激光测距及位移装置

激光测距及位移装置

摘要：本文利用三角法测距原理，设计了一个位移测量装置。该装置由激光头、OV7670摄像头、STM32主控三部分实现，成本低，体积小。根据激光光斑在摄像头拍摄图像中的位置，该装置可以测量1m的位移量，最大误差为0.5cm。位移测量装置被放置在一个履带小车上，履带小车由导轨引导而做直线运动。利用激光测距结果作为反馈，可以通过PID控制履带小车在1m范围内任意运动，响应时间小于15s，可以用遥控器指定小车运动的起始点。

关键字：三角法测距；位移装置；无线遥控；PID

一、系统方案

系统原理框图见图 1。两个stm32之间通过串口进行双工通信。其中主机负责直流电机的控制和提供人机交换接口。从机负责通过摄像头采集图像，并运行图像识别算法，通过光斑在图像中的位置计算出实际距离，将处理结果发送到主机，从机还负责将采集到的图像实时显示到彩色液晶上。

图 1系统框架

1.移动装置制作方案

方案一：采用差速轮胎驱动的小车。如果通过软件控制，使两个后轮转动的速度一样那么，小车就会沿直线运动。该方案装置体积小，便于搬运，但是软件控制算法偏复杂，需要不断进行调节使两个轮子的转速始终一样。

方案二：采用履带小车并用导轨引导。这种控制方案下，小车始终沿导轨做直线运动，但是装置会比较大，不便于搬运。而且需要仔细测量保证导轨本身是水平的。

从降低系统复杂性的角度下，我们选择了方案二。

2.主控方案选择

方案一：使用一片STM32作为主控同时完成电机的控制、人机交互的接口和图像处理。这样做系统的硬件比较简单，由于只有一个CPU，整个系统会显得非常紧凑。但是软件上处理难度非常大，图像处理用时较长，电机控制又需要一个较小的控制周期，而且还需要处理一些人机交互，可能照成反应较慢的现象。

方案二：使用一片STM32作为从机进行图像处理将结果通过串口发送给主机，主机负责进行电机控制和人机交互处理。这样以来虽然硬件系统复杂了一些，但是软件的编程难度将大大降低。

经过反复考虑我们选择了方案二。

二、 理论分析与计算

1. 三角测距法分析

三角法测距光路图见下图 2，其中三角形ACB 和三角形CED 是相似的，所以有

fs

q x

=

公式(1) 其中基线s 是摄像头透镜中心到激光器的距离，q 是障碍物到基线s 的垂直距离，β是激光光线与基线间的角度，x 是光斑到图像传感器上端的距离。

头

图 2 三角法激光测距光路图

需要仔细调节角度β和基线长度s ，q 最小时激光光斑落在图像传感器的一端，q 在最远时能够满足题目中对分辨率的要求，无限远时光斑会落到另一端。在该题目中我们使用的传感器型号是OV7670，其分辨率为640*480，像素大小为3.6*3.6um ，所以x 最大为2.304mm 。假设最小值为200mm 则，由公式（1）可知fs 小于460.82mm 。距离q 关于x 的灵敏度满下式

2dx fs

dq q

=- 公式(2) 可见随着q 的增大，x 上的变化越小，分辨率也越差，假设通过质心算法能够检测到图像传感器上0.5个像素的变化。那么要在最大距离为1000mm 时满足题目中5mm 的分辨率则

2

0.5dx fs q dq

>

⨯⨯ 公式(3)

将33.6105dx mm dq mm -⨯=，1000q mm =代入上式，得到fs 大于3602mm 。结合之前的fs 小于460.82mm ，我们取fs 为400mm 。由于摄像头的焦距为16mm ，则s 为25mm 。最后可以计算出，

max 16arctan(

)arctan()85.880.50.5 2.304

f mm

x β===⨯⨯ 公式(4)

2. 激光光斑在图像中的定位

先从图像传感器读取数据，计算RGB 三个分量的值。由于激光光斑R 分量较高，G 、B 分量较低，而其他色光中R 、G 、B

所占分量与激光差别较大。

2R σ=后设置一个阈值(大约750)，大于该阈值的像素点保留R 分量，而小于该阈值的像素点R 分量赋为0，将各个像素点R 分量记录下来。最后利用质心法求中心坐标。可以利用下面这个简单的公式计算光斑在y 方向上的质心

_

22

R ()R

()y y y y =∑∑ 公式(5)

公式中R()y 表示坐标y 处的像素的R 分量，式中为对所有像素点求和。这样 就可以实现小数个像素的识别。 3. 闭环控制方法

闭环控制模型如下图 3所示。由于测量采用了图像识别的算法，消耗了大量时间，导致系统频带较低，因此只采用了周期为100ms 的位置环。位置环控制器只采用了PI 算法，P 可以很好的提高系统的响应时间，而I 参数则可以减小系统的稳态误差。考虑到误差的变化，设定了分段PI ，当误差较小时，采用了较小的PI 参数，当误差较大是，采用较大的PI 参数。这样既能保证快速的响应，又避免了因参数过大引起的振荡。

图 3 闭环控制算法

4.误差分析

如果距离较远，激光光斑在传感器上的成像只占几个像素，这时利用质心法计算出的坐标位置就会存在较大偏差，距离较近时，光斑所占像素个数多，计算更加准确。在上述分析中都假设了光斑成像刚好成像在图像传感器上，这类似于小孔成像。实际上由于镜头是由凸透镜组成的，成像位置应在1倍焦距和2倍焦距之间，而图像传感器的位置是相对于镜头是固定的，这样就带来了额外的误差。

三、电路与程序设计

1.电机驱动电路设计

电机驱动电路由一片L6205和相关外围电路构成，具体电路如图 4。

图 4 电机驱动电路

2.机械设计

为保证小车始终沿直线运动，小车上被固定有一个方形的滑槽，另外一条方形的导轨(略小于滑槽)从小车上的滑槽穿过，这样小车就只能沿导轨运动。导轨的两端被座子固定在一定高度。摄像头安装在一个支架上，支架的另一端固定在小车上，支架朝障碍物方向前倾一个角度。激光头则被固定在摄像头的正下方。整个系统被放置在一块较大的长木板上，小车沿导轨在这块长木板上运动。

3.程序结构与设计

整个程序由3部分组成，位移测量部分、位移控制部分和其它部分。位移测量由STM32从机完成，并将测量结果不断发送到主机。主机根据收到的测量结果利用PID算法进行位移控制。另外主机还需要接收遥控器设置的目标位置。