基于PSD激光三角测距传感器的最优设计

激光直射三角法测距工作原理， 为达到准确聚焦， 如 Ｓｃｈｅｌｍｐｆｌｕｇ 条件所规定： 像平面、物 平 面 、接 收 透 镜 平 面 三 者 需 交于一条公共直线。发射部分采用一个平凸透镜进行准直， 将激 光直射到被测目标上形成的漫反射光斑作为传感信号， 通过接 收 透 镜 会 聚 到 高 分 辨 率 的 位 敏 器 件 ＰＳＤ 上 ， 形 成 光 斑 ， 光 斑 的 中心位置由传感器与被测目标之间的距离决定， 而 ＰＳＤ 输 出 的 电信号准确地反映了传感器与被测目标之间的距离信息。当被 测目标发生位移时 ， 其光斑在 ＰＳＤ 上的位置也发生相应 变 化 ， 这样通过确定光斑位置的变化， 即可测出被测目标的位移。
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嵌入式系统应用
基于 ＰＳ Ｄ 激光三角测距传感器的最优设计
Ｐａ ｒａ ｍ ｅ ｔｅ ｒ Ｏｐ ｔｉｍ ｉｚａ ｔｉｏ ｎ ｏ ｆ Ｌａ ｓ ｅ ｒ Ｔｒｉａ ｎ ｇ ｕ ｌａ ｔｉｏ ｎ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ Ｂａ ｓ ｅ ｄ Ｏｎ ＰＳ Ｄ
子 技 术 的 发 展 ， 为 优 化 系 统 设 计 、提 高 系 统 的 可 靠 性 、缩 小 体 积 、降 低 功 耗 和 缩 短 产 品 的 开 发 周 期 ， 提 供 了 一 条 方 便 的 途 径 。
关键词：激光测距；参数设计；三角测量；位敏检测器
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｎ２４１
文献标识码：Ａ
距 法 ， 可 使 测 距 系 统 具 有 体 积 小 、灵 敏 度 高 、噪 音 低 、分 辨 率 高 、响 应 速 度 快 、价 格 低 等 优 点 。 利 用 激 光 三 角 测 距 原 理 研 制 的
激 光 测 距 传 感 器 系 统 精 度 为 ０．５％以 上 。分 析 表 明 ： 随 着 越 来 越 简 化 的 ＰＳＤ 编 程 专 用 工 具 软 件 的 出 现 ， 紧 密 结 合 其 相 关 微 电
技 术
ｓｈｒｉｎｋ ｖｏｌｕｍｅ， ｒｅｄｕｃｅ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｓｈｏｒｔｅｎ ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｌａｓｅｒ Ｒａｎｇｅ Ｆｉｎｄｅｒ ， Ｐａｒ ａｍｅｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ， Ｔｒ ｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒ ｅｍｅｎｔ， Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ
在激光直线三角法测距原理图中 （ 如 图 １） ， △Ｘ 表 示 光 斑 位 移 量 ， △Ｙ 表 示 目 标 位 移 量 ， θ表 示 散 射 光 入 射 角 ， φ表 示 成 像角， 为使光接收器上的像点始终位于焦平面上， 光接收器的受 光面与成像光轴成一夹 φ角， 其目的一是 根 据 成 像 原 理 建 立 入 射光斑与其象斑位移的精确关系， 二是可使像点最小， 有利于提 高测量精度。Ｓ１ 表 示 透 镜 中 心 与 物 基 点 之 间 的 距 离 ， Ｓ２ 表 示 透 镜中心与象基点之间的距离。根据几何学可得到下面公式：
式中 Ｌ 表示 ＰＳＤ 两电极间距离， ｆ 表示透镜焦距。上式也是 实现精密测量的重要条件。
４ 结论
越短程测距越有可能提高测量精度， 但测程也不能无限制 地 缩 短 。由 于 目 前 对 激 光 三 角 位 移 传 感 器 的 光 学 系 统 研 究 甚 少 ， 因此， 在该方面的研究还充满很大的发展空间。目前， 采用基于 ＰＳＤ 激光直线三角测距法已能达到比较令人满意的测量精度和 速度， 而且方法容易实现。最重要的是， 激光三角测距作为光电 检测中的一种非接 触 式 单 点 测 量 法 ， 具 有 测 量 速 度 快 、精 度 高 、 抗 干 扰 能 力 强 、测 量 点 小 、操 作 简 单 、使 用 范 围 广 等 优 点 。
则目标位移为
当目标左移时， 由几何关系可得到
则目标位移为
技 式中，
术
因此， 可以看出被测目标的位移是像点位移量
入射角 θ、成像角 φ的函数。
创
３ 参数最优化设计
、散 射 光
新
３．１ 像点位移量△Ｘ
图 ３ 标定法原理图 Ｆｉｇ．３ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ 如图 ３ 标定板与 ＰＳＤ 摄像机的轴线垂直放 置 ， 且 点 ２２ 位 于 摄 像 机 的 轴 线 上 ， 沿 Ｙ 轴 前 后 移 动 标 定 板 ， 使 激 光 打 在 ２０ 上， 记下此时标定板的位置， 以此作为零点， 然后前后移动标定 板， 使激光打在 ２１ 上， 记下标定板移过的距离 ｍ１。同样地激光 点从打在点 ２１ 到打在点 ２２， 从点 ２２ 到点 ２３， 从点 ２３ 到点 ２４， 标 定 板 分 别 移 过 的 距 离 ｍ２、ｍ３、ｍ４。 由 三 角 形 关 系 得
田原嫄： 在读博士研究生 《Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
图 １ 直射法三角测距原理图（ｄｉｒｅｃｔ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ） Ｆｉｇ．１ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
邮局订阅号： ８２－９４６ ３６０ 元 ／ 年 － ３ －
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中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》（ 嵌 入 式 与 Ｓ ＯＣ ）２００８ 年 第 ２４ 卷 第 ２－２ 期

激光三角法测距根据激光入射方向分为直射光三角法和斜 射光三角法。由于直射光三角法与斜射光三角法相比光斑较小 ， 光强集中， 不会因传感器与被测物体表面不垂直而扩大光照面 上的亮斑， 对于被测面较粗糙处， 于振动和左右倾斜不定的物 体， 受干扰引起的误差较小。另外， 直射法的传感头在结构上， 也 易做得小而紧凑， 因此， 采用直射三角法。
