基于CMOS單點(diǎn)激光三角法測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 文章編號(hào):100525630(2006022*基于CM O S 單點(diǎn)激光三角法測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)林小倩,林斌,潘泰才(浙江大學(xué)國家光學(xué)儀器工程技術(shù)研究中心,浙江杭州310027摘要:根據(jù)三角法測距原理,運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)對(duì)距離進(jìn)行測量,設(shè)計(jì)了一套基于C M O S的單點(diǎn)激光三角法測距系統(tǒng)。詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)的硬件組成和軟件結(jié)構(gòu),針對(duì)測量用的光敏傳感器之標(biāo)定曲線的非線性特征,提出了用逐段折線逼近該標(biāo)定曲線的方法,最后給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并分析了各個(gè)參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)精度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明方案切實(shí)可行,該方法的測量誤差小于3%。關(guān)鍵詞:單點(diǎn)激光三角法;單片機(jī);C M O S ;逐段折線逼近中圖分類號(hào):TH 76112文

2、獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AD istance m ea sur i ng usi ng si ngle -po i n t la ser tr i angula tion syste m design ba sed on C MOSL IN X iao 2qian ,L IN B in ,PA N T a i 2ca i(CN ERC fo r Op tical Instrum ent ,Zhejiang U niversity ,H angzhou 310027,Ch ina Abstract :In th is paper ,acco rding to the p rinci p le of dista

3、nce m easu ring u sing triangu lati on ,a su it of distance m easu ring u sing single 2po in t laser triangu lati on system based on C M O S is designed th rough the techn ique of M CU .T he hardw are of the system and the structu re of the softw are are described in detail ,due to the non 2linear c

4、haracteristic of the u sed ligh t 2sen sitive tran sducer s calib rati on cu rve ,the m ethod of u sing p iecew ise linear line to app rox i m ate calib rati on cu rve is given ,at last ,the resu lts of the exp eri m en t are in troduced and it is analyzed the relati on betw een every param eter and

5、 experi m en tal p recisi on .T he resu lts of the exp eri m en t p rove the feasib ility of the idea ,the m easu rem en t erro r of th is m ethod is less than 3%.Key words :single 2po in t laser triangu lati on ;M CU ;C M O S ;p iecew ise linear A pp rox i m ati on1引言激光測距技術(shù)是集光、機(jī)、電一體化的高精度測距技術(shù),在軍事、測距

6、、測繪等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。常用的幾種測距方法中,脈沖測距方式比較適合遠(yuǎn)距離的測量,特別是在天體測量方面,雖然在目前加以改進(jìn)后,可測量幾米的距離,但是對(duì)激光器要求更高,造價(jià)也更高;相位測距方式也比較適合于較大距離的測量;激光干涉測距法主要是用來測量微小距離或形狀變化的?，F(xiàn)設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)技術(shù)為核心的低成本數(shù)字顯示C M O S 單點(diǎn)激光三角法測距儀,利用三角法測距原理、采用激光遙感方式實(shí)現(xiàn)距離的非接觸測量。對(duì)系統(tǒng)的基本原理、硬件電路、軟件設(shè)計(jì)等進(jìn)行了介紹,最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本第28卷第2期2006年4月光學(xué)儀器O PT I CAL I N STRUM EN T S V o

7、 l .28,N o.2A p ril,2006收稿日期:2005206214作者簡介:林小倩(19802,女,湖北錦門人,碩士生,主要從事光、機(jī)、電一體化技術(shù)方面的研究。低,適合于中短距離非接觸測量,如礦井下測量、露天邊坡測量、隧道截面輪廓檢測等。2測距原理與系統(tǒng)構(gòu)成基本三角法原理如圖1所示:激光器、成像系統(tǒng)和光敏傳感器組成系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。激光光源照射到物體表面形成一個(gè)亮光點(diǎn),成像系統(tǒng)把該光點(diǎn)匯聚到傳感器上形成像點(diǎn),當(dāng)所測距離Y 不同時(shí)像點(diǎn)會(huì)在傳感器上移動(dòng),反映在光敏器件上的光點(diǎn)像位置X 也隨之不同,在基線長度已知、光源和傳感器及透鏡的相對(duì)位置確定的前提下,通過測量傳感器上像點(diǎn)的位置就能準(zhǔn)確

