控制信号和制动控制信号，形成第一层闭环控制；

利用高扭矩高转速驱动电机驱动斩光盘片按照一定的速度旋转；其中，所述高扭矩高转速驱动电机内部封装有霍尔传感器，用于形成与电机驱动器的闭环控制；所述斩光盘片固定在所述高扭矩高转速驱动电机的转轴上，所述斩光盘上带有多个槽口，用于切割激光雷达中接收望远镜的回波信号以及切割光电转换触发输出电路；

利用光电转换触发输出电路输出代表斩光盘片转动速度的脉冲频率信号，供所述脉冲计数器读取以及产生激光雷达所需的主同步时钟信号，所述主同步时钟信号分频后同步激光雷达系统中其他部件；

利用脉冲计数器将脉冲频率信号传输至所述控制计算机，形成第二层闭环控制。

进一步的，该方法还包括：

利用开关电源供给电机驱动器所需的电源电压。

进一步的，所述利用控制计算机根据预先设定参考频率以及脉冲计数器输出的脉冲频率信号控制可编程稳压电源输出指定的直流电压包括：

预先设定参考频率；

读取脉冲计数器输出的脉冲频率信号；

比较脉冲计数器输出的脉冲频率信号与参考频率之间的大小，并判断二者的偏差大小是否在预定范围内；

若在预定范围内，则不做电压调整，由控制计算机控制可编程稳压电源输出与上一周期相同数值的直流电压；

若不在预定范围内，则通过PID控制算法计算出相应的电压数值，并由控制计算机控制可编程稳压电源输出所计算出电压数值的直流电压。

进一步的，所述控制计算机还显示所设定的参考频率、脉冲计数器输出的脉冲频率信号以及比例积分微分控制模块的判断与计算结果；

以及，存储预先设定的参考频率、读取到的脉冲频率信号及通过PID控制算法计算出相应的电压数值。

进一步的，通过PID控制算法计算出相应的电压数值的公式为：

$u\left(t\right)=k_c\[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{1}e\left(t\right)dt+T_d\frac{de\left(t\right)}{dt}\];$

其中，u(t)为计算出的电压数值；e(t)＝r(t)-y(t)，r(t)为参考频率，y(t)为脉冲计数器输出的脉冲频率信号；T_i为积分时间，T_d为微分时间，k_c为比例增益。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用光电转换输出电路准确快速的输出后继光路斩光盘的频率，相比于电机霍尔传感器输出的转速电压信号更加准确可靠；同时，通过控制计算机针对斩光盘系统的特性，进行电压输出控制，可有效降低后继光路斩光盘系统的时滞特性，兼具快速性、准确性和稳定性，同时具有良好的动态和静态特性；同时，通过控制计算机进行相关计算和结果显示，每一环节的中间结果可随时保存和回放显示。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的实现激光雷达后继光路斩光盘输出频率的稳定方法的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的控制计算机的示意图；

图3为本发明实施例提供的控制计算机的工作流程图；

图4为本发明实施例提供的装置启动到输出频率稳定一段时间的斩光盘输出频率的结果示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率的稳定方法，该方法主要包括：

利用控制计算机根据预先设定参考频率以及脉冲计数器输出的脉冲频率信号控制可编程稳压电源输出指定的直流电压；

利用电机驱动器根据可编程稳压电源输出的直流电压输出高扭矩高转速驱动电机旋转所需的相序电压，以及监测所述高扭矩高转速驱动电机中霍尔传感器返回的速度控制信号，方向控制信号和制动控制信号，形成第一层闭环控制；

利用高扭矩高转速驱动电机驱动斩光盘片按照一定的速度旋转；其中，所述高扭矩高转速驱动电机内部封装有霍尔传感器，用于形成与电机驱动器的闭环控制；所述斩光盘片固定在所述高扭矩高转速驱动电机的转轴上，所述斩光盘上带有多个槽口，用于切割激光雷达中接收望远镜的回波信号以及切割光电转换触发输出电路；

利用光电转换触发输出电路输出代表斩光盘片转动速度的脉冲频率信号，供所述脉冲计数器读取以及产生激光雷达所需的主同步时钟信号，所述主同步时钟信号分频后同步激光雷达系统中其他部件；

