CN115616539B - 脉冲式测距系统误差的补偿系统和补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脉冲式测距系统误差的补偿系统和补偿方法，脉冲式测距系统误差的补偿系统包括电脑端、移动小车、移动小车直轨道、配合目标物、测距平台以及光能量调节装置；测距平台包括光发射装置和光接收装置；测距平台或者配合目标物设置在移动小车上，移动小车连接有移动小车驱动装置；光能量调节装置包括连续衰减滤光片、光栅、光栅检测元件。本发明根据产品自身的光机电特性，选取理论特征点进行误差校准，通过固定配合目标物移动测距平台或固定测距平台移动配合目标物的方式来改变测试距离，通过对理论特征点测距误差的测定来对全量程误差分段线性地补偿，以达到提升全量程测距精度的目的。

Description

脉冲式测距系统误差的补偿系统和补偿方法

技术领域

本发明属于脉冲式测距系统技术领域，尤其是涉及脉冲式测距系统误差的补偿系统和补偿方法。

背景技术

脉冲式测距系统是通过对发射光源叠加特定频率，使发射光以特定脉冲的形式对外发射，计算光从发射到返回之间的时间从而得到目标物的距离。因此时间测量对于脉冲式测距系统来说是最为核心的一个环节。由于光的飞行速度特别快，所以发射光脉冲和接收光脉冲之间的时间间隔非常小。对于精密测量的应用场合时，要求脉冲式测距系统测量时间间隔的分辨率高达皮秒级。

公告号为CN109633672A的中国专利文献公开了“脉冲式激光测距系统及其测距方法”， 脉冲式激光测距方法，由发射装置发射时域上连续、频域上能够叠加的高斯脉冲信号用于激光测距，通过测量光波发出到回波被接受之间的时间差来测量距离。使用时域上连续、频域上能够叠加的高斯脉冲信号为测距光波信号，使得内光路和外光路上的回波信号可以在同一个接收装置中被顺次接收。

上述“脉冲式激光测距系统及其测距方法”存在以下问题：光电转换延时（发射光时电转光、接收光时光转电）、底层信号波形失真畸变（光电处理电路自身电器噪声、回光信号中的环境杂光影响、高频电路中的电器辐射）、内部光学串扰（机芯本体内壁反射）、信号放大器（放大电路）非线性等问题，导致测距结果与真实距离误差大，全量程误差分布呈非线性，误差没有统一的规律。

发明内容

本发明旨在解决以下技术问题：现有技术的脉冲式激光测距系统测距结果与真实距离误差大，全量程误差分布呈非线性，误差没有统一的规律。

本发明提供一种脉冲式测距系统误差的补偿系统和补偿方法，根据产品自身的光机电特性，选取理论特征点进行误差校准，通过固定配合目标物移动测距平台或固定测距平台移动配合目标物的方式来改变测试距离，通过对理论特征点测距误差的测定来对全量程误差分段线性地补偿，以达到提升全量程测距精度的目的。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

脉冲式测距系统误差的补偿系统，包括电脑端、移动小车、移动小车直轨道、配合目标物、测距平台以及光能量调节装置；所述测距平台包括光发射装置和光接收装置，所述光发射装置发射的光射向配合目标物，配合目标物反射的光被所述光接收装置接收；所述测距平台或者所述配合目标物设置在所述移动小车上，所述移动小车连接有移动小车驱动装置，电脑端控制所述移动小车驱动装置以驱动所述移动小车沿移动小车直轨道移动，使得所述测距平台/配合目标物相对于所述配合目标物/测距平台的距离发生改变；所述光能量调节装置包括连续衰减滤光片、光栅、光栅检测元件，所述连续衰减滤光片设置在光发射装置至配合目标物的发射光路上或者配合目标物至光接收装置的接收光路上，所述连续衰减滤光片的光密度沿周向连续衰减，所述连续衰减滤光片连接有连续衰减滤光片旋转装置，电脑端控制所述连续衰减滤光片旋转装置以驱动所述连续衰减滤光片旋转，经过所述连续衰减滤光片衰减后的光被所述光栅接收，所述光栅检测元件用于检测光栅数据以识别所述连续衰减滤光片的转动角度；所述电脑端连接所述移动小车驱动装置获取目标物距离值，所述电脑端连接所述光接收装置获取回光信号能量值，所述电脑端连接所述光栅检测元件获取所述连续衰减滤光片的转动角度。

