CN206869323U - 激光快速跟瞄树枝清除系统 - Google Patents

Abstract

一种激光快速跟瞄树枝清除系统，属于电子技术领域。本实用新型的目的是提供一种通过激光对高压线路附近的树枝进行精确去除的激光快速跟瞄树枝清除系统。本实用新型包含激光器电源、激光器、聚焦系统、热像仪、控制系统、位置限定和三维平移台；其中激光器电源包括脉冲恒流输出部分电路、功率变换电路、隔离模块电路、短路保护电路、过压保护电路、过温检测电路、过流保护电路；控制系统包括加速度陀螺仪传感器、输出芯片电路、基准电压芯片电路、脉冲输出电路、稳压电路、PWM脉宽调制芯片、场效应管驱动电路、通讯芯片电路、接口电路、隔离模块电源、485隔离通讯芯片、缓冲芯片电路、主控芯片；位置限定包括位置控制传感器接口；激光器采用的是以固体材料为工作物质的固体激光器。本实用新型应用于工业上人工难以企及的位置，能够准确快速的实现定位，清除树枝。

Description

激光快速跟瞄树枝清除系统

技术领域

本实用新型属于电子技术领域。

背景技术

目前，在室外高压线传输中，为了保证安全稳定，防止短路、断路，不希望传输过程中有导电体。一旦金属或者其它的导电体存在，就有危险存在。比较常见的一个现象就是室外高压线下方会有树木生长，而过度生长的树枝一旦跨接在导线之间必然成为安全隐患。所以安检员需要定时对高压线进行安全检查，保障电力系统的正常运行。安检员在室外进行安全检查时，一般的做法是通过携带的工具将对导线有安全隐患的树枝清除掉，当遇到位置比较高的树枝时，就需要搭建高架台，然后人工携带工具进行清除作业。安检员不可能时时携带大量的工具，也不可能有很多的人员随行。另外使用电锯或者其他清除工具，携带困难，设备工作时产生很大的噪音，还存在很大的污染问题，人员工作量大。

基于这些问题，迫切需要寻找新的工作方式。清除树枝作业的机器人也有很多，通过配以其它辅助动作可以实现树枝清除，并且树枝清除技术一直是清除作业机器人装备开发的重点。由于清除机器人作业环境的高度非结构化，树枝分布、树枝位置以及尺寸都呈现高度差异性和随机性，从而造成机器人装置和方式的有效清除率和轻便型等与实际应用要求存在相当大的差距。与上述方式对比，激光切割技术最大的特点在于通过激光束的聚焦实现对象的非接触式切割，近年来在金属和非金属无机材料加工中得到了广泛应用，在木材等有机材料的切割上也显示出了独特优势。

激光切割在农业以及食品加工领域应用前景十分广阔，但是目前仅Ferraz对土豆激光切割、肖宏伟对板栗激光划口方面开展了探索性研究。与上述应用对比，树枝的切割具有极大的特殊性，对其切割性能的实验和机理研究尚属于空白。本实用新型通过通过实验和理论分析结合，对树枝进行激光切割的可行性、特殊性、适应性和效率等进行分析和探讨，说明树枝进行激光清除的可行性。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种通过激光对高压线路附近的树枝进行精确去除的激光快速跟瞄树枝清除系统。

本实用新型包含激光器电源、激光器、聚焦系统、热像仪、控制系统、位置限定和三维平移台；其中激光器电源包括脉冲恒流输出部分电路、功率变换电路、隔离模块电路、短路保护电路、过压保护电路、过温检测电路、过流保护电路；控制系统包括加速度陀螺仪传感器、输出芯片电路、基准电压芯片电路、脉冲输出电路、稳压电路、PWM脉宽调制芯片、场效应管驱动电路、通讯芯片电路、接口电路、隔离模块电源、485隔离通讯芯片、缓冲芯片电路、主控芯片；位置限定包括位置控制传感器接口；激光器采用的是以固体材料为工作物质的固体激光器；

脉冲恒流输出部分电路：电阻R33的1脚连接脉冲信号CurPulseCtl，2脚连接电阻R34的1脚和电阻R38的1脚，构成分压，电阻R38的2脚接地，电阻R34的2脚接入运放U4A的3脚，经过同相输入端输入脉冲信号，运放U4A反向输入端连接电阻R40的1脚和电阻R43的1脚构成分压，电阻R43的2脚接地，电阻R40的2脚接运放U4A的1脚，运放U4A的1脚输出连接电阻R35的1脚，电阻R35的2脚连接运放U4B的同相输入端5脚，U4B的7脚输出接电阻R36的1脚，经过NPN三极管Q3和PNP三极管Q5构成的图腾柱推挽输出，电阻R37的1脚连接瞬态抑制二极管D13的1脚和电阻R39的1脚，加载到绝缘栅双极晶体管Q4的栅极，Q4漏极连接接插件J3的2脚和反向抑制二极管D11的阳极，以及无极性电容C24的1脚，电阻R32的1脚和电容C24的2脚连接，电阻R32的2脚和接插件J3的1脚、以及D11阴极连接到+160V，绝缘栅双极晶体管Q4源极连接到采样电阻R42的1脚，以及反馈电阻R41的1脚和反馈电容C25的1脚，反馈电阻R41的2脚和反馈电容C25的2脚连接到运放U4B的反向输入端6脚；接插件J3连接激光器中激光电源（11），+160V连接功率变换电路中的+160V输出，CurPulseCtl连接脉冲输出电路中U5的3脚，+12V连接隔离模块电路中的+12V，-12V连接隔离模块电路中的-12V；

功率变换电路：两路驱动信号MOS_DRIVER_A和MOS_DRIVER_B经过肖特基二极管D6的1脚和D10的1脚，肖特基二极管D6的2脚和肖特基二极管D10的2脚接地，连接电阻R25的1脚和电阻R30的1脚，电阻R25的2脚和电阻R30的2脚分别连接下拉电阻R26的1脚和电阻R31的1脚，分别连接N型MOS管Q1的栅极和N型MOS管Q2的栅极，电阻R26的2脚和电阻R31的2脚接GND，N型MOS管Q1漏极和N型MOS管Q2漏极分别连接肖特基二极管D5的1脚和肖特基二极管D9的1脚，经过电阻R24和C17、R29和C22组成的滤波电路，肖特基二极管D5的2脚和肖特基二极管D9的2脚接GND，变压器T1采用推挽结构，电解电容C9、C10、C19、C20以及独石电容C21、C11进行电源滤波，电容C12和电阻R27进行电路逆变后滤波，电阻R23、电容C16以及电阻R28、电容C18组成RC滤波电路，肖特基二极管D3、D4、D7、D8组成全桥整流电路，电容C14、C15和电感L1组成π型滤波，电解电容C13进行电源滤波；+24V连接外部+24V输入电路中的+24V外部输入，MOS_DRIVER_B连接场效应管驱动电路中U7的5脚，MOS_DRIVER_A连接场效应管驱动电路中U7的6脚，+160V连接脉冲恒流输出部分电路中的+160V；

隔离模块电路：钽电容C6的1脚接+24V，2脚接GND进行电源滤波，+24V经过隔离模块U3得到正电压+12V和负电压-12V，钽电容C4的1脚、C7的2脚接GND，独石电容C5的1脚、C8的1脚接GND，钽电容C4的2脚和电容C5的2脚接-12V，钽电容C7的1脚和电容C8的2脚接+12V；+24V连接外部+24V输入电路中+24V外部输入，-12V连接脉冲恒流输出部分电路中-12V，+12V连接脉冲恒流输出部分电路中的+12V；

加速度陀螺仪传感器：U18的1脚接C58的1脚接GND，8脚接C58的2脚接+3.3V，10脚接C60的1脚，11脚接C60的2脚接GND，13脚接C61的1脚接+3.3V，C61的2脚接GND，18脚接C59的1脚接GND，20脚接C59的2脚，19脚、21脚、22脚不接；加速度陀螺仪传感器U18的6脚XDA、7脚XCL、9脚AD0和12脚INT分别接主控芯片中U12的25脚XDA、26脚XCL、27脚AD0和17脚INT，+3.3V接稳压电路中U14的+3.3V，+5V接稳压电路中U13的+5V，U18的23脚SCL、24脚SDA接主控芯片中U12的12脚SCL、10脚SDA，U18的23脚、24脚分别接上拉电阻R66和R65到+3.3V；

短路保护电路：电阻R4的2脚、R3的1脚和电容C2的1脚连接，电容C2的2脚、电阻R3的2脚接GND，电阻R7的2脚、R9的1脚和电容C3的1脚连接，电阻R9的2脚、电容C3的2脚接GND，电阻R5的1脚、R1的1脚和电容C1的1脚连接到U1B的反向输入端，电阻R10的1脚、R8的1脚连接到U1B的同相输入端，电阻R1的2脚、电容C1的2脚连接到U1B的7脚，稳压二极管D1对信号钳位；J3与脉冲恒流输出部分电路中J3连接，U1B的输出7脚接主控芯片中U12的2脚；