利用脉冲计数器将脉冲频率信号传输至所述控制计算机，形成第二层闭环控制。

本发明实施例中，还利用开关电源供给电机驱动器所需的电源电压。

本发明实施例中，控制计算机控制可编程稳压电源输出指定的直流电压的过程如下：

预先设定参考频率；

读取脉冲计数器输出的脉冲频率信号；

比较脉冲计数器输出的脉冲频率信号与参考频率之间的大小，并判断二者的偏差大小是否在预定范围内；

若在预定范围内，则不做电压调整，由控制计算机控制可编程稳压电源输出与上一周期相同数值的直流电压；

若不在预定范围内，则通过PID控制算法计算出相应的电压数值，并由控制计算机控制可编程稳压电源输出所计算出电压数值的直流电压。

本发明实施例中，所述控制计算机还显示所设定的参考频率、脉冲计数器输出的脉冲频率信号以及比例积分微分控制模块的判断与计算结果；

以及，存储预先设定的参考频率、读取到的脉冲频率信号及通过PID控制算法计算出相应的电压数值。

本发明实施例中，前述的通过PID控制算法计算出相应的电压数值的公式为：

$u\left(t\right)=k_c\[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{1}e\left(t\right)dt+T_d\frac{de\left(t\right)}{dt}\];$

其中，u(t)为计算出的电压数值；e(t)＝r(t)-y(t)，r(t)为参考频率，y(t)为脉冲计数器输出的脉冲频率信号；T_i为积分时间，T_d为微分时间，k_c为比例增益。

为了便于理解，下面结合附图1-3对本发明做进一步介绍。

如图1所示，为实现上述方法的装置结构，其主要包括：控制计算机1、可编程稳压电源2、开关电源3、电机驱动器4、高扭矩高转速驱动电机5、斩光盘片6、光电转换触发输出电路7及脉冲计数器8；其中：

所述控制计算机1，用于根据预先设定参考频率以及脉冲计数器输出的脉冲频率信号控制可编程稳压电源2输出指定的直流电压；

所述可编程稳压电源2，用于根据所述控制计算机1的串口指令向电机驱动器4输出指定的直流电压；

所述开关电源3，用于供给电机驱动器4所需的电源电压；

所述电机驱动器4，用于输出所述高扭矩高转速驱动电机5旋转所需的相序电压，以及监测所述高扭矩高转速驱动电机5中霍尔传感器返回的速度控制信号，方向控制信号和制动控制信号，形成第一层闭环控制；

所述高扭矩高转速驱动电机5，用于在运转状态下驱动斩光盘片6按照一定的速度旋转；所述高扭矩高转速驱动电机5内部封装有霍尔传感器，用于形成与电机驱动器4的闭环控制；

所述斩光盘片6固定在所述高扭矩高转速驱动电机5的转轴上，所述斩光盘6上带有多个槽口，用于切割激光雷达中接收望远镜的回波信号(抑制近场强回波信号)以及切割光电转换触发输出电路7；所述光电转换触发输出电路7即为发光管和光敏管电路，其输出的结果代表斩光盘的转动速度的脉冲频率信号；

光电转换触发输出电路7，用于输出代表斩光盘片6转动速度的脉冲频率信号，供所述脉冲计数器8读取以及产生激光雷达所需的主同步时钟信号，所述主同步时钟信号分频后同步激光雷达系统中其他部件；

所述脉冲计数器8，用于将脉冲频率信号传输至所述控制计算机1，形成第二层闭环控制。

本发明实施例中，脉冲计数器通过串口将激光雷达后继光路斩光盘实际输出的频率信号传输给控制计算机，在控制计算机上安装有自主开发的比例积分微分(PID)控制程序，控制程序一方面采集脉冲计数器串口端口的频率数值，另一方面根据历史频率数值、当前频率数值和控制对象大口径斩光盘片的延时响应特性，通过比较当前频率和设置的目标频率的差别，有PID控制算法计算输出给可编程稳压电源一个调整电压值，从而控制激光雷达后继光路斩光盘输出频率。此过程不断进行，达到长时间稳定后继光路斩光盘输出频率的效果。具体来说：

如图2所示，所述控制计算机主要包括：

参数设置模块，用于预先设定参考频率；

数据读取模块，用于读取脉冲计数器输出的脉冲频率信号；

比例积分微分控制模块，用于比较脉冲计数器输出的脉冲频率信号与参考频率之间的大小，并判断二者的偏差大小是否在预定范围内；若在预定范围内，则不做电压调整，由控制计算机控制可编程稳压电源输出与上一周期相同数值的直流电压；若不在预定范围内，则通过PID控制算法计算出相应的电压数值，并由控制计算机控制可编程稳压电源输出所计算出电压数值的直流电压；