作为一种优选的技术方案，所述配合目标物设有若干个，若干个配合目标物沿垂直于所述移动小车直轨道的方向设置，所述配合目标物连接有配合目标物切换装置，所述电脑端控制所述配合目标物切换装置以驱动所述配合目标物沿垂直于所述移动小车直轨道的方向移动。

作为一种优选的技术方案，所述配合目标物设置在移动小车上，所述配合目标物切换装置包括步进电机驱动器一、步进电机一和传动丝杆，所述配合目标物底部固定连接有移动滑台，所述移动滑台与传动丝杆配合传动，所述移动小车上还设有单片机控制板和无线信号收发器一，所述电脑端连接有无线信号收发器二，电脑端连接无线信号收发器二，无线信号收发器二与无线信号收发器一之间无线通信，无线信号收发器一连接单片机控制板，单片机控制板连接步进电机驱动器一，步进电机驱动器一连接步进电机一，步进电机一连接传动丝杆。

作为一种优选的技术方案，所述配合目标物包括用于模拟良好测试条件的93%-97%漫反射率柯达白板、用于模拟不良测试条件的6%-10%漫反射率柯达灰板、用于模拟高反射率目标物的3M钻石级反光贴，93%-97%漫反射率柯达白板、6%-10%漫反射率柯达灰板、3M钻石级反光贴沿垂直于所述移动小车直轨道的方向设置。

作为一种优选的技术方案，所述移动小车上还固定设有若干个反射式光耦传感器一，所述移动滑台固定连接有光耦挡片，对应的配合目标物移动至光反射位置时所述光耦挡片遮挡对应的反射式光耦传感器一，所述反射式光耦传感器一连接所述单片机控制板。

作为一种优选的技术方案，所述测试平台连接有水平旋转微调台和上下俯仰微调台，所述水平旋转微调台连接所述上下俯仰微调台，所述上下俯仰微调台连接所述测试平台。

作为一种优选的技术方案，所述连续衰减滤光片旋转装置为步进电机三，所述步进电机三、光栅检测元件连接有步进电机驱动器三，所述步进电机驱动器三连接所述电脑端，所述电脑端控制步进电机三连续或点动旋转。

作为一种优选的技术方案，所述移动小车包括底盘，所述底盘包括轮子、底板、轴承座、轴承、车轴、传动齿轮组、步进电机二和步进电机驱动器二，所述步进电机二设置在所述底板底部，所述单片机控制板连接所述步进电机驱动器二，所述步进电机驱动器二连接所述步进电机二，所述步进电机二连接所述传动齿轮组，所述传动齿轮组连接所述车轴以驱动车轴转动，所述车轴固定连接所述轮子，所述轴承座固定设置在所述底板底部，所述轮子与所述轴承座通过所述轴承转动连接。

基于上述的脉冲式测距系统误差的补偿系统，本发明还提供一种脉冲式测距系统误差的补偿方法，包括：

1、通过旋转连续衰减滤光片模拟同类型不同测试目标物的回光能量强度变化，测试同一距离、不同回光能量强度下的测距误差，建立特定的回光能量强度与测距误差的对应关系；

2、通过移动小车移动配合目标物改变测试距离，调节连续衰减滤光片使回光能量强度保持不变，测试不同距离、同一回光能量状态下的测距误差，建立特定的目标物距离与测距误差的对应关系；

3、通过移动小车移动配合目标物改变测试距离，调节连续衰减滤光片至全透状态，测试同一目标物在不同距离点的误差，建立特定的目标物距离、回光能量强度、测距误差三者的对应关系；