过压保护电路：电阻R14的1脚接+160V，2脚接R15的1脚和U2A的反向输入端，R15的2脚接GND，通过电阻R20连接到U2A的同相输入端；+160V连接功率变换电路中的+160V，U2A的1脚连接主控芯片中U12的3脚，+12V接隔离模块电路的+12V；

过温检测电路：热敏电阻R2的1脚接+12V，2脚接电阻R6的1脚接U1A的反向输入端，电阻R6的2脚接电阻R11的2脚接GND，电阻R11的1脚接+12V，电阻R12的2脚接U1A的同相输入端；+12V接隔离模块电路中的+12V，U1A的1脚接主控芯片中U12的44脚；

过流保护电路：电阻R17的1脚接Pulse_Out以及电阻R16的1脚，2脚接GND以及电阻R18的1脚，电阻R16的2脚与电阻R13的1脚连接到运放U2B的反向输入端，电阻R18的2脚和电阻R21的1脚连接到运放U2B的同相输入端，电阻R21的2脚接GND，电阻R13的2脚接运放U2B的7脚；PulseOut接脉冲恒流输出部分电路中R42的1脚，U2B的7脚接主控芯片中U12的4脚；

DA输出芯片电路：U6的8脚接C29的1脚接+5V，C29的2脚接GND，6脚是基准电平引脚，接电容C30的1脚滤波，电容C30的2脚接GND，U9的芯片8脚接C34的1脚接+ 5V，电容C34的2脚接GND，6脚是基准电平引脚，接C36的1脚电压滤波，C36的2脚接GND；DA芯片U6的1脚、2脚、3脚、4脚分别接到主控芯片中U12的16脚、15脚、14脚、13脚，7脚接脉冲输出电路中U5的13脚，U9的1脚、2脚、3脚、4脚分别接主控芯片中U12的21脚、22脚、19脚、18脚，7脚接PWM脉宽调制芯片中R44的1脚，U6的6脚和U9的6脚接基准电压芯片中D14的1脚，+ 5V接稳压电路中U13的+5V；

基准电压芯片电路：D14的1脚、3脚接R52的1脚，R52的2脚接+5V，D14的2脚接电容C37的1脚接地，电容C37的2脚接+5V；稳压芯片D14的+ 5V接稳压电路中U13的+5V，1脚、3脚连接接输出芯片电路中U6的6脚和U9的6脚；

脉冲输出电路：6脚、7脚、8脚、14脚、10脚、11脚接GND，9脚接上拉电阻R51的1脚，R51的2脚接+15V，1脚、2脚、4脚、5脚、12脚、15脚不接；模拟开关芯片U5的+15V接U13中U10的+ 15V，13脚接输出芯片电路中U6的7脚，9脚接U21中U12的20脚，3脚接脉冲恒流输出部分电路中的CurPulseCtl；

稳压电路：防反接二极管D15的1脚连接+24V，2脚连接瞬态抑制二极管D16的1脚和电解电容C38的1脚，接稳压芯片U10的1脚，稳压芯片U10的3脚接电解电容C39的1脚，输出+15V；瞬态抑制二极管D16的2脚和电解电容C38的2脚接GND；稳压芯片U13的1脚接+15V，3脚输出 +5V，2脚接GND，电解电容C41的1脚接+ 15V，2脚接GND，电解电容C42的1脚接+5V，2脚接GND；稳压芯片U14的1脚接+5V，3脚输出 +3.3V，2脚接GND，电解电容C45的1脚接+ 5V，2脚接GND，电解电容C46的1脚接+3.3V，2脚接GND；

PWM脉宽调制芯片：脉宽调制芯片U8的1脚接电阻R44的2脚，2脚接电阻R46和电容C31进行深度负反馈，4脚和7脚接GND，5脚接电容C32的1脚，电容C32的2脚接GND，6脚接R48的1脚，R48的2脚接GND；8脚和11脚、12脚连接+ 15V，接钽电容C35的1脚，C35的2脚接GND，16脚接GND，13脚、14脚、15脚接一起；PWM脉宽调制芯片U8中R44的1脚DAOUT_0-5V接输出芯片电路中U9的7脚，2脚接接口电路中P3的5脚，U8的9脚、10脚分别接场效应管驱动电路中U7的R45的1脚和R47的1脚，+15V接稳压电路中U10的+15V；

场效应管驱动电路：U7的2脚接电阻R45的2脚、电阻R50的1脚，电阻R50的2脚接GND，3脚接电阻R47的2脚、电阻R49的1脚，电阻R49的2脚接GND，U7的3脚接GND，6脚接钽电容C33的1脚，电容C33的2脚接GND，U7的8脚不接；场效应管驱动芯片U7的+ 15V接稳压电路中U10的+15V，R45的1脚和R47的1脚分别接PWM脉宽调制芯片中U8的10脚和9脚，U7的5脚和7脚分别接脉冲恒流输出部分电路中的R30的1脚和R25的1脚；

通讯芯片电路：U11的3脚接电容C40的1脚，C40的2脚接GND，U11的6脚、7脚跨接电阻R53后连接接插件J3，U11的8脚接GND，P2的1脚接+5V，3脚接GND，电容C43的1脚、C44的1脚接GND，C43的2脚、C44的2脚分别接晶振Y1的两端；CAN总线芯片U11的1脚、4脚分别接主控芯片中U12的33脚、32脚，P2的2脚、4脚分别接主控芯片中U12的37脚、34脚，XTAL1和XTAL2分别接主控芯片中U12的5脚、6脚，+5V接稳压电路中U13中+5V，+3.3V接稳压电路中U14的+3.3V；

接口电路：2脚、6脚、8脚接GND，5脚接电阻R57的1脚，R57的2脚接电阻R59的1脚、电容C48的1脚、R58的1脚，电阻R59的2脚、电容C48的2脚接GND，电阻R58的2脚接电阻R60的1脚、电容C49的1脚，电阻R60的2脚、电容C49的2脚接GND；P3的+24V连接外部+24V输入的+24V输入，3脚、4脚分别接功率变换电路中的MOS_DRIVER_B、MOS_DRIVER_A，7脚接脉冲恒流输出部分电路中的CurPulseCtl，PA1_VOL_FB接主控芯片中U12的11脚；

隔离模块：U16的14脚接钽电容C54的1脚，C54的2脚接GND，U16的9脚接接+5V_2，接钽电容C55的1脚，C55的2脚接GND，U16的11脚接GND_2；隔离模块U16的+5V接稳压电路中U13的+5V，+5V_2接485隔离通讯芯片中U17的+5V_2；

485隔离通讯芯片：U17的1脚接电容C56的1脚接+5V，2脚接电容C56的2脚接GND，8脚接GND，9脚接GND_2，11脚和14脚接一起连接电阻R63的1脚，12脚和13脚接一起连接电阻R63的2脚，连接接插件P5，16脚接电容C57的1脚接+5V_2，15脚接电容C57的2脚接GND_2；485通讯隔离芯片的+5V接稳压电路中U13的+5V，+5V_2接隔离模块电源中的+5V_2，GND_2接隔离模块电源中的GND_2，U17的3脚、4脚、5脚、6脚分别接主控芯片中U12的31脚、28脚、29脚、30脚；

缓冲芯片：缓冲芯片U15的2脚、4脚、6脚、8脚接上拉排阻R61，11脚、13脚、15脚、17脚接上拉电阻R62，连接到接插件P4的1脚、3脚、5脚和7脚，U15的12脚、14脚、16脚和18脚分别接到P4的2脚、4脚、6脚和8脚；缓冲芯片U15的2脚、4脚、6脚、8脚分别接主控芯片中U12的46脚、39脚、41脚、42脚，3脚、5脚、7脚、9脚分别接主控芯片中U12的38脚、40脚、43脚、45脚，接插件P4连接图1中三维平移台，+5V接图13中U13的+5V；

主控芯片：主控芯片采用STM32F103C8T6，主控芯片U12的11脚接电压反馈检测引脚，13脚、14脚、15脚、16脚分别接图9中U6的各个控制引脚，28脚、29脚、30脚、31脚分别接图18中U17的3脚、4脚、5脚、6脚，32脚、33脚分别接图15中U11的CAN通信芯片VP230的1脚、4脚，34脚、37脚是程序下载口SWDIO和SWDCLK，5脚、6脚接晶振XTAL1和XTAL2，44脚接R54下拉电阻，7脚接R55上拉电阻，18脚、19脚、21脚、22脚接图9中U9芯片TLV5616的数据引脚，39脚、40脚、41脚、42脚、43脚、45脚、46脚分别接图19中U15缓冲芯片引脚；

位置控制传感器接口：位置控制传感器接口J6的1脚、2脚、3脚、4脚接主控芯片中U12的45脚、43脚、40脚、38脚；

外部+24V输入：J1为外部+24V供电接口。

本实用新型应用于工业上人工难以企及的位置，能够准确快速的实现定位，清除树枝。由于本实用新型采用了高频逆变结构，电源体积缩小、重量轻、成本下降，方便携带；输出激光器功率稳定并且可以连续调节，线性度好，调节的范围广，转换效率高；热像仪能够准确跟踪定位目标树枝，实现激光快速跟踪清除。将激光应用于树枝的切割可以有效避免接触式切割所受到的空间限制和非结构化环境的影响，并且有望摆脱目前在树枝清除装置必须针对特定树种而进行特殊设计现状，提供通用的树枝清除方式，方便树枝清除技术的成熟和推广。