8、確定被測物體與儀器之間的距離1。根據(jù)圖1所示三角形的相似關(guān)系有 :圖1三角法測距原理圖圖2實(shí)驗(yàn)裝置示意圖X f =(Y -L 1L 2+l 2L 2+l 2+(Y -L LL 2+l 2(1得Y 和X 兩者之間的關(guān)系為:Y =X l 2+l f L l f -L X(2X =l f (Y -L Y L +l 2(3式中Y 為被測距離,f 為成像系統(tǒng)焦距,l 為發(fā)光點(diǎn)中心到透鏡中心的水平距離,即基線長度,L 為某一已知距離,在該距離處所成像正好位于C M O S 的中心,為使測量范圍內(nèi)各點(diǎn)成像很好,應(yīng)使過鏡頭中心的垂線是測量范圍起始點(diǎn)與鏡頭中心連線所構(gòu)成角的平分線。X 為該被測距離在光敏接收器上

9、與已知距離在光敏接收器上像點(diǎn)的距離,因此只要測出X 就能測出Y 。圖2所示為系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。實(shí)驗(yàn)采用的激光光源為H e 2N e 激光器,在被測面前加一凸透鏡對(duì)光斑進(jìn)行聚焦,激光器發(fā)出波長為632.8nm 的激光束,由透鏡聚焦照射在被測面上,經(jīng)被測面散射,一部分光線經(jīng)C M O S 攝像鏡頭照射到光敏面上,C 8051F 020單片機(jī)控制C M O S 采集圖像,對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理,利用程序求出光斑的位置并將測距結(jié)果顯示在L CD 上。C 8051F 020有8個(gè)8位的輸入輸出口,能夠滿足對(duì)C M O S 、L CD 和存儲(chǔ)器引腳的控制,系統(tǒng)所用顯示模塊為點(diǎn)陣液晶顯示模塊H S 128

10、6422,所用存儲(chǔ)器為K 9F 2808U 0C 系列。3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1測距系統(tǒng)的標(biāo)定C M O S 具有幾何尺寸穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),它和光源、透鏡的幾何關(guān)系決定了被測目標(biāo)點(diǎn)與儀器間的最小距離和最大距離,系統(tǒng)中除基準(zhǔn)點(diǎn)O 之外(如圖1所示,入射光斑隨所測距離的遠(yuǎn)近偏離成像光軸而移動(dòng),其像點(diǎn)也必然偏離光軸,為使光接收器件的像點(diǎn)始終位于焦平面上,光接收器的受光面必須與成像光軸成一夾角,使激光束軸線、成像透鏡主面和焦平面三者交于一點(diǎn)C ,這一規(guī)律為儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝帶來方82光學(xué)儀器第28卷便3。從(3式可以看出,X 不僅與Y 有關(guān),還與f 、l 、L 有關(guān),把(3式分別對(duì)Y 、f 和l 微分得:X

11、Y =l 3 f +l f L 2(Y L +l 22(4X l =f (Y -L (Y L -l 2(Y L +l 22(5X f =l (Y -L Y L +l 2(6由(4式可知,Y 值越大即測量距離越遠(yuǎn),測量分辨率越低,由(5式和(6式可知,對(duì)同一Y 值,f 和l 越大,X 越大即測量精度越高,而f 和l 大則會(huì)減小測量范圍。在中短距離的非接觸測量中,綜合考慮測量分辨力和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù),所取f 與l 數(shù)據(jù)相當(dāng),且遠(yuǎn)小于L 2。系統(tǒng)測距定在3m 8m 之間,選取測量基線長度即成像系統(tǒng)中心到發(fā)光點(diǎn)中心的水平距離150mm ,焦距選為140mm ,計(jì)算得出鏡頭光軸與測量基線的夾角為88104,

12、L 為414m ,最大的像點(diǎn)偏移距離為2123mm ,系統(tǒng)選用LM 9618作為傳感器,分辨力為640480。3.2單片機(jī)與C M O S 、L CD 和FLA SH 的接口電路設(shè)計(jì)單片機(jī)與C M O S 、L CD 、FLA SH 之間的接口連接如圖3所示,使用單一3.3V 電源,單片機(jī)的P 0.6,P 0.7引腳交叉配置為SDA 、SCL 實(shí)現(xiàn)II C 總線,P 1.0交叉配置為CEX 0輸出實(shí)現(xiàn)LM 9618時(shí)鐘信號(hào)M CL K ,P 1.1實(shí)現(xiàn)對(duì)C M O S 行同步信號(hào)h sync 的采集,P 1.2實(shí)現(xiàn)對(duì)C M O S 列同步信號(hào)vsync 的采集,圖3單片機(jī)與C M O S 、L