（吉林大学）田 原 嫄 谭 庆 昌
ＴＩＡＮ ＹＵＡＮＹＵＡＮ ＴＡＮ ＱＩＮＧＣＨＡＮＧ
摘要：利用 激 光 三 角 测 距 原 理 ， 既 可 检 测 平 面 亦 可 检 测 曲 面 轮 廓 ， 它 作 为 光 电 检 测 中 的 一 种 非 接 触 式 单 点 测 量 法 ， 具 有 测 量
速 度 快 、精 度 高 、抗 干 扰 能 力 强 、测 量 点 小 ， 操 作 简 单 、应 用 范 围 广 等 优 点 。 基 于 ＰＳＤ（ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）的 激 光 三 角 测
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ， ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｅｓｔ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｐｌａｎｅ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｃｕｒｖｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｆｉｌｅ． Ａｓ ａ ｎｏｎ－ ｃｏｎｔａｃｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｏｐｔｉｃ－ ｅｌｅｃｔｒｏ ｏｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｓｐｏｔ， ｉｔｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｒｅ ｈｉｇｈ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｐｅｅｄ， ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ， ｇｒｅａｔ ａｎｔｉ－ ｊａｍｍｉｎｇ， ｓｍａｌｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｐｏｔ， ｅａｓｙ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ， ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒａｎｇｅ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｌａｓｅｒ ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＳＤ ｍａｋｅｓ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｅｃｔ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ｖｏｌｕｍｅ， ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ， ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ， ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ’ｓ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｓ ａｂｏｖｅ ０．５％． Ｉｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｓｉｍｐｌｅｒ ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ ＰＳＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｆｏｕｎｄ ａ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｗａｙ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ， ｉｍｐｒｏｖｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，
（下转第 ３０ 页）
－ ４ － ３６０元 ／ 年 邮局订阅号： ８２－９４６
当目标右移时， 由几何关系可得到
３．２ 散射光入射角 θ 由于激光器轴线和 ＰＳＤ 摄像机光轴在空间虚相交， 二者的夹 角不易直接测量， 通常可以采用角度传感器等机械装置来测量， 但 是增加装置会导致测量复杂， 成本提高， 而且使测量环增加， 从而 引入误差， 本系统利用图像信息， 采用标定的方法来确定 θ。
１９９０年 ＷＳＩ 公司引入了可编程系统器件， 世界 上 第 一 个 把 ＵＶＥＰＲＯＭ， ＳＲＡＭ 和可编程逻辑集成在单一块硅片上 。由于它 的高水平集成、可构造性和易于使用， 使得它被广泛地应用于各 个领域。ＰＳＤ 器件将典型的微控制器单元需要的大部分外围接 口功能组合进一个封装中， 使设计者大大地减少了元件数， 功耗 和电路板空间， 相对地大大较少了系统成本。ＰＳＤ 器件与电荷耦 合 器 件 ＣＣＤ 有 着 本 质 不 同 ， 它 属 于 非 离 散 性 器 件 ， 其 输 出 电 流 随光电不同而连续变化， 并具有体积小、灵敏度高、噪音低、分辨 率高、响应速度快、价格低等优点。ＰＳＤ４ＸＸ 系列器件靠 ＰＣ 为基 础的 ＰＳＤ ｓｏｆｔＴＭ ＭＳ－ Ｗｉｎｄｏｗｓ 兼容的开发工具来支持， 还提供作 为 设 计 输 入 方 法 的 ＡＢＥＬ（ＰＳＤａｂｅｌＴＭ）、高 效 的 滤 波 器 、地 址 翻 译 器 、Ｍａｇｉｃｐｒｏ 编 程 器 和 完 整 的 芯 片 仿 真 器 。ＰＳＤ４２３５Ｇ２ 有 ３ 个 存储器阵列， 它的 ５２ 个 Ｉ／Ｏ 引脚可单独配置为不同的功能 。同 时， 电源管理单元能够通过选择片选信号从而实现在线节能。
其中， Ｌ 表示 ＰＳＤ 两电极间距离。
由 于 ＰＳＤ 摄 像 机 的 镜 头 和 激 光 器 的 发 光 端 面 具 有 一 定 的 体积。因此， 二者间距 ｄ 是两个不规则物体之间的距离。镜头和 激光器端面的中心不易确定， 也就不易确定间距。但 ｄ 和 Ｍ 之 间成正切关系。由于激光器光轴和接收透镜轴线夹角 θ可以通 过标定的方法来确定。Ｍ 是平面与平面之间的距离容易测量。 这样测量间距 ｄ 可以转化为 Ｍ 和夹角 θ的测量。