附图说明

图1是本实用新型激光快速跟瞄树枝清除系统结构图；

图2是本实用新型脉冲恒流输出部分电路图；

图3是本实用新型功率变换电路图；

图4是本实用新型隔离模块电路图；

图5是本实用新型加速度陀螺仪传感器图；

图6是本实用新型短路保护电路图；

图7是本实用新型过压保护电路图；

图8是本实用新型过温检测电路图；

图9是本实用新型过流保护电路图；

图10是本实用新型输出芯片电路图；

图11是本实用新型基准电压芯片电路图；

图12是本实用新型脉冲输出电路图；

图13是本实用新型稳压电路图；其中（a）为24V转15V稳压电路；（b）为15V转5V稳压电路；（c）为5V转3.3V稳压电路；

图14是本实用新型PWM脉宽调制芯片图；

图15是本实用新型场效应管驱动电路图；

图16是本实用新型通讯芯片电路图；

图17是本实用新型接口电路图；

图18是本实用新型隔离模块电源图；

图19是本实用新型485隔离通讯芯片图；

图20是本实用新型缓冲芯片电路图；

图21是本实用新型主控芯片电路图；

图22是本实用新型位置控制传感器接口图；

图23是本实用新型外部+24V输入图；

图24是本实用新型激光器结构图；

图25是本实用新型激光输出光学系统视场图；

图26是本实用新型工艺流程图；

图27是本实用新型自适应步长搜索流程图；

图28是本实用新型典型聚焦曲线形态以及曲线中不同区域的划分。

具体实施方式

本实用新型的具体结构如图1示，包含激光器电源1、激光器2、聚焦系统3、热像仪5、控制系统4、位置限定6和三维平移台7；热像仪接收目标树枝的成像信息，将成像信息传输到控制系统，控制系统通过对成像信息进行分析，分析树种以及功率消耗信息，之后控制系统与激光器电源进行通讯，可以调节激光器电源的输出功率，激光器输出激光，通过聚焦系统进行聚焦，由于树枝距离系统位置不确定并且树种不一样，所需要的焦距也不一样，所以需要通过对激光进行聚焦。

热像仪与控制系统连接，热像仪将采集图像信息传输到控制系统，控制系统对此进行分析后，判定是否达到预定目标；

控制系统连接三维平移台，三维平移台控制聚焦系统的位置；

控制系统与激光器电源的连接关系：

图2是脉冲恒流输出部分，控制端为CurPulseCtl，脉冲信号输入此引脚，然后进行互导放大后输出电流信号，D12即为LD（Laser Diode）负载。图23中11为激光器高压端，12为触发电路，即为图2，脉冲信号输入到CurPulseCtl，控制图23中8脉冲氙灯工作，脉冲氙灯泵浦激光器工作，实现激光振荡输出。

图3为功率变换端，将低压信号进行逆变输出高压信号，供给到脉冲恒流输出的高压端，同时作为脉冲氙灯8的高压端；

图4为电压变换模块，将直流电压变换成正负压信号，给所有负电源运放供电；

图6、图7、图8、图9均为电源里边的保护电路，保护电路的正常运行。

图10中U6的7脚为直流电压输出端，连接到图12中U5的13脚，控制系统通过控制U5的电平信号调整3脚输出脉冲信号；U9的7脚为电压输出，连接到图14中U8的1脚，控制9脚、10脚的PWM值，从而控制图15中U7的5脚、7脚输出脉宽，控制图3中R25和R30，调节输出C13两端高压。

激光器电源与激光器、聚焦系统的连接关系：

图23为激光器和聚焦系统的组合，11为激光器高压端为氙灯提供高压信号，12为触发电路端，脉冲信号触发使氙灯工作。具体激光器工作见图23中详细说明。

激光器2和聚焦系统3与三维平移台7、控制系统4与三维平移台7、控制系统与位置限定6的连接关系：

激光器和聚焦系统整体组合固定在三维平移台7上，控制系统通过控制三维平移台，实现激光输出的位置调整，以及进行焦距调整。图5中陀螺仪模块采集偏移角度信息输出给控制系统、位置限定22限定移动的最大位置输出给控制系统，外接传感器输出信号后，控制系统进行判定是否为最大位置。

图20为控制系统与三维平移台7连接图，控制系统通过图20中R62调节通过U15的控制信号，控制三维平移台7位置信息，调整激光器输出点的位置。

控制系统与热像仪的连接关系：

热像仪将图像信息通过图16和图19通讯电路传输到控制系统，控制系统进行图像识别，是否为目标树木，如果是目标树木，调整三维平移台，进行焦距调整，调整合适焦距后，发射激光；热像仪识别激光作用到树木后的信息，然后调整激光功率，继续发射激光或者关闭激光。

其中激光器电源1包括脉冲恒流输出部分电路、功率变换电路、隔离模块电路、短路保护电路、过压保护电路、过温检测电路、过流保护电路；控制系统4包括加速度陀螺仪传感器、输出芯片电路、基准电压芯片电路、脉冲输出电路、稳压电路、PWM脉宽调制芯片、场效应管驱动电路、通讯芯片电路、接口电路、隔离模块电源、485隔离通讯芯片、缓冲芯片电路、主控芯片；位置限定6包括位置控制传感器接口；激光器2采用的是以固体材料为工作物质的固体激光器；

脉冲恒流输出部分电路：见图2，电阻R33的1脚连接脉冲信号CurPulseCtl，2脚连接电阻R34的1脚和电阻R38的1脚，构成分压，电阻R38的2脚接地，电阻R34的2脚接入运放U4A的3脚，经过同相输入端输入脉冲信号，运放U4A反向输入端连接电阻R40的1脚和电阻R43的1脚构成分压，电阻R43的2脚接地，电阻R40的2脚接运放U4A的1脚，运放U4A的1脚输出连接电阻R35的1脚，电阻R35的2脚连接运放U4B的同相输入端5脚，U4B的7脚输出接电阻R36的1脚，经过NPN三极管Q3和PNP三极管Q5构成的图腾柱推挽输出，电阻R37的1脚连接瞬态抑制二极管D13的1脚和电阻R39的1脚，加载到绝缘栅双极晶体管Q4的栅极，Q4漏极连接接插件J3的2脚和反向抑制二极管D11的阳极，以及无极性电容C24的1脚，电阻R32的1脚和电容C24的2脚连接，电阻R32的2脚和接插件J3的1脚、以及D11阴极连接到+160V，绝缘栅双极晶体管Q4源极连接到采样电阻R42的1脚，以及反馈电阻R41的1脚和反馈电容C25的1脚，反馈电阻R41的2脚和反馈电容C25的2脚连接到运放U4B的反向输入端6脚；接插件J3连接激光器中激光电源（11），+160V连接功率变换电路中的+160V输出，CurPulseCtl连接脉冲输出电路中U5的3脚，+12V连接隔离模块电路中的+12V，-12V连接隔离模块电路中的-12V；

实现恒流输出，电阻R33一端连接脉冲信号CurPulseCtl，另一端连接电阻R34和电阻R38，构成分压，电阻R38另一端接地，电阻R34接入运放U4A的3脚同相输入端输入脉冲信号，运放U4A反向输入端连接电阻R40和电阻R43构成分压，运放U4A输出连接R35，电阻R35另一端连接运放U4B的同相输入端，U4B输出接电阻R36，经过Q3和Q5构成的图腾柱推挽输出，电阻R37连接瞬态抑制二极管D13和电阻R39，加载到绝缘栅双极晶体管Q4栅极，Q4漏极连接D12阴极和反向抑制二极管D11，以及滤波电容C24，R32和D12阳极、以及D11阴极连接到电源上，Q4源极连接到采样电阻R42，以及反馈电阻R41和反馈电容C25。核心电路部分采用了一个互导放大器U4A和U4B，前级运放U4A将输入来的触发信号进行衰减，然后进行可调放大。后级运放U4B通过采样输出电流进行反馈，然后控制栅极电压来做到恒流输出。取样电阻R42采用功率无感取样电阻，阻值为0.02欧姆。Q4栅极加上一个下拉电阻进行电平钳位，为了防止开机瞬间产生的尖脉冲烧毁激光管。接插件J3连接图23中11，+160V连接图3中的+160V输出，CurPulseCtl连接图12中U5的3脚，+12V连接图4中的+12V，-12V连接图4中的-12V。

