CN117647792A - 一种基于fpga的激光雷达二维扫描控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请属于雷达扫描控制技术领域，具体涉及一种基于FPGA的激光雷达二维扫描控制方法及系统，包括FPGA、二维转台、转台控制器和Rs232串口通信模块，所述转台控制器与FPGA通过Rs232异步串行通信进行连接，FPGA通过Rs232串口向转台控制器分别发送俯仰与方位控制命令，使二维转台俯仰轴与方位轴以设定的速度独立转动，实现栅形扫描。

Description

一种基于FPGA的激光雷达二维扫描控制方法及系统
技术领域
本申请属于雷达扫描控制领域，具体涉及一种基于FPGA的激光雷达二维扫描控制方法及系统。
背景技术
光子计数激光雷达水下探测系统是当前水下探测的重要工具，目前主流的扫描方法主要有振镜扫描、面阵扫描以及转台扫描等方式。转台扫描所需能量少且能量利用率高，是一种常用的扫描控制方式。然而目前二维扫描转台主要通过上位机软件进行控制，在进行控制期间会产生较大的随机时间抖动，会对扫描结果产生较大的时间误差，极大的影响的系统的准确性。
发明内容
本申请利用FPGA设计的Rs232串口通信模块，实现FPGA与扫描转台控制器之间的通信。俯仰和方位命令的发送通过FPGA的按键模块进行触发。FPGA的字节发送模块负责实现发送功能，字节发送控制模块在完成多字节串口发送的同时，还要对方位和俯仰命令进行时序控制。在进行多字节串口发送数据的设计时，方位运行速度远大于俯仰运行速度，采用一个俯仰周期包含多个方位周期的时序设计。为了实现高精度的转台控制以及俯仰方位两个方向的精确配合，采用俯仰方向和方位方向独立发送的方法，且每个方位命令发送完成后都会产生一个脉冲信号用于标记。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于FPGA的激光雷达二维扫描控制方法，步骤如下：FPGA向转台控制器发送向上或向下的俯仰控制指令，FPGA发送向上和向下控制指令之间的时间间隔为T1，在发送向下和向上命令的间隔时间T1内向二维转台的方位轴周期性的发送多条向左或向右的方位向控制指令，俯仰控制指令与方位向控制指令之间的时间间隔为T2，FPGA发送向左或向右控制指令之间的间隔为T3，通过二维转台俯仰轴与方位轴的独立控制，实现栅形扫描。
优选的，FPGA向转台控制器发送俯仰向下的控制指令，使二维转台的俯仰轴以预先设定的速度俯仰向下旋转一定角度，运动至预先设定的俯仰下位置；在俯仰向下的控制指令发送时刻开始计时，共计延迟T1时间后，发送俯仰向上的控制指令，使俯仰轴向上旋转一定的角度，完成一个周期的俯仰扫描，如此往复实现二维转台俯仰轴在俯仰方向的周期转动；
在发送俯仰向下和俯仰向上命令的间隔时间内向二维转台的方位轴周期性的发送多条方位向左或方位向右控制指令，在发送方位向下控制指令后，延迟T2时间后向方位轴发送方位向右制指令，使二维转台的方位轴以固定的方位扫描速度向右旋转一定的角度，运功至预先设定的方位右位置，在方位向右的控制指令发送时刻开始计时，共计延迟T3时间后，发送方位向左控制指令，使方位轴向左旋转一定的角度，返回至预先设定的方位左位置，如此完成一个周期的方位扫描。
优选的，在 FPGA 发出方位转动控制指令时，即方位扫描转换方向的瞬间，FPGA向计时模块输出一个时钟的高电平信号，作为扫描成像每行对齐的标志，确定扫描图像中每个脉冲的位置。
优选的，假设FPGA的波特率为Baut_Rate，时钟周期为Sys_Clk，方位、俯仰控制指令字节数分别为Byte_Count1、Byte_Count2，每个俯仰命令发送完成后延迟m个时钟周期后开始发送方位命令，在一个俯仰周期内共发送n个方位命令，则延迟时间T1 、T2 、T3 分别为：
T2= m * Sys_Clk，
T3= Byte_Count2* (1/Baut_Rate) ,
T1= Byte_Count1* (1/Baut_Rate) + T2+n* T3 。
优选的，俯仰命令和方位命令的发送通过独立的计数器信号cnt_1和cnt_2以及时钟信号flag_1和flag_2进行逻辑控制，确保二者的独立发送。