13、 CD 、FLA SH 的接口電路P 1.3實(shí)現(xiàn)對(duì)C M O S 像素時(shí)鐘p clk 的采集,P 1.4實(shí)現(xiàn)對(duì)C M O S 快照模式下外部事件同步信號(hào)的采集,P 1.5實(shí)現(xiàn)對(duì)C M O S 快照模式下中斷輸出的采集,P 4.0、P 4.1、P 4.2、P 4.3和P 5口接C M O S 的數(shù)據(jù)口,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集。單片機(jī)控制存儲(chǔ)器和L CD 的時(shí)序和命令,并向相應(yīng)的端口傳輸數(shù)據(jù),L CD 的8位數(shù)據(jù)口DB 0DB 7接單片機(jī)的P 2口用于數(shù)據(jù)傳輸,控制口如選擇芯片信號(hào)引腳CS 1、CS 2接單片機(jī)的P 6.0、P 6.1引腳,讀寫信號(hào)R W 接單片機(jī)的P 6.2引腳,數(shù)據(jù)和命令切換位D I

14、 接單片機(jī)的P 6.3引腳,數(shù)據(jù)顯示E 接單片機(jī)的P 6.4引腳,復(fù)位信號(hào)R ET 接單片機(jī)的P 6.5引腳,通過初始化L CD 和向相應(yīng)的控制口發(fā)送控制命令把測距通過P 2口傳到點(diǎn)陣型L CD 顯示。存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)口I O 07接單片機(jī)的P 7口,它的控制口如命令鎖存使能CL E 接單片機(jī)的P 3.0引腳,地址鎖存使能AL E 接單片機(jī)的P 3.1引腳,讀信號(hào)R E 接單片機(jī)的P 3.2引腳,寫信號(hào)W E 接單片機(jī)的P 3.3引腳,操作狀態(tài)R B 接單片機(jī)的P 3.4引腳,通過P 7口向單片機(jī)寫命令、地址和數(shù)據(jù)。92第2期林小倩等:基于C M O S 單點(diǎn)激光三角法測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

15、單片機(jī)控制的主程序分為三個(gè)方面:一方面是控制C M O S 采集圖像?？紤]到單片機(jī)讀取和保存圖像所花費(fèi)的時(shí)間,只有當(dāng)C M O S 的像素時(shí)鐘為1幀時(shí),單片機(jī)能及時(shí)讀取C M O S 采集到的圖像。另一方面是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采用區(qū)域閾值化后求質(zhì)心的理論計(jì)算出光斑質(zhì)心。最后是計(jì)算測距、對(duì)測距進(jìn)行保存和顯示。由于目標(biāo)點(diǎn)等間隔移動(dòng)時(shí)其像點(diǎn)在C M O S 上并不是等間隔地變化,因此這種測量是非線性的,通過校準(zhǔn)得到C M O S 上像點(diǎn)的位置和目標(biāo)點(diǎn)與距離之間關(guān)系的標(biāo)定曲線,計(jì)算實(shí)測距離時(shí)采用逐段折線法來逼近,將輸入的像點(diǎn)位置分別與分割線段拐點(diǎn)值依次比較,找到所在區(qū)間,利用相應(yīng)的直線段代替曲線

16、段計(jì)算像點(diǎn)所對(duì)應(yīng)被測距離的理論值。單片機(jī)控制主程序流程圖如圖4所示 。圖4單片機(jī)控制主程序流程圖圖5標(biāo)定曲線5數(shù)據(jù)分析與結(jié)論由于這種測量是非線性的,為了使測量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確,通過校準(zhǔn)得到C M O S 上像點(diǎn)的位置和目標(biāo)點(diǎn)與儀器的距離之間的標(biāo)定曲線如圖5所示,計(jì)算實(shí)測距離時(shí)采用逐斷折線法來逼近,把距離從3m 8m 以200mm 為單位分隔為25個(gè)小區(qū)間,每個(gè)小區(qū)間有相對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)位置,找出輸入的像點(diǎn)所在的區(qū)間,利用直線段代替曲線段求出像點(diǎn)所對(duì)應(yīng)被測距離的理論值。實(shí)驗(yàn)中以500mm 為單位對(duì)3m 8m 的距離用系統(tǒng)進(jìn)行了測量,得出相對(duì)偏差值在3%的范圍之內(nèi)。誤差分析:由(4式、(5式、(6式可知,Y 值越大即測量距離越遠(yuǎn),測量分辨力越低,增大f 和l 能夠提高測量精度,在透鏡、C M O