功率变换电路：两路驱动信号MOS_DRIVER_A和MOS_DRIVER_B经过肖特基二极管D6的1脚和D10的1脚，肖特基二极管D6的2脚和肖特基二极管D10的2脚接地，连接电阻R25的1脚和电阻R30的1脚，电阻R25的2脚和电阻R30的2脚分别连接下拉电阻R26的1脚和电阻R31的1脚，分别连接N型MOS管Q1的栅极和N型MOS管Q2的栅极，电阻R26的2脚和电阻R31的2脚接GND，N型MOS管Q1漏极和N型MOS管Q2漏极分别连接肖特基二极管D5的1脚和肖特基二极管D9的1脚，经过电阻R24和C17、R29和C22组成的滤波电路，肖特基二极管D5的2脚和肖特基二极管D9的2脚接GND，变压器T1采用推挽结构，电解电容C9、C10、C19、C20以及独石电容C21、C11进行电源滤波，电容C12和电阻R27进行电路逆变后滤波，电阻R23、电容C16以及电阻R28、电容C18组成RC滤波电路，肖特基二极管D3、D4、D7、D8组成全桥整流电路，电容C14、C15和电感L1组成π型滤波，电解电容C13进行电源滤波；+24V连接外部+24V输入电路中的+24V外部输入，MOS_DRIVER_B连接场效应管驱动电路中U7的5脚，MOS_DRIVER_A连接场效应管驱动电路中U7的6脚，+160V连接脉冲恒流输出部分电路中的+160V；

两路驱动信号经过二极管D6和D10，连接电阻R25和R30，分别经过下拉电阻R26和R31，分别连接MOS管Q1和Q2，MOS管漏极分别连接D5和D9，经过R24和C17、R29和C22组成的滤波电路，变压器采用推挽结构，C11、C9、C10、C21、C19、C20进行电源滤波，C12和R27进行逆变后滤波，R23、C16和R28、C18组成RC滤波电路，D3、D4、D7、D8组成全桥整流电路，电容C14、C15和电感L1组成π型滤波，C13进行电源滤波。相对于boost升压结构，单管承受的压降较大，电容与电感的匹配需要协调，且在负荷大时会出现输出电容储能不足，影响LD所需的电流。采用推挽结构，能工作在较大的功率输出场合。控制部分输出的驱动信号分别驱动对称的MOS管，在MOS管的漏极加LCD滤波，能较好的滤除因为变压器绕线不均引起的尖峰。另外，变压器的供电采用均压方式，这种方式供电，可以有效避免因为供电不均引起的单侧偏压严重现象。在变压器的次级，采用RC滤波，采用FR快恢复二极管，降低管上因为恢复时间的损耗，在二极管两侧加RC吸收尖峰，使输出电压更为平滑，整流完成，采用π型滤波，输出端加两个储能电容。

变压器作为逆变部分的核心部件，有着重要的地位，变压器的参数与质量必须要保证，由于变压器没买到对应型号的，变压器是按照设定的参数缠绕的。采用典型的三明治绕法，在开始绕线前和两层线之间采用玛拉胶带进行绝缘，不仅能够防止导线打滑，也可以使绕线更加密集，从而减少漏感。+24V连接图23中的+24V外部输入，MOS_DRIVER_B连接图15中U7的5脚，MOS_DRIVER_A连接图15中U7的6脚，+160V连接图3中的+160V。

隔离模块电路：钽电容C6的1脚接+24V，2脚接GND进行电源滤波，+24V经过隔离模块U3得到正电压+12V和负电压-12V，钽电容C4的1脚、C7的2脚接GND，独石电容C5的1脚、C8的1脚接GND，钽电容C4的2脚和电容C5的2脚接-12V，钽电容C7的1脚和电容C8的2脚接+12V；+24V连接外部+24V输入电路中+24V外部输入，-12V连接脉冲恒流输出部分电路中-12V，+12V连接脉冲恒流输出部分电路中的+12V；

从而保证运放在直流小信号输入时，仍然能够正常工作。+24V连接图23中+24V外部输入，-12V连接图2中-12V，+12V连接图2中的+12V，

经过隔离模块得到正负电压，C4、C5、C7、C8输出滤波给运放供电，从而保证运放在直流小信号输入时，仍然能够正常工作。但此模块的输出功率较小，对于运放供电可以满足，但再有其它模块需要正负电源时，则要考虑模块并接或者更换模块，注意模块输入输出要增加滤波电容，减少纹波。

加速度陀螺仪传感器：U18的1脚接C58的1脚接GND，8脚接C58的2脚接+3.3V，10脚接C60的1脚，11脚接C60的2脚接GND，13脚接C61的1脚接+3.3V，C61的2脚接GND，18脚接C59的1脚接GND，20脚接C59的2脚，19脚、21脚、22脚不接；加速度陀螺仪传感器U18的6脚XDA、7脚XCL、9脚AD0和12脚INT分别接主控芯片中U12的25脚XDA、26脚XCL、27脚AD0和17脚INT，+3.3V接稳压电路中U14的+3.3V，+5V接稳压电路中U13的+5V，U18的23脚SCL、24脚SDA接主控芯片中U12的12脚SCL、10脚SDA，U18的23脚、24脚分别接上拉电阻R66和R65到+3.3V；加速度陀螺仪传感器U18的1脚和8脚连接C58，10脚和11脚连接C60，23脚和24脚分别接上拉电阻，20脚和18脚接滤波电容，13脚连接滤波电容C61。加速度陀螺仪传感器U18的6脚XDA、7脚XCL、9脚AD0和12脚INT分别接图21中U12的25脚XDA、26脚XCL、27脚AD0和17脚INT，+3.3V接图13中U14的+3.3V，+5V接图13中U13的+5V，U18的23脚SCL、24脚SDA接图21中U12的12脚SCL、10脚SDA，U18的23脚、24脚分别接上拉电阻R66和R65到+3.3V。

短路保护电路：电阻R4的2脚、R3的1脚和电容C2的1脚连接，电容C2的2脚、电阻R3的2脚接GND，电阻R7的2脚、R9的1脚和电容C3的1脚连接，电阻R9的2脚、电容C3的2脚接GND，电阻R5的1脚、R1的1脚和电容C1的1脚连接到U1B的反向输入端，电阻R10的1脚、R8的1脚连接到U1B的同相输入端，电阻R1的2脚、电容C1的2脚连接到U1B的7脚，稳压二极管D1对信号钳位；J3与脉冲恒流输出部分电路中J3连接，U1B的输出7脚接主控芯片中U12的2脚；

电阻R4、R3和电容C2组成反相放大信号衰减，电阻R7、R9和电容C3组成同相放大信号衰减，R5、R8、R1、R10和运放U1B组成差分放大电路，C1实现补偿反馈，D1对信号钳位。当Net1和Net2信号没有压差，电路即存在短路，通过判定Protect1输出状态，实现电路短路保护。J3与图2中J3连接，U1B的输出7脚接图21中U12的2脚。

过压保护电路：电阻R14的1脚接+160V，2脚接R15的1脚和U2A的反向输入端，R15的2脚接GND，通过电阻R20连接到U2A的同相输入端；+160V连接功率变换电路中的+160V，U2A的1脚连接主控芯片中U12的3脚，+12V接隔离模块电路的+12V；

R14和R15对HV信号衰减，输入到运放U2A反相输入端，电位器R19和电阻R20组成基准电压信号，可以调节过压保护阈值，通过判定Protect2状态值，对电路进行过压保护。+160V连接图3中的+160V，U2A的1脚连接图21中U12的3脚，+12V接图4的+12V。

过温检测电路：热敏电阻R2的1脚接+12V，2脚接电阻R6的1脚接U1A的反向输入端，电阻R6的2脚接电阻R11的2脚接GND，电阻R11的1脚接+12V，电阻R12的2脚接U1A的同相输入端；+12V接隔离模块电路中的+12V，U1A的1脚接主控芯片中U12的44脚；

热敏电阻R2连接电源和电阻R6，电阻R6电位器R11以及电阻R12，与运放U1A组成过温检测电路，通过读取Protect4状态值，判断是否过温。+12V接图4中的+12V，U1A的1脚接图21中U12的44脚。

过流保护电路：电阻R17的1脚接Pulse_Out以及电阻R16的1脚，2脚接GND以及电阻R18的1脚，电阻R16的2脚与电阻R13的1脚连接到运放U2B的反向输入端，电阻R18的2脚和电阻R21的1脚连接到运放U2B的同相输入端，电阻R21的2脚接GND，电阻R13的2脚接运放U2B的7脚；PulseOut接脉冲恒流输出部分电路中R42的1脚，U2B的7脚接主控芯片中U12的4脚；

电流采样电阻R17采集流过的电流，电阻R16、R13、R18、R21和运放U2B组成差分结构，采集R17两端电压差，通过判定Protect3的状态值，获知是否过流保护。PulseOut接图2中R42的1脚，U2B的7脚接图21中U12的4脚。

DA输出芯片电路：U6的8脚接C29的1脚接+5V，C29的2脚接GND，6脚是基准电平引脚，接电容C30的1脚滤波，电容C30的2脚接GND，U9的芯片8脚接C34的1脚接+ 5V，电容C34的2脚接GND，6脚是基准电平引脚，接C36的1脚电压滤波，C36的2脚接GND；DA芯片U6的1脚、2脚、3脚、4脚分别接到主控芯片中U12的16脚、15脚、14脚、13脚，7脚接脉冲输出电路中U5的13脚，U9的1脚、2脚、3脚、4脚分别接主控芯片中U12的21脚、22脚、19脚、18脚，7脚接PWM脉宽调制芯片中R44的1脚，U6的6脚和U9的6脚接基准电压芯片中D14的1脚，+ 5V接稳压电路中U13的+5V；