优选的，对于俯仰命令的发送，俯仰周期计数器cnt_1持续计数表示俯仰命令发送中，俯仰周期计数器cnt_1根据FPGA的系统时钟从0计数至Max1，期间完成一个周期俯仰命令的发送；计数至最大值后cnt_1计数清零，开始发送下一周期俯仰命令；
当，flag_1 置为高电平，此时完成俯仰向下运动；当时 flag_1 置为低电平，此时完成俯仰向上运动；
对于方位命令的发送，方位周期计数器cnt_2持续计数表示俯仰命令发送中，方位周期计数器cnt_2根据FPGA的系统时钟从0计数至Max2，期间完成一个周期方位命令的发送；计数至最大值后cnt_2计数清零，开始发送下一周期方位命令；当，flag_2 置为高电平，此时完成方位向右运动；当时 flag_2 置为低电平，此时完成方位向上运动；在每次方位命令发送结束后，FPGA产生单脉冲信号sig用于标记转台运动状态，通过sig信号产生一个高电平脉冲，用于记录回波光子数。
优选的，每次发送方位命令都会产生一个sig信号，解算两个相邻的sig信号之间的回波光子数，得到转台每行像素的距离信息，经过脉冲累加计数和二维转台栅形扫描走势，最终拼接出一副完整的三维图像。
优选的，为实现栅形扫描，俯仰轴与方位轴的扫描速度及扫描角度关系如下：
假设在扫描过程中重频为R，每幅图像扫描M×N个点，每个点有P个脉冲，则每行有M×P个脉冲，每列有N×P个脉冲；设转台方位角度为-a°~a°，俯仰角度为b°~-b°，则每行的扫描时间为：
；
方位扫描速度为
；
扫描所有列所用时间为：
；
则俯仰扫描速度为：
；
可得方位扫描速度和俯仰扫描速度/>之间的关系为：
。
一种控制系统，包括FPGA、二维转台、转台控制器和Rs232串口通信模块，所述转台控制器与FPGA通过Rs232异步串行通信进行连接，FPGA通过Rs232串口向转台控制器分别发送俯仰与方位控制命令，使二维转台俯仰轴与方位轴以设定的速度独立转动，实现栅形扫描。
与现有技术相比，本申请有益效果如下：
基于FPGA的光子计数激光雷达扫描转台控制模块的各项技术特征及其效果，能够有效解决传统扫描转台控制中存在的时间抖动和时间误差问题，实现了水下探测等领域的高精度成像。
附图说明
图1为时间间隔关系图。
图2(a)为俯仰命令的计数器信号cnt_1和时钟信号flag_1对应图。
图2(b)为方位命令的计数器信号cnt_2和时钟信号flag_2对应图。
图2(c)为每次方位命令发送完成后产生的单脉冲信号sig。
图3为本申请系统原理图。
具体实施方式
以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。
本设计提供了一种基于FPGA的光子计数激光雷达二维控制控制方法，包括FPGA、二维转台、转台控制器和Rs232串口通信模块，转台控制器与FPGA通过Rs232异步串行通信进行连接，FPGA通过Rs232串口向转台控制器分别发送俯仰与方位控制命令，使二维转台俯仰轴与方位轴以设定的速度独立转动，实现栅形扫描，如图3所示。
二维转台从原始位置转动至左上的初始位置，等待接收FPGA发送的方位与俯仰控制指令；首先，FPGA通过Rs232串口向转台控制器发送俯仰向下的控制指令，使二维转台的俯仰轴以预先设定的速度俯仰向下旋转一定角度，运动至预先设定的俯仰下位置。在俯仰向下的控制指令发送时刻开始计时，共计延迟T1时间后，发送俯仰向上的控制指令，使俯仰轴向上旋转一定的角度，如此完成一个周期的俯仰扫描。在上个俯仰周期中向上的控制指令发送时刻开始计时，延迟T1时间后再次向二维转台的俯仰轴发送俯仰向下控制命令，如此往复实现二维转台俯仰轴在俯仰方向的周期转动。在发送俯仰向下和俯仰向上命令的间隔时间内向二维转台的方位轴周期性的发送多条方位向左与方位向右控制指令，实现方位的周期扫描：在发送方位向下控制指令后，延迟T2时间后向方位轴发送方位向右控制指令，使二维转台的方位轴以固定的方位扫描速度向右旋转一定的角度，运功至预先设定的方位右位置。在方位向右的控制指令发送时刻开始计时，共计延迟T3时间后，发送方位向左控制指令，使方位轴向左旋转一定的角度，返回至预先设定的方位左位置，如此完成一个周期的方位扫描。在上个方位周期中向左的控制指令发送时刻开始计时，延迟T3时间后再次向二维转台的方位轴发送方位向右控制命令，如此往复实现二维转台方位轴在方位方向的周期转动。通过二维转台俯仰轴与方位轴的独立控制，最终实现栅形扫描。假设FPGA的波特率为Baut_Rate，FPGA的系统时钟周期为Sys_Clk，方位、俯仰控制指令字节数分别为Byte_Count1、Byte_Count2，每个俯仰命令发送完成后延迟m个时钟周期后开始发送方位命令，在一个俯仰周期内共发送n个方位命令，则延迟时间T1 、T2 、T3 分别为：