4、通过配合目标物切换装置切换配合目标物，重复上述3种测试过程，得到对应的目标物距离、回光能量强度、测距误差之间的对应关系。

采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：

一.通过本误差补偿系统，可以比较密集地做以上这些测试，抓取全程实际测距误差；得到的相关曲线P-D（回光能量强度与测试距离）、Ds-D（测距误差与测试距离）、Ds-P（测距误差与回光能量强度），可在不改变测距系统光学结构、不改变电子方案硬件的前提下，用软件算法对测距误差进行补偿修订，可以精准的补偿脉冲式测距系统的测距误差，大幅度提高脉冲式测距系统的测量精度。

二.因本误差补偿系统实现了自动化闭环控制，与传统的人工方式相比，单次测试过程具有更好的稳定性和准确性，多次测试过程之间具有更好的一致性，补偿完成后的产品一致性也大幅度得到提升。

3.通过批量复制本误差补偿系统，可以实现单人同时操作多套系统，从而大幅度提升人工效率、降低人工成本。

附图说明

图1为脉冲式测距系统误差的补偿系统的结构示意图；

图2为移动小车、移动小车直轨道、测距平台的布置结构示意图；

图3为移动小车的结构示意图；

图4为配合目标物切换装置的结构示意图；

图5为移动小车的底盘的结构示意图；

图6为测距平台的结构示意图；

图7为光能量调节装置的结构示意图；

图中：

1-电脑端；2-移动小车；3-移动小车直轨道；4-测距平台；。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。

如图1-2所示，脉冲式测距系统误差的补偿系统，包括电脑端1、移动小车2、移动小车直轨道3、测距平台4。

如图3所示，移动小车2上设有配合目标物切换装置5和若干配合目标物6。移动小车2在所述移动小车直轨道3上运动，所述测距平台4设置在所述移动小车直轨道3的一端。本实施例中将配合目标物6设为相对移动，将测距平台4设为相对固定，需要理解的是，也可以将测距平台4设为相对移动，配合目标物6设为相对固定。

移动小车2上设有单片机控制板7，单片机控制板7连接有无线信号收发器一。电脑端连接有无线信号收发器二，单片机控制板7和电脑端1通过无线信号收发器一、无线信号收发器二之间无线通信实现数据传输。

如图4所示，所述配合目标物切换装置5包括步进电机驱动器一501、步进电机一502和传动丝杆503。所述配合目标物6底部固定连接有移动滑台8，所述移动滑台8与传动丝杆503配合传动。单片机控制板7连接步进电机驱动器一501，步进电机驱动器一501连接步进电机一502，步进电机一502连接传动丝杆503，传动丝杆503的长度方向为垂直于所述移动小车直轨道3的方向。移动滑台8和传动丝杆503配合传动。

本实施例中，所述若干配合目标物6包括用于模拟良好测试条件的95%漫反射率柯达白板、用于模拟不良测试条件的8%漫反射率柯达灰板、用于模拟高反射率目标物的3M钻石级反光贴，95%漫反射率柯达白板、8%漫反射率柯达灰板、3M钻石级反光贴沿垂直于所述移动小车直轨道3的方向设置。

所述移动小车2上固定设有三个反射式光耦传感器一9，所述移动滑台8固定连接有光耦挡片10，对应的配合目标物6移动至光反射位置时所述光耦挡片10遮挡对应的反射式光耦传感器一9，所述反射式光耦传感器一9连接所述单片机控制板7。

如图5所示，所述移动小车2包括底盘，所述底盘包括四个轮子201、底板202、四个轴承座203、四个轴承204、两个车轴205、传动齿轮组206、步进电机二207和步进电机驱动器二208。所述步进电机二207设置在所述底板202底部。所述单片机控制板7连接所述步进电机驱动器二208，所述步进电机驱动器二208连接所述步进电机二207，所述步进电机二207连接所述传动齿轮组206，所述传动齿轮组206连接其中一个车轴205以驱动该车轴205转动。两个车轴205的两端均固定连接所述轮子201，四个轴承座203固定设置在所述底板202底部的四个角上，四个轮子201与对应的轴承座203通过所述轴承204转动连接。此处的传动齿轮组206包括与车轴205固定连接的锥齿轮一和与步进电机二207的输出轴固定连接的锥齿轮二。