芯片U6的1-4脚分别接数据引脚，8脚接C29电源滤波，6脚是基准电平引脚，接C30电压滤波，7脚输出脉冲信号，接到图12中U5的13脚，芯片U9的1-4脚分别接数据引脚，8脚接C34电源滤波，6脚是基准电平引脚，接C36电压滤波，7脚输出直流电压信号，接到图14中U8的2脚。DA芯片U6的1脚、2脚、3脚、4脚分别接到图21中U12的16脚、15脚、14脚、13脚，7脚接图12中U5的13脚，U9的1脚、2脚、3脚、4脚分别接图21中U12的21脚、22脚、19脚、18脚，7脚接图14中R44的1脚，U6的6脚和U9的6脚接图11中D14的1脚，+ 5V接图13中U13的+5V。

基准电压芯片电路：D14的1脚、3脚接R52的1脚，R52的2脚接+5V，D14的2脚接电容C37的1脚接地，电容C37的2脚接+5V；稳压芯片D14的+ 5V接稳压电路中U13的+5V，1脚、3脚连接接输出芯片电路中U6的6脚和U9的6脚；

D14为基准稳压芯片，接R52后输出基准电压Ref，接图9中U9和U6的6脚，D14中A脚接C37滤波。稳压芯片D14的+ 5V接图13中U13的+5V，1脚、3脚连接接图10中U6的6脚和U9的6脚。

脉冲输出电路：6脚、7脚、8脚、14脚、10脚、11脚接GND，9脚接上拉电阻R51的1脚，R51的2脚接+15V，1脚、2脚、4脚、5脚、12脚、15脚不接；模拟开关芯片U5的+15V接U13中U10的+ 15V，13脚接输出芯片电路中U6的7脚，9脚接U21中U12的20脚，3脚接脉冲恒流输出部分电路中的CurPulseCtl；

U5为模拟开关，16脚接C28滤波，13脚接图9中U6的7脚，9脚接R51上拉电阻，通过控制PXX_CD4051_A电平，可以调节3脚脉宽输出。模拟开关芯片U5的+15V接U13中U10的+ 15V，13脚接图10中U6的7脚，9脚接U21中U12的20脚，3脚接图2中的CurPulseCtl。

稳压电路：防反接二极管D15的1脚连接+24V，2脚连接瞬态抑制二极管D16的1脚和电解电容C38的1脚，接稳压芯片U10的1脚，稳压芯片U10的3脚接电解电容C39的1脚，输出+15V；瞬态抑制二极管D16的2脚和电解电容C38的2脚接GND；稳压芯片U13的1脚接+15V，3脚输出 +5V，2脚接GND，电解电容C41的1脚接+ 15V，2脚接GND，电解电容C42的1脚接+5V，2脚接GND；稳压芯片U14的1脚接+5V，3脚输出 +3.3V，2脚接GND，电解电容C45的1脚接+ 5V，2脚接GND，电解电容C46的1脚接+3.3V，2脚接GND；

防反接二极管D15连接瞬态抑制二极管D16和滤波电容C38，接电源芯片U10，3脚接滤波电容C39，输出稳压。U13稳压，C41和C42作为电源滤波电容。U14稳压，C45和C46作为电源滤波电容。稳压芯片U10的+24V接图23中J1的+24V，+15V连接U13的+15V，U13的+5V连接U14的+5V。

PWM脉宽调制芯片：脉宽调制芯片U8的1脚接电阻R44的2脚，2脚接电阻R46和电容C31进行深度负反馈，4脚和7脚接GND，5脚接电容C32的1脚，电容C32的2脚接GND，6脚接R48的1脚，R48的2脚接GND；8脚和11脚、12脚连接+ 15V，接钽电容C35的1脚，C35的2脚接GND，16脚接GND，13脚、14脚、15脚接一起；PWM脉宽调制芯片U8中R44的1脚DAOUT_0-5V接输出芯片电路中U9的7脚，2脚接接口电路中P3的5脚，U8的9脚、10脚分别接场效应管驱动电路中U7的R45的1脚和R47的1脚，+15V接稳压电路中U10的+15V；

脉宽调制芯片U8的1脚接电阻R44，2脚接电阻R46和电容C31进行深度负反馈，4脚和7脚接地，5脚接C32振荡电容引脚，6脚接R48振荡电阻引脚。8脚和11脚、12脚连接到一起，9脚和10脚输出2路PWM信号，分别接到图14中的电阻R45和R47。PWM脉宽调制芯片U8中R44的1脚DAOUT_0-5V接图10中U9的7脚，2脚接图17中P3的5脚，U8的9脚、10脚分别接图15中U7的R45的1脚和R47的1脚，+15V接图13中U10的+15V。

场效应管驱动电路：U7的2脚接电阻R45的2脚、电阻R50的1脚，电阻R50的2脚接GND，3脚接电阻R47的2脚、电阻R49的1脚，电阻R49的2脚接GND，U7的3脚接GND，6脚接钽电容C33的1脚，电容C33的2脚接GND，U7的8脚不接；场效应管驱动芯片U7的+ 15V接稳压电路中U10的+15V，R45的1脚和R47的1脚分别接PWM脉宽调制芯片中U8的10脚和9脚，U7的5脚和7脚分别接脉冲恒流输出部分电路中的R30的1脚和R25的1脚；

U7为场效应管驱动芯片，R45和R47接到图13中的9脚和10脚，分别接R49和R50作为下拉电阻，U7作为场效应管专用芯片，起到增大驱动电流作用，6脚接电源+15V，并接电容C33滤波。场效应管驱动芯片U7的+ 15V接图13中U10的+15V，R45的1脚和R47的1脚分别接图14中U8的10脚和9脚，U7的5脚和7脚分别接图2中的R30的1脚和R25的1脚。

通讯芯片电路：U11的3脚接电容C40的1脚，C40的2脚接GND，U11的6脚、7脚跨接电阻R53后连接接插件J3，U11的8脚接GND，P2的1脚接+5V，3脚接GND，电容C43的1脚、C44的1脚接GND，C43的2脚、C44的2脚分别接晶振Y1的两端；CAN总线芯片U11的1脚、4脚分别接主控芯片中U12的33脚、32脚，P2的2脚、4脚分别接主控芯片中U12的37脚、34脚，XTAL1和XTAL2分别接主控芯片中U12的5脚、6脚，+5V接稳压电路中U13中+5V，+3.3V接稳压电路中U14的+3.3V；

U11是CAN总线芯片，3脚接电容C40电源滤波，6脚和7脚接匹配电阻R53，接插件P2是程序下载接口，晶振Y1接振荡电容C43和C44。CAN总线芯片U11的1脚、4脚分别接图21中U12的33脚、32脚，P2的2脚、4脚分别接图21中U12的37脚、34脚，XTAL1和XTAL2分别接图21中U12的5脚、6脚，+5V接图13中U13中+5V，+3.3V接图13中U14的+3.3V。

接口电路：2脚、6脚、8脚接GND，5脚接电阻R57的1脚，R57的2脚接电阻R59的1脚、电容C48的1脚、R58的1脚，电阻R59的2脚、电容C48的2脚接GND，电阻R58的2脚接电阻R60的1脚、电容C49的1脚，电阻R60的2脚、电容C49的2脚接GND；P3的+24V连接外部+24V输入的+24V输入，3脚、4脚分别接功率变换电路中的MOS_DRIVER_B、MOS_DRIVER_A，7脚接脉冲恒流输出部分电路中的CurPulseCtl，PA1_VOL_FB接主控芯片中U12的11脚；

接口P3第5脚接电阻R57和R59进行衰减，电容C48进行滤波，接到R58、R60和C49构成RC滤波。1脚接电源，2脚、6脚、8脚接GND，3脚、4脚分别接驱动信号MOS_DRIVER_B和MOS_DRIVER_A，7脚接脉冲输出脚。P3的+24V连接图23的+24V输入，3脚、4脚分别接图3中的MOS_DRIVER_B、MOS_DRIVER_A，7脚接图2中的CurPulseCtl，PA1_VOL_FB接图21中U12的11脚。

隔离模块：U16的14脚接钽电容C54的1脚，C54的2脚接GND，U16的9脚接接+5V_2，接钽电容C55的1脚，C55的2脚接GND，U16的11脚接GND_2；隔离模块U16的+5V接稳压电路中U13的+5V，+5V_2接485隔离通讯芯片中U17的+5V_2；

隔离电源模块U16的14脚接电容C54，1脚接GND，9脚接电容C55输出，11脚接输出GND。隔离模块U16的+5V接图13中U13的+5V，+5V_2接图19中U17的+5V_2。

485隔离通讯芯片：U17的1脚接电容C56的1脚接+5V，2脚接电容C56的2脚接GND，8脚接GND，9脚接GND_2，11脚和14脚接一起连接电阻R63的1脚，12脚和13脚接一起连接电阻R63的2脚，连接接插件P5，16脚接电容C57的1脚接+5V_2，15脚接电容C57的2脚接GND_2；485通讯隔离芯片的+5V接稳压电路中U13的+5V，+5V_2接隔离模块电源中的+5V_2，GND_2接隔离模块电源中的GND_2，U17的3脚、4脚、5脚、6脚分别接主控芯片中U12的31脚、28脚、29脚、30脚；