T2= m * Sys_Clk，
T3= Byte_Count2* (1/Baut_Rate) ,
T1= Byte_Count1* (1/Baut_Rate) + T2+n* T3 。
每当方位命令发送结束时，FPGA还会产生一个sig信号用于标记转台运动状态，将其传送至光子计数采集卡，用于记录回波光子数。每次发送方位都会产生一个sig信号，解算两个相邻的sig信号之间的回波光子数，可以得到二维转台每行像素的距离信息，经过脉冲累加计数和二维转台走势（二维转台栅形扫描走势），最终拼接出一副完整的三维图像。
在本设计中将方位轴的转动速度设为俯仰轴转动速度的100倍，对目标物进行扫描时，二维转台会在俯仰往复运动的同时，进行方位往复运动实现对目标的全局扫描。
在设计中，为了实现俯仰和方位的独立控制，俯仰命令和方位命令的发送通过独立的计数器信号cnt_1和cnt_2以及时钟信号flag_1和flag_2进行逻辑控制，确保二者的独立发送。俯仰周期计数器cnt_1根据FPGA的系统时钟从0计数至Max1，期间完成一个周期俯仰命令（俯仰下、俯仰上）的发送。计数至最大值后cnt_1计数清零，开始发送下一周期俯仰命令。当，flag_1 置为高电平，此时完成俯仰向下运动；当时 flag_1 置为低电平，此时完成俯仰向上运动。对于方位命令的发送，方位周期计数器cnt_2持续计数表示俯仰命令发送中，计数器清零表示俯仰命令停止发送。当cnt_2开始计数时，flag_2 置为高电平，在cnt_2达到最大计数值时，flag_2 降为低电平，此时完成一个完整的方位周期的发送。在系统设定时间结束后自动停止运行，使转台回归原始位置，准备下一轮扫描。
为实现栅形扫描，俯仰轴与方位轴的扫描速度及扫描角度关系如下：
假设在扫描过程中重频为R，每幅图像扫描M×N个点，每个点有P个脉冲，则每行有M×P个脉冲，每列有N×P个脉冲；设转台方位角度为-a°~a°，俯仰角度为b°~-b°，则每行的扫描时间为：
；单位为秒s。
方位扫描速度为：
；单位为角度/秒。
扫描所有列所用时间为
；单位为秒s。
则俯仰扫描速度为：
；单位为角度/秒。
可得方位扫描速度和俯仰扫描速度/>之间的关系为：
。
在扫描过程中，当系统设定时间结束后自动停止运行，使转台回归原始位置，准备下一轮扫描。基于FPGA的光子计数激光雷达扫描转台控制模块的各项技术特征及其效果，能够有效解决传统扫描转台控制中存在的时间抖动和时间误差问题，实现了水下探测等领域的高精度成像。
基于FPGA的光子计数激光雷达扫描转台控制模块的各项技术特征及其效果，能够有效解决传统扫描转台控制中存在的时间抖动和时间误差问题，实现了水下探测等领域的高精度成像。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于FPGA的激光雷达二维扫描控制方法，其特征在于，步骤如下：FPGA向转台控制器发送向上或向下的俯仰控制指令，FPGA发送向上和向下控制指令之间的时间间隔为T1，在发送向下和向上命令的间隔时间T1内向二维转台的方位轴周期性的发送多条向左或向右的方位向控制指令，俯仰控制指令与方位向控制指令之间的时间间隔为T2，FPGA发送向左或向右控制指令之间的间隔为T3，通过二维转台俯仰轴与方位轴的独立控制，实现栅形扫描。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的激光雷达二维扫描控制方法，其特征在于，FPGA向转台控制器发送俯仰向下的控制指令，使二维转台的俯仰轴以预先设定的速度俯仰向下旋转一定角度，运动至预先设定的俯仰下位置；在俯仰向下的控制指令发送时刻开始计时，共计延迟T1时间后，发送俯仰向上的控制指令，使俯仰轴向上旋转一定的角度，完成一个周期的俯仰扫描，如此往复实现二维转台俯仰轴在俯仰方向的周期转动；