所述数据显示及实验人员控制面板，用于显示所设定的参考频率、脉冲计数器输出的脉冲频率信号以及比例积分微分控制模块的判断与计算结果；

数据记录存储模块，用于存储参数设置模块、数据读取模块与比例积分微分控制模块工作时所产生的数据。

所述控制计算机的工作流程如图3所示，参考频率设定并启动后，系统不断读取频率数据，进行比较分析，若此时频率在允许范围内系统会继续下一个读取周期，若不在允许范围内则通过PID控制算法计算出相应的电压数值。

本发明实施例中，通过PID控制算法计算出相应的电压数值的公式为：

$u\left(t\right)=k_c\[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{1}e\left(t\right)dt+T_d\frac{de\left(t\right)}{dt}\];$

其中，u(t)为计算出的电压数值；e(t)＝r(t)-y(t)，r(t)为参考频率，y(t)为脉冲计数器输出的脉冲频率信号；T_i为积分时间，T_d为微分时间，k_c为比例增益。

激光雷达后继光路斩光盘系统有其自身特性，频率稳定方法控制系统参数的调整需结合控制对象特性进行，上述公式中所述的所有参数都可以针对系统的变化通过控制软件人为设定，系统的具体参数都可在计算机屏幕上显示和更改，操作人员可以方便操作改变系统的数据。

另外，还基于本发明实施例的上述方案进行了实验，该实验中记录了上述装置启动到输出频率稳定一段时间的斩光盘输出频率的结果，如图4所示，从图4中可以看出，频率基本稳定在±0.075Hz范围内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率的稳定方法，其特征在于，包括：

利用控制计算机根据预先设定参考频率以及脉冲计数器输出的脉冲频率信号控制可编程稳压电源输出指定的直流电压；

利用电机驱动器根据可编程稳压电源输出的直流电压输出高扭矩高转速驱动电机旋转所需的相序电压，以及监测所述高扭矩高转速驱动电机中霍尔传感器返回的速度控制信号，方向控制信号和制动控制信号，形成第一层闭环控制；

利用高扭矩高转速驱动电机驱动斩光盘片按照一定的速度旋转；其中，所述高扭矩高转速驱动电机内部封装有霍尔传感器，用于形成与电机驱动器的闭环控制；所述斩光盘片固定在所述高扭矩高转速驱动电机的转轴上，所述斩光盘上带有多个槽口，用于切割激光雷达中接收望远镜的回波信号以及切割光电转换触发输出电路；

利用光电转换触发输出电路输出代表斩光盘片转动速度的脉冲频率信号，供所述脉冲计数器读取以及产生激光雷达所需的主同步时钟信号，所述主同步时钟信号分频后同步激光雷达系统中其他部件；

利用脉冲计数器将脉冲频率信号传输至所述控制计算机，形成第二层闭环控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

利用开关电源供给电机驱动器所需的电源电压。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用控制计算机根据预先设定参考频率以及脉冲计数器输出的脉冲频率信号控制可编程稳压电源输出指定的直流电压包括：

预先设定参考频率；

读取脉冲计数器输出的脉冲频率信号；

比较脉冲计数器输出的脉冲频率信号与参考频率之间的大小，并判断二者的偏差大小是否在预定范围内；

若在预定范围内，则不做电压调整，由控制计算机控制可编程稳压电源输出与上一周期相同数值的直流电压；

若不在预定范围内，则通过PID控制算法计算出相应的电压数值，并由控制计算机控制可编程稳压电源输出所计算出电压数值的直流电压。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述控制计算机还显示所设定的参考频率、脉冲计数器输出的脉冲频率信号以及比例积分微分控制模块的判断与计算结果；

以及，存储预先设定的参考频率、读取到的脉冲频率信号及通过PID控制算法计算出相应的电压数值。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，通过PID控制算法计算出相应的电压数值的公式为：

$u\left(t\right)=k_c\[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{1}e\left(t\right)dt+T_d\frac{de\left(t\right)}{dt}\];$

其中，u(t)为计算出的电压数值；e(t)＝r(t)-y(t)，r(t)为参考频率，y(t)为脉冲计数器输出的脉冲频率信号；T_i为积分时间，T_d为微分时间，k_c为比例增益。