485通讯芯片1脚、2脚接电容C56，3-6脚接排阻R64，8脚接GND，16脚和15脚接电容C57两端，9脚接隔离电源GND，引脚12脚、13脚和11脚、14脚分别接电阻R63两端进行电阻匹配，接到通讯接口P5两端。485通讯隔离芯片的+5V接图13中U13的+5V，+5V_2接图18中的+5V_2，GND_2接图18中的GND_2，U17的3脚、4脚、5脚、6脚分别接图21中U12的31脚、28脚、29脚、30脚。

缓冲芯片：缓冲芯片U15的2脚、4脚、6脚、8脚接上拉排阻R61，11脚、13脚、15脚、17脚接上拉电阻R62，连接到接插件P4的1脚、3脚、5脚和7脚，U15的12脚、14脚、16脚和18脚分别接到P4的2脚、4脚、6脚和8脚；缓冲芯片U15的2脚、4脚、6脚、8脚分别接主控芯片中U12的46脚、39脚、41脚、42脚，3脚、5脚、7脚、9脚分别接主控芯片中U12的38脚、40脚、43脚、45脚，接插件P4连接图1中三维平移台，+5V接图13中U13的+5V；

缓冲芯片U15的2脚、4脚、6脚、8脚接排阻R61，11脚、13脚、15脚、17脚接上拉电阻R62，连接到接插件P4的1脚、3脚、5脚和7脚，U15的12脚、14脚、16脚和18脚分别接到P4的2脚、4脚、6脚和8脚。缓冲芯片U15的2脚、4脚、6脚、8脚分别接图21中U12的46脚、39脚、41脚、42脚，3脚、5脚、7脚、9脚分别接图21中U12的38脚、40脚、43脚、45脚，接插件P4连接图1中三维平移台，+5V接图13中U13的+5V。

主控芯片：主控芯片采用STM32F103C8T6，主控芯片U12的11脚接电压反馈检测引脚，13脚、14脚、15脚、16脚分别接图9中U6的各个控制引脚，28脚、29脚、30脚、31脚分别接图18中U17的3脚、4脚、5脚、6脚，32脚、33脚分别接图15中U11的CAN通信芯片VP230的1脚、4脚，34脚、37脚是程序下载口SWDIO和SWDCLK，5脚、6脚接晶振XTAL1和XTAL2，44脚接R54下拉电阻，7脚接R55上拉电阻，18脚、19脚、21脚、22脚接图9中U9芯片TLV5616的数据引脚，39脚、40脚、41脚、42脚、43脚、45脚、46脚分别接图19中U15缓冲芯片引脚；其中引脚标号相同即为电路连接引脚。

位置控制传感器接口：位置控制传感器接口J6的1脚、2脚、3脚、4脚接主控芯片中U12的45脚、43脚、40脚、38脚；J6为位置控制传感器接口，外接接近开关传感器，当达到限定位置时，传感器输出高电平信号传输给控制系统，控制系统接收信号后，判定是否达到限定位置。

外部+24V输入：J1为外部+24V供电接口。

本实用新型采用的是以固体材料为工作物质的固体激光器。以脉冲氙灯8为光泵浦源。固体激光发生器由全反射镜1、工作物质2、聚光腔3、部分反射镜4、双胶合透镜5、弯月透镜6、滤光片7、脉冲氙灯8、储能电容9、光学谐振腔10、激光电源11、触发电路12等几部分组成。

工作物质2是激光器的核心。本机采用的工作物质是Nd3+:YAG，简称YAG，中文名称是“掺杂Nd3+离子的钇铝石榴石晶体”。这种人造晶体的制造工艺复杂，生产周期很长，价格十分昂贵，对它应该特别注意。

脉冲氙灯8为工作物质产生激光提供光能。在激光电源的激励下发出强烈的弧光，激励激光工作物质。

聚光腔3的作用是将脉冲氙灯辐射的光能有效均匀地汇聚到工作物质2上，以获得更高的泵浦效率。本机采用的是陶瓷反射体、漫反射紧耦合结构的聚光腔。

光学谐振腔10是激光器的重要部分，由针对1.064μm 单一波长的全反镜(R>99.7%)和部分反射镜(T=70%)组成。工作物质2在脉冲氙灯8作用下产生的受激辐射光，通过反馈在两个镜片间形成放大与振荡，并由部分反射镜4输出。

冷却与滤光系统是固体激光器中必不可少的辅助装置，在固体激光器中，由于激光的转换环节多，输入脉冲灯中的能量只有很小一部分转化为激光能量，其余均转化为热的形式沉积在灯、棒和聚光腔上，冷却的作用就是带走激光器中的多余热量，防止内部元件温升过高，滤光的作用是减小泵浦灯中强烈的紫外辐射对工作物质的有害影响。

滤光片7的作用是滤除一部分噪声；聚焦透镜组的作用是将输出激光聚焦。透镜组采用双胶合透镜5和弯月透镜6，在光学设计中，像差指由于透镜材料的特性或折射（或反射）表面的几何形状引起的实际像与理想像的偏差。理想像是理想光学系统所成的像。在实际应用中，需要一定大小的成像空间或光束孔径，同时还由于成像光束多是由不同颜色的光组成的，同一介质的折射率随颜色而异。因此实际光学系统的成像具有一系列缺陷，即像差。双胶合物镜5由一正透镜和一负透镜胶合而成（正负透镜应用于不同种类的光学玻璃），正负透镜胶合面两个球面半径相等。由于弯月透镜6适当的厚度可以自消色差，为了进一步减少色差，在滤光片7前面加上弯月透镜6。滤光片7是塑料或者玻璃片加入特种染料做成，通过加入不同材质选择性通过光，尽量减少环境光的干扰。

在放置双胶合透镜5和弯月透镜6构成的透镜组时，要使它的焦点落在树枝上，即透镜组和树木的距离为焦距fr。输出激光经过透镜组后形成一个光斑信号，它应该全部落在目标位置上。

本实用新型热像仪5先选取目标树枝，识别到目标树枝后，通过热像仪5传输信息，将图像信息读取到控制系统4中，控制系统4分析后识别到目标树枝，通过三维平移台7控制聚焦系统进行聚焦、微调，通过位置限定6来确定当前位置信息，如果达到最大位置，将限定信息返回到控制系统，确认好目标树枝后；控制系统4调整激光器电源1输出功率，激光器电源1作用到激光器2后调整功率，激光作用到树枝后，热像仪5读取激光作用到树枝后的信息，并将图像信息返回给控制系统4，控制系统4继续分析作用目标树枝后的信息，功率过小则增大激光输出功率，功率过大则减少激光输出功率；如果位置偏差，则控制系统4控制三维平移台7进行聚焦、微调，同时改变输出功率，直至将目标树枝切割完成。激光作用树枝的过程中，一个很重要的过程就是聚焦，在聚焦时，按照一定的聚焦策略来实现，如下为聚焦实施方式。

本实用新型聚焦步骤：

计算一阶矩中心位置，确定聚焦位置：

系统采用基于图像一阶矩的聚焦窗口选择算法，以图像一阶矩计算的重心为中心，然后根据具体图像，选取一定的区域作为下一步聚焦函数的计算区域；至于选择的区域范围大小，需要结合具体处理的图像尺寸与图像内容而定。其中二值边缘图像，重心位置[X_c,Y_c]为：

（1）

其中N---图像一阶矩列数、M---图像一阶矩行数、x---索引行、y---索引列， X_c---重心的x坐标、 Y_c --重心的y坐标；

式中，[]表示取整

②选取Laplace聚焦函数为系统聚焦评价函数：

针对经典搜索策略爬山法的缺陷，提出了一种新的改进爬山法；空间域聚焦评价函数公式：

Laplace算子函数

（2）

---一阶Laplace算子差分；

---聚焦评价函数值；

此改进爬山法充分利用了聚焦评价函数指标中的陡峭宽度Ws和局部极值因子f_LEF，提高了聚焦平面搜索精度和策略，其流程图如图所示。

③对聚焦平面进行搜索，找到聚焦平面为止：

改进的爬山法，在搜索聚焦平面时，采用自适应步长调整方法，根据图像的具体内容，首先定义两个斜率阈值T1和T2，其中T1<T2，同时T2≥f_LEF ，即大的斜率阈值要大于等于局部极值因子f_LEF；

（1）在初始位置，首先计算此位置与相邻位置的斜率k_initial，如果此斜率的绝对值小于阈值T1，此时采用大步距搜索；如果斜率的绝对值小于阈值T2，则采用中步距搜索；如果斜率的绝对值比T1、T2都要大，此时采用精搜索策略，小步距搜索；在粗搜索时，最大步长D_max如果超过陡峭区宽度W_S，就可能会越过聚焦平面，使搜索陷入“死循环”而无法找到聚焦平面。因此，为了确保在任何情况下，聚焦过程中都能找到聚焦平面，聚焦的最大步长D_max必须小于陡峭区宽度，即D_max<Ws。