如图6所示，所述测距平台4包括光发射装置401和光接收装置402，所述测距平台4上设有光能量调节装置11。所述光发射装置401发射的光射向配合目标物6，配合目标物6反射的光被所述光接收装置402接收。光发射装置401和光接收装置402设置在一个一体式机芯上。

如图7所示，所述光能量调节装置11包括连续衰减滤光片1101、光栅1102、光栅检测元件1103。所述连续衰减滤光片1101设置在光发射装置401至配合目标物6的发射光路上或者配合目标物6至光接收装置402的接收光路上，所述连续衰减滤光片1101的光密度沿周向连续衰减。所述连续衰减滤光片1101使用OD值0（透过率>99%）至OD值4（透过率<0.01%）的连续衰减滤光片（渐变密度中性滤光片），可以实现连续、大幅度调节光能量。

所述连续衰减滤光片1101连接有连续衰减滤光片旋转装置，电脑端1控制所述连续衰减滤光片旋转装置以驱动所述连续衰减滤光片1101旋转。本实施例中，所述连续衰减滤光片旋转装置为步进电机三12，所述步进电机三12、光栅检测元件1103连接有步进电机驱动器三13。所述步进电机驱动器三13连接所述电脑端1，所述电脑端1控制步进电机三12连续或点动旋转。经过所述连续衰减滤光片1101衰减后的光被所述光栅1102接收，所述光栅检测元件1103用于检测光栅1102数据以识别所述连续衰减滤光片1101的转动角度。所述光栅检测元件通过数据线与所述电脑端连接。

所述测距平台4连接有水平旋转微调台14和上下俯仰微调台15，所述水平旋转微调台14连接所述上下俯仰微调台15，所述上下俯仰微调台15连接所述测试平台4。

基于上述的脉冲式测距系统误差的补偿系统，本发明还提供一种脉冲式测距系统误差的补偿方法，包括：

1、通过旋转连续衰减滤光片1101模拟同类型不同测试配合目标物6的回光能量强度变化，测试同一配合目标物6距离、不同回光能量强度下的测距误差，建立特定的回光能量强度与测距误差的对应关系；

2、通过移动小车2移动配合目标物6改变测试距离，调节连续衰减滤光片1101使回光能量强度保持不变，测试不同距离、同一回光能量状态下的测距误差，建立特定的配合目标物6距离与测距误差的对应关系；

3、通过移动小车2移动配合目标物6改变测试距离，调节连续衰减滤光片1101至全透状态，测试同一配合目标物6在不同距离点的误差，建立特定的配合目标物6距离、回光能量强度、测距误差三者的对应关系；

4、通过配合目标物切换装置5切换配合目标物6，重复上述3种测试过程，得到对应的配合目标物6距离、回光能量强度、测距误差之间的对应关系。

不同目标物切换的实现：通过电脑端2自动控制软件设定，电脑端2无线信号收发器二发送命令给移动小车2上的无线信号收发器一，单片机控制板7收到命令后，发送命令给步进电机驱动器一501，从而控制步进电机一502带动传动丝杆503转动，使移动滑台8运动，实现配合目标物6切换；切换过程中通过反射式光耦传感器一9来识别目标配合目标物6靶切换是否成功，并反馈信号给单片机控制板7形成闭环控制；切换完成后，单片机控制板7通过无线信号收发器一发送反馈信号给电脑端2无线信号收发器二，电脑端2自动控制软件收到反馈后进行预设的下一步动作。

目标物不同距离移动的实现：通过电脑端2自动控制软件设定，电脑端2无线信号收发器二发送命令给移动小车2上的无线信号收发器一，单片机控制板7收到命令后，发送命令给步进电机驱动器二208，从而控制步进电机二207带动传动齿轮组206，通过车轴205带动轮子201运动，实现不同距离移动；移动过程中通过移动小车2上安装的反射式光耦传感器二识别钢尺刻度标记，来识别是否到达停车位置，反馈信号给单片机控制板7形成对移动小车2运动控制、设定距离停车的闭环控制；移动完成后，单片机控制板7通过无线信号收发器一发送反馈信号给电脑端无线信号收发器二，电脑端2自动控制软件收到反馈后进行预设的下一步动作。