在发送俯仰向下和俯仰向上命令的间隔时间内向二维转台的方位轴周期性的发送多条方位向左或方位向右控制指令，在发送方位向下控制指令后，延迟T2时间后向方位轴发送方位向右制指令，使二维转台的方位轴以固定的方位扫描速度向右旋转一定的角度，运功至预先设定的方位右位置，在方位向右的控制指令发送时刻开始计时，共计延迟T3时间后，发送方位向左控制指令，使方位轴向左旋转一定的角度，返回至预先设定的方位左位置，如此完成一个周期的方位扫描。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的激光雷达二维扫描控制方法，其特征在于，在FPGA 发出方位转动控制指令时，即方位扫描转换方向的瞬间，FPGA 向计时模块输出一个时钟的高电平信号，作为扫描成像每行对齐的标志，确定扫描图像中每个脉冲的位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的激光雷达二维扫描控制方法，其特征在于，假设FPGA的波特率为Baut_Rate，时钟周期为Sys_Clk，方位、俯仰控制指令字节数分别为Byte_Count1、Byte_Count2，每个俯仰命令发送完成后延迟m个时钟周期后开始发送方位命令，在一个俯仰周期内共发送n个方位命令，则延迟时间T1 、T2 、T3 分别为：
T2= m * Sys_Clk ，
T3= Byte_Count2 * (1/Baut_Rate) ,
T1= Byte_Count1 * (1/Baut_Rate) + T2 +n* T3 。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的激光雷达二维扫描控制方法，其特征在于，俯仰命令和方位命令的发送通过独立的计数器信号cnt_1和cnt_2以及时钟信号flag_1和flag_2进行逻辑控制，确保二者的独立发送。
6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的激光雷达二维扫描控制方法，其特征在于，对于俯仰命令的发送，俯仰周期计数器cnt_1持续计数表示俯仰命令发送中，俯仰周期计数器cnt_1根据FPGA的系统时钟从0计数至Max1，期间完成一个周期俯仰命令的发送；计数至最大值后cnt_1计数清零，开始发送下一周期俯仰命令；
当，flag_1 置为高电平，此时完成俯仰向下运动；当时 flag_1 置为低电平，此时完成俯仰向上运动；
对于方位命令的发送，方位周期计数器cnt_2持续计数表示俯仰命令发送中，方位周期计数器cnt_2根据FPGA的系统时钟从0计数至Max2，期间完成一个周期方位命令的发送；计数至最大值后cnt_2计数清零，开始发送下一周期方位命令；
当，flag_2 置为高电平，此时完成方位向右运动；当时 flag_2 置为低电平，此时完成方位向上运动；
在每次方位命令发送结束后，FPGA产生单脉冲信号sig用于标记二维转台的运动状态，通过sig信号产生一个高电平脉冲，用于记录回波光子数。
7.根据权利要求6所述的一种基于FPGA的激光雷达二维扫描控制方法，其特征在于，每次发送方位命令都会产生一个sig信号，解算两个相邻的sig信号之间的回波光子数，得到转台每行像素的距离信息，经过脉冲累加计数和二维转台栅形扫描走势，最终拼接出一副完整的三维图像。
8.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的激光雷达二维扫描控制方法，其特征在于，为实现栅形扫描，俯仰轴与方位轴的扫描速度及扫描角度关系如下：
假设在扫描过程中重频为R，每幅图像扫描M×N个点，每个点有P个脉冲，则每行有M×P个脉冲，每列有N×P个脉冲；设转台方位角度为-a°~a°，俯仰角度为b°~-b°，则每行的扫描时间为，
；
方位扫描速度为，
；
扫描所有列所用时间为，
；
则俯仰扫描速度为，
；
可得方位扫描速度和俯仰扫描速度/>之间的关系为：
。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的基于FPGA的激光雷达二维扫描控制方法的控制系统，其特征在于，包括FPGA、二维转台、转台控制器和Rs232串口通信模块，所述转台控制器与FPGA通过Rs232异步串行通信进行连接，FPGA通过Rs232串口向转台控制器分别发送俯仰与方位控制命令，使二维转台俯仰轴与方位轴以设定的速度独立转动，实现栅形扫描。
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