（2）继续搜索，同时判断斜率k的绝对值，根据斜率的绝对值与T1、T2的关系，决定搜索步距的大小；除非那些聚焦函数值发生显著改变的极值点，才能作为全局极值；否则，不能作为全局极值。为了避免在平缓区找到极值点，所以聚焦平面处，斜率k的绝对值要大于聚焦评价函数中的局部极值因子f_LEF（为平缓区参数），否则，判断为非焦平面。

通过设置D_max<Ws，可以避免在大步距搜索时，越过聚焦平面，使搜索陷入“死循环”而无法找到聚焦平面；

通过设置两个斜率阈值T1、T2，可以加快搜索速度，减少计算量，提高系统的实时性能；

把局部极值因子f_LEF也考虑为搜索过程中，可以避免把局部极值位置作为焦平面位置，从而避免或者减少误判断。

在成像过程中，随着目标沿着光轴远离焦平面，图像越来越模糊，聚焦函数值也快速下降，当目标离开焦平面一定距离后，图像中几乎看不到任何内容，这时如果继续远离焦平面，图像的清晰程度不会产生显著变化，相应地聚焦函数值的变化也非常缓慢，此时其值的波动主要是受随机噪声的影响。为了描述聚焦函数曲线的这种特性，将曲线划分为陡峭区和平缓区，如图28所示。在陡峭区，目标位置的任何轻微改变都将引起聚焦函数值的剧烈变化，而在平缓区，目标位置的变化不会引起聚焦函数值的剧烈变化。陡峭区宽度主要受图像内容和聚焦函数的影响，当图像内容和聚焦函数确定时，其宽度近似为确定值，用W_S表示。

陡峭区宽度W_S是一个非常重要的参量，它决定了聚焦过程最大步长D_max的选择，在以往的研究中，聚焦步长的选择非常随意，在两阶段或三阶段聚集算法中（指将聚集过程划分为两个或三个阶段，在第一个阶段，聚焦步长非常大，这是为了快速靠近焦平面，这个阶段也称为粗聚焦，在第二和第三个阶段，选用小步长，目的是获得精确的聚焦结果。

局部极值因子

在实际聚焦过程中，平缓区往往存在非常多的局部极值，这会导致聚焦过程陷入局部极值而无法找到真实的焦平面，为了防止这种情况的发生，需要设置一个门限值，只有那些聚焦函数值发生显著改变的极值点才能作为全局极值，由于不同的聚焦函数其平缓区波动量是不同的，由此可知它们所需要的门限值也是不同的，将此门限值称为为局部极值因子（LEF），并定义如下：

式中、分别代表平缓区的极大值和极小值。局部极值因子LEF也可表征聚焦函数在平缓区波动的剧烈程度，LEF越小，函数抗噪性能越好。虽然平缓区波动量跟局部极值因子都可表征平缓区的波动程度，但后者还可以作为自动聚焦过程中的一个参量来防止聚焦过程陷入局部极值。

斜率k_initial

聚焦位置初始点坐标为（，），相邻点坐标（，），斜率

斜率k_initial是判定初始步进量，开始执行后，判定斜率k，位置坐标（, ），下一位置坐标（），斜率k的值：

斜率阈值T1，T2是设定值。f(i,j)即聚焦评价函数中一阶算子的位置值；i,j是一阶算子的坐标。

Claims (1)

1.一种激光快速跟瞄树枝清除系统，其特征在于：包含激光器电源（1）、激光器（2）、聚焦系统（3）、热像仪（5）、控制系统（4）、位置限定（6）和三维平移台（7）；其中激光器电源（1）包括脉冲恒流输出部分电路、功率变换电路、隔离模块电路、短路保护电路、过压保护电路、过温检测电路、过流保护电路；控制系统（4）包括加速度陀螺仪传感器、输出芯片电路、基准电压芯片电路、脉冲输出电路、稳压电路、PWM脉宽调制芯片、场效应管驱动电路、通讯芯片电路、接口电路、隔离模块电源、485隔离通讯芯片、缓冲芯片电路、主控芯片；位置限定（6）包括位置控制传感器接口；激光器（2）采用的是以固体材料为工作物质的固体激光器；

脉冲恒流输出部分电路：电阻R33的1脚连接脉冲信号CurPulseCtl，2脚连接电阻R34的1脚和电阻R38的1脚，构成分压，电阻R38的2脚接地，电阻R34的2脚接入运放U4A的3脚，经过同相输入端输入脉冲信号，运放U4A反向输入端连接电阻R40的1脚和电阻R43的1脚构成分压，电阻R43的2脚接地，电阻R40的2脚接运放U4A的1脚，运放U4A的1脚输出连接电阻R35的1脚，电阻R35的2脚连接运放U4B的同相输入端5脚，U4B的7脚输出接电阻R36的1脚，经过NPN三极管Q3和PNP三极管Q5构成的图腾柱推挽输出，电阻R37的1脚连接瞬态抑制二极管D13的1脚和电阻R39的1脚，加载到绝缘栅双极晶体管Q4的栅极，Q4漏极连接接插件J3的2脚和反向抑制二极管D11的阳极，以及无极性电容C24的1脚，电阻R32的1脚和电容C24的2脚连接，电阻R32的2脚和接插件J3的1脚、以及D11阴极连接到+160V，绝缘栅双极晶体管Q4源极连接到采样电阻R42的1脚，以及反馈电阻R41的1脚和反馈电容C25的1脚，反馈电阻R41的2脚和反馈电容C25的2脚连接到运放U4B的反向输入端6脚；接插件J3连接激光器中激光电源（11），+160V连接功率变换电路中的+160V输出，CurPulseCtl连接脉冲输出电路中U5的3脚，+12V连接隔离模块电路中的+12V，-12V连接隔离模块电路中的-12V；

功率变换电路：两路驱动信号MOS_DRIVER_A和MOS_DRIVER_B经过肖特基二极管D6的1脚和D10的1脚，肖特基二极管D6的2脚和肖特基二极管D10的2脚接地，连接电阻R25的1脚和电阻R30的1脚，电阻R25的2脚和电阻R30的2脚分别连接下拉电阻R26的1脚和电阻R31的1脚，分别连接N型MOS管Q1的栅极和N型MOS管Q2的栅极，电阻R26的2脚和电阻R31的2脚接GND，N型MOS管Q1漏极和N型MOS管Q2漏极分别连接肖特基二极管D5的1脚和肖特基二极管D9的1脚，经过电阻R24和C17、R29和C22组成的滤波电路，肖特基二极管D5的2脚和肖特基二极管D9的2脚接GND，变压器T1采用推挽结构，电解电容C9、C10、C19、C20以及独石电容C21、C11进行电源滤波，电容C12和电阻R27进行电路逆变后滤波，电阻R23、电容C16以及电阻R28、电容C18组成RC滤波电路，肖特基二极管D3、D4、D7、D8组成全桥整流电路，电容C14、C15和电感L1组成π型滤波，电解电容C13进行电源滤波；+24V连接外部+24V输入电路中的+24V外部输入，MOS_DRIVER_B连接场效应管驱动电路中U7的5脚，MOS_DRIVER_A连接场效应管驱动电路中U7的6脚，+160V连接脉冲恒流输出部分电路中的+160V；

隔离模块电路：钽电容C6的1脚接+24V，2脚接GND进行电源滤波，+24V经过隔离模块U3得到正电压+12V和负电压-12V，钽电容C4的1脚、C7的2脚接GND，独石电容C5的1脚、C8的1脚接GND，钽电容C4的2脚和电容C5的2脚接-12V，钽电容C7的1脚和电容C8的2脚接+12V；+24V连接外部+24V输入电路中+24V外部输入，-12V连接脉冲恒流输出部分电路中-12V，+12V连接脉冲恒流输出部分电路中的+12V；

加速度陀螺仪传感器：U18的1脚接C58的1脚接GND，8脚接C58的2脚接+3.3V，10脚接C60的1脚，11脚接C60的2脚接GND，13脚接C61的1脚接+3.3V，C61的2脚接GND，18脚接C59的1脚接GND，20脚接C59的2脚，19脚、21脚、22脚不接；加速度陀螺仪传感器U18的6脚XDA、7脚XCL、9脚AD0和12脚INT分别接主控芯片中U12的25脚XDA、26脚XCL、27脚AD0和17脚INT，+3.3V接稳压电路中U14的+3.3V，+5V接稳压电路中U13的+5V，U18的23脚SCL、24脚SDA接主控芯片中U12的12脚SCL、10脚SDA，U18的23脚、24脚分别接上拉电阻R66和R65到+3.3V；

短路保护电路：电阻R4的2脚、R3的1脚和电容C2的1脚连接，电容C2的2脚、电阻R3的2脚接GND，电阻R7的2脚、R9的1脚和电容C3的1脚连接，电阻R9的2脚、电容C3的2脚接GND，电阻R5的1脚、R1的1脚和电容C1的1脚连接到U1B的反向输入端，电阻R10的1脚、R8的1脚连接到U1B的同相输入端，电阻R1的2脚、电容C1的2脚连接到U1B的7脚，稳压二极管D1对信号钳位；J3与脉冲恒流输出部分电路中J3连接，U1B的输出7脚接主控芯片中U12的2脚；