光能量连续调节过程的实现：连续衰减滤光片1101设置于发射光路或接收光路上均可以实现对回光能量的控制作用；机芯通过数据线连接电脑端2；步进电机三12和光栅检测元件1103连接至步进电机驱动器三13；步进电机驱动器三13通过数据线连接至电脑端2，根据自动控制软件预设要求，给步进电机控制器三13发送命令，控制步进电机三12连续或点动旋转，以实现对回光能量的连续调节；调节过程中，通过光栅检测元件1103数据，识别连续衰减滤光片1101转动角度，并实时读取机芯测距参数（包含目标物距离值、回光信号能量值、当前温度、其他内部参数等），与自动控制软件预设值进行比对，以实现动态闭环控制。

除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。

Claims (2)

1.脉冲式测距系统误差的补偿系统，其特征在于，包括电脑端、移动小车、移动小车直轨道、配合目标物、测距平台以及光能量调节装置；所述测距平台包括光发射装置和光接收装置，所述光发射装置发射的光射向配合目标物，配合目标物反射的光被所述光接收装置接收；所述测距平台或者所述配合目标物设置在所述移动小车上，所述移动小车连接有移动小车驱动装置，电脑端控制所述移动小车驱动装置以驱动所述移动小车沿移动小车直轨道移动，使得所述测距平台相对于所述配合目标物的距离发生改变；所述光能量调节装置包括连续衰减滤光片、光栅、光栅检测元件，所述连续衰减滤光片设置在光发射装置至配合目标物的发射光路上或者配合目标物至光接收装置的接收光路上，所述连续衰减滤光片的光密度沿周向连续衰减，所述连续衰减滤光片连接有连续衰减滤光片旋转装置，电脑端控制所述连续衰减滤光片旋转装置以驱动所述连续衰减滤光片旋转，经过所述连续衰减滤光片衰减后的光被所述光栅接收，所述光栅检测元件用于检测光栅数据以识别所述连续衰减滤光片的转动角度；所述电脑端连接所述移动小车驱动装置获取目标物距离值，所述电脑端连接所述光接收装置获取回光信号能量值，所述电脑端连接所述光栅检测元件获取所述连续衰减滤光片的转动角度；

所述配合目标物设有若干个，若干个配合目标物沿垂直于所述移动小车直轨道的方向设置，所述配合目标物连接有配合目标物切换装置，所述电脑端控制所述配合目标物切换装置以驱动所述配合目标物沿垂直于所述移动小车直轨道的方向移动；

所述配合目标物设置在移动小车上，所述配合目标物切换装置包括步进电机驱动器一、步进电机一和传动丝杆，所述配合目标物底部固定连接有移动滑台，所述移动滑台与传动丝杆配合传动，所述移动小车上还设有单片机控制板和无线信号收发器一，所述电脑端连接有无线信号收发器二，电脑端连接无线信号收发器二，无线信号收发器二与无线信号收发器一之间无线通信，无线信号收发器一连接单片机控制板，单片机控制板连接步进电机驱动器一，步进电机驱动器一连接步进电机一，步进电机一连接传动丝杆；

所述移动小车上还固定设有若干个反射式光耦传感器一，所述移动滑台固定连接有光耦挡片，对应的配合目标物移动至光反射位置时所述光耦挡片遮挡对应的反射式光耦传感器一，所述反射式光耦传感器一连接所述单片机控制板。

2.根据权利要求1所述的脉冲式测距系统误差的补偿系统，其特征在于，所述移动小车包括底盘，所述底盘包括轮子、底板、轴承座、轴承、车轴、传动齿轮组、步进电机二和步进电机驱动器二，所述步进电机二设置在所述底板底部，所述单片机控制板连接所述步进电机驱动器二，所述步进电机驱动器二连接所述步进电机二，所述步进电机二连接所述传动齿轮组，所述传动齿轮组连接所述车轴以驱动车轴转动，所述车轴固定连接所述轮子，所述轴承座固定设置在所述底板底部，所述轮子与所述轴承座通过所述轴承转动连接。