基于CMOS单点激光三角法测距系统设计

文章编号:100525630(2006)022*******

基于CM O S 单点激光三角法测距系统设计

Ξ

林小倩,林　斌,潘泰才

(浙江大学国家光学仪器工程技术研究中心,浙江杭州310027) 摘要:根据三角法测距原理,运用单片机技术对距离进行测量,设计了一套基于C M O S

的单点激光三角法测距系统。详细地介绍了系统的硬件组成和软件结构,针对测量用的光

敏传感器之标定曲线的非线性特征,提出了用逐段折线逼近该标定曲线的方法,最后给出

实验结果,并分析了各个参数对实验精度的影响。实验结果表明方案切实可行,该方法的测

量误差小于3%。

关键词:单点激光三角法;单片机;C M O S ;逐段折线逼近

中图分类号:TH 76112 文献标识码:A

D 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 MOS

L 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 distance 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 characteristic 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 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 on

1　引　言

激光测距技术是集光、机、电一体化的高精度测距技术,在军事、测距、测绘等领域得到广泛的应用。常用的几种测距方法中,脉冲测距方式比较适合远距离的测量,特别是在天体测量方面,虽然在目前加以改进后,可测量几米的距离,但是对激光器要求更高,造价也更高;相位测距方式也比较适合于较大距离的测量;激光干涉测距法主要是用来测量微小距离或形状变化的。现设计了一种以单片机技术为核心的低成本数字显示C M O S 单点激光三角法测距仪,利用三角法测距原理、采用激光遥感方式实现距离的非接触测量。对系统的基本原理、硬件电路、软件设计等进行了介绍,最后给出了实验结果。该系统结构简单、成本

第28卷　第2期

2006年4月 光　学　仪　器O PT I CAL I N STRUM EN T S V o l .28,N o.2

A p ril,2006

Ξ收稿日期:2005206214

作者简介:林小倩(19802),女,湖北锦门人,硕士生,主要从事光、机、电一体化技术方面的研究。

低,适合于中短距离非接触测量,如矿井下测量、露天边坡测量、隧道截面轮廓检测等。

2　测距原理与系统构成

基本三角法原理如图1所示:激光器、成像系统和光敏传感器组成系统的基本结构。激光光源照射到物体表面形成一个亮光点,成像系统把该光点汇聚到传感器上形成像点,当所测距离Y 不同时像点会在传感器上移动,反映在光敏器件上的光点像位置X 也随之不同,在基线长度已知、光源和传感器及透镜的相对位置确定的前提下,通过测量传感器上像点的位置就能准确确定被测物体与仪器之间的距离[1]。根据图1所示三角形的相似关系有

:图1　三角法测距原理图 图2　实验装置示意图

X f =(Y -L ) 1L 2+l 2L 2+l 2+(Y -L )

L

L 2+l 2(1)得Y 和X 两者之间的关系为:

Y =X l 2+l f L l f -L X

(2)X =l f (Y -L )

Y L +l 2(3)

式中Y 为被测距离,f 为成像系统焦距,l 为发光点中心到透镜中心的水平距离,即基线长度,L 为某一已知距离,在该距离处所成像正好位于C M O S 的中心,为使测量范围内各点成像很好,应使过镜头中心的垂线是测量范围起始点与镜头中心连线所构成角的平分线。X 为该被测距离在光敏接收器上与已知距离在光敏接收器上像点的距离,因此只要测出X 就能测出Y 。图2所示为系统实验装置示意图。实验采用的激光光源为H e 2N e 激光器,在被测面前加一凸透镜对光斑进行聚焦,激光器发出波长为632.8nm 的激光束,由透镜聚焦照射在被测面上,经被测面散射,一部分光线经C M O S 摄像镜头照射到光敏面上,C 8051F 020单片机控制C M O S 采集图像,对采集到的图像进行处理,利用程序求出光斑的位置并将测距结果显示在L CD 上。C 8051F 020有8个8位的输入输出口,能够满足对C M O S 、L CD 和存储器引脚的控制,系统所用显示模块为点阵液晶显示模块H S 1286422,所用存储器为K 9F 2808U 0C 系列。

3　系统的硬件设计

3.1　测距系统的标定

C M O S 具有几何尺寸稳定的优点,它和光源、

透镜的几何关系决定了被测目标点与仪器间的最小距离和最大距离,系统中除基准点O 之外(如图1所示),入射光斑随所测距离的远近偏离成像光轴而移动,其像点也必然偏离光轴,为使光接收器件的像点始终位于焦平面上,光接收器的受光面必须与成像光轴成一夹角,使激光束轴线、成像透镜主面和焦平面三者交于一点C ,这一规律为仪器的结构设计、安装带来方

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