过压保护电路：电阻R14的1脚接+160V，2脚接R15的1脚和U2A的反向输入端，R15的2脚接GND，通过电阻R20连接到U2A的同相输入端；+160V连接功率变换电路中的+160V，U2A的1脚连接主控芯片中U12的3脚，+12V接隔离模块电路的+12V；

过温检测电路：热敏电阻R2的1脚接+12V，2脚接电阻R6的1脚接U1A的反向输入端，电阻R6的2脚接电阻R11的2脚接GND，电阻R11的1脚接+12V，电阻R12的2脚接U1A的同相输入端；+12V接隔离模块电路中的+12V，U1A的1脚接主控芯片中U12的44脚；

过流保护电路：电阻R17的1脚接Pulse_Out以及电阻R16的1脚，2脚接GND以及电阻R18的1脚，电阻R16的2脚与电阻R13的1脚连接到运放U2B的反向输入端，电阻R18的2脚和电阻R21的1脚连接到运放U2B的同相输入端，电阻R21的2脚接GND，电阻R13的2脚接运放U2B的7脚；PulseOut接脉冲恒流输出部分电路中R42的1脚，U2B的7脚接主控芯片中U12的4脚；

DA输出芯片电路：U6的8脚接C29的1脚接+5V，C29的2脚接GND，6脚是基准电平引脚，接电容C30的1脚滤波，电容C30的2脚接GND，U9的芯片8脚接C34的1脚接+ 5V，电容C34的2脚接GND，6脚是基准电平引脚，接C36的1脚电压滤波，C36的2脚接GND；DA芯片U6的1脚、2脚、3脚、4脚分别接到主控芯片中U12的16脚、15脚、14脚、13脚，7脚接脉冲输出电路中U5的13脚，U9的1脚、2脚、3脚、4脚分别接主控芯片中U12的21脚、22脚、19脚、18脚，7脚接PWM脉宽调制芯片中R44的1脚，U6的6脚和U9的6脚接基准电压芯片中D14的1脚，+ 5V接稳压电路中U13的+5V；

基准电压芯片电路：D14的1脚、3脚接R52的1脚，R52的2脚接+5V，D14的2脚接电容C37的1脚接地，电容C37的2脚接+5V；稳压芯片D14的+ 5V接稳压电路中U13的+5V，1脚、3脚连接接输出芯片电路中U6的6脚和U9的6脚；

脉冲输出电路：6脚、7脚、8脚、14脚、10脚、11脚接GND，9脚接上拉电阻R51的1脚，R51的2脚接+15V，1脚、2脚、4脚、5脚、12脚、15脚不接；模拟开关芯片U5的+15V接U13中U10的+ 15V，13脚接输出芯片电路中U6的7脚，9脚接U21中U12的20脚，3脚接脉冲恒流输出部分电路中的CurPulseCtl；

稳压电路：防反接二极管D15的1脚连接+24V，2脚连接瞬态抑制二极管D16的1脚和电解电容C38的1脚，接稳压芯片U10的1脚，稳压芯片U10的3脚接电解电容C39的1脚，输出+15V；瞬态抑制二极管D16的2脚和电解电容C38的2脚接GND；稳压芯片U13的1脚接+15V，3脚输出+5V，2脚接GND，电解电容C41的1脚接+ 15V，2脚接GND，电解电容C42的1脚接+5V，2脚接GND；稳压芯片U14的1脚接+5V，3脚输出 +3.3V，2脚接GND，电解电容C45的1脚接+ 5V，2脚接GND，电解电容C46的1脚接+3.3V，2脚接GND；

PWM脉宽调制芯片：脉宽调制芯片U8的1脚接电阻R44的2脚，2脚接电阻R46和电容C31进行深度负反馈，4脚和7脚接GND，5脚接电容C32的1脚，电容C32的2脚接GND，6脚接R48的1脚，R48的2脚接GND；8脚和11脚、12脚连接+ 15V，接钽电容C35的1脚，C35的2脚接GND，16脚接GND，13脚、14脚、15脚接一起；PWM脉宽调制芯片U8中R44的1脚DAOUT_0-5V接输出芯片电路中U9的7脚，2脚接接口电路中P3的5脚，U8的9脚、10脚分别接场效应管驱动电路中U7的R45的1脚和R47的1脚，+15V接稳压电路中U10的+15V；

场效应管驱动电路：U7的2脚接电阻R45的2脚、电阻R50的1脚，电阻R50的2脚接GND，3脚接电阻R47的2脚、电阻R49的1脚，电阻R49的2脚接GND，U7的3脚接GND，6脚接钽电容C33的1脚，电容C33的2脚接GND，U7的8脚不接；场效应管驱动芯片U7的+ 15V接稳压电路中U10的+15V，R45的1脚和R47的1脚分别接PWM脉宽调制芯片中U8的10脚和9脚，U7的5脚和7脚分别接脉冲恒流输出部分电路中的R30的1脚和R25的1脚；

通讯芯片电路：U11的3脚接电容C40的1脚，C40的2脚接GND，U11的6脚、7脚跨接电阻R53后连接接插件J3，U11的8脚接GND，P2的1脚接+5V，3脚接GND，电容C43的1脚、C44的1脚接GND，C43的2脚、C44的2脚分别接晶振Y1的两端；CAN总线芯片U11的1脚、4脚分别接主控芯片中U12的33脚、32脚，P2的2脚、4脚分别接主控芯片中U12的37脚、34脚，XTAL1和XTAL2分别接主控芯片中U12的5脚、6脚，+5V接稳压电路中U13中+5V，+3.3V接稳压电路中U14的+3.3V；

接口电路：2脚、6脚、8脚接GND，5脚接电阻R57的1脚，R57的2脚接电阻R59的1脚、电容C48的1脚、R58的1脚，电阻R59的2脚、电容C48的2脚接GND，电阻R58的2脚接电阻R60的1脚、电容C49的1脚，电阻R60的2脚、电容C49的2脚接GND；P3的+24V连接外部+24V输入的+24V输入，3脚、4脚分别接功率变换电路中的MOS_DRIVER_B、MOS_DRIVER_A，7脚接脉冲恒流输出部分电路中的CurPulseCtl，PA1_VOL_FB接主控芯片中U12的11脚；

隔离模块：U16的14脚接钽电容C54的1脚，C54的2脚接GND，U16的9脚接接+5V_2，接钽电容C55的1脚，C55的2脚接GND，U16的11脚接GND_2；隔离模块U16的+5V接稳压电路中U13的+5V，+5V_2接485隔离通讯芯片中U17的+5V_2；

485隔离通讯芯片：U17的1脚接电容C56的1脚接+5V，2脚接电容C56的2脚接GND，8脚接GND，9脚接GND_2，11脚和14脚接一起连接电阻R63的1脚，12脚和13脚接一起连接电阻R63的2脚，连接接插件P5，16脚接电容C57的1脚接+5V_2，15脚接电容C57的2脚接GND_2；485通讯隔离芯片的+5V接稳压电路中U13的+5V，+5V_2接隔离模块电源中的+5V_2，GND_2接隔离模块电源中的GND_2，U17的3脚、4脚、5脚、6脚分别接主控芯片中U12的31脚、28脚、29脚、30脚；

缓冲芯片：缓冲芯片U15的2脚、4脚、6脚、8脚接上拉排阻R61，11脚、13脚、15脚、17脚接上拉电阻R62，连接到接插件P4的1脚、3脚、5脚和7脚，U15的12脚、14脚、16脚和18脚分别接到P4的2脚、4脚、6脚和8脚；缓冲芯片U15的2脚、4脚、6脚、8脚分别接主控芯片中U12的46脚、39脚、41脚、42脚，3脚、5脚、7脚、9脚分别接主控芯片中U12的38脚、40脚、43脚、45脚，接插件P4连接树枝清除系统中三维平移台，+5V接稳压电路中U13的+5V；

主控芯片：主控芯片采用STM32F103C8T6，主控芯片U12的11脚接电压反馈检测引脚，13脚、14脚、15脚、16脚分别接输出芯片中U6的各个控制引脚，28脚、29脚、30脚、31脚分别接485隔离通讯芯片中U17的3脚、4脚、5脚、6脚，32脚、33脚分别接通讯芯片电路中U11的CAN通信芯片VP230的1脚、4脚，34脚、37脚是程序下载口SWDIO和SWDCLK，5脚、6脚接晶振XTAL1和XTAL2，44脚接R54下拉电阻，7脚接R55上拉电阻，18脚、19脚、21脚、22脚接输出芯片电路中U9芯片TLV5616的数据引脚，39脚、40脚、41脚、42脚、43脚、45脚、46脚分别接缓冲芯片电路中U15缓冲芯片引脚；

位置控制传感器接口：位置控制传感器接口J6的1脚、2脚、3脚、4脚接主控芯片中U12的45脚、43脚、40脚、38脚；

外部+24V输入：J1为外部+24V供电接口。