CN107084701A - 一种基于fpga和多ccd的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪，激光器发出一束激光，经汇聚透镜照射到被测物体上，形成一个光斑，光斑在被测物体表面发生散射，其中一部分散射光经过接收透镜在线阵CCD驱动板上成像，线阵CCD驱动板产生的光包络信号送给FPGA控制板，CCD驱动模块至像素位置及距离计算模块单向连接，像素位置及距离计算模块分别至液晶显示驱动模块、D/A转换驱动模块、RS‑422通信模块单向连接，恒温腔体测温驱动模块分别至加热制冷控制模块、数字电位器驱动模块单向连接。本发明具有系统响应速度快、测量精度高、测距范围宽、可测量高温物体、抗干扰能力强等特点。

Description

一种基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角 测距仪

技术领域

本发明涉及一种对运动物体实现非接触高速测距的装置，属于光学计算设备领域，特别是一种基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪。

背景技术

随着现代工业的不断发展，自动测距技术已广泛应用于导航系统、工业机器人等诸多领域。传统的接触式测距与被测物接触，从而产生变形，影响测量精度，损坏物体表面，检测速度慢，已经无法满足要求；而非接触测距由于其良好的精确性和实时性，已经成为测量领域的研究热点。非接触测距主要有超声波测距、激光测距等方法。超声波测距在倒车雷达等领域使用较多，但由于其测量范围、响应时间的限制，在工业测距方面使用较少。激光测距由于其自身光学特性，在工业领域得到了广泛应用。

激光测距技术分成时间反射法和三角测量法两大类，时间反射法是通过测量光波传输时间来计算与目标物体之间的距离，其测量原理决定了响应速度较慢，要得到可靠数据至少需要100ms以上，适用于慢速、静态测距场合。三角测距法是由光源发出一束激光经汇聚透镜垂直投射并聚焦到被测物体表面上形成一个光斑，光斑在物体表面发生散射，其中一部分散射光经过接收透镜在CCD检测器上成像，当被测物体产生位移，其在CCD上的成像点也发生相应的移动，通过像移和实际位移之间的三角关系，可以计算出真实的物体距离。

随着工业技术的发展，对测距技术的要求也越来越高，经常需要对运动物体实现高速、动态测距，根据现代工业生产要求，大部分响应时间需要10ms以内。激光三角测距适用于这种对运动物体实现非接触高速测距的场合，而时间反射法由于响应速度较慢在很多场合无法满足要求。

专利申请号为201610900970.6的文献中给出了“一种激光三角位移传感器及其非线性误差的修正方法”，通过使用多组接收透镜、反光镜，实现高精度微小位移测量，但其光路结构复杂，测量范围小，在恶劣工业环境难以应用。

授权公告号为CN 102147234 B的文献中给出了“激光三角测距传感器”，在接收光路部分增加非轴对称透镜，从而修正非线性，解决远端分辨率降低问题。该装置在接收光敏器件前要使用多片非轴对称透镜、聚焦透镜和轴对称透镜，安装固定难度大，当生产过程产生震动，多组镜片发生微小位移时就会导致测量错误；并且光源使用650nm半导体激光器，当工作温度变化时激光光斑会产生微小变形，从而导致测量误差。

在多篇文献中提出了激光三角测距的设计方案，论文名称如下：

金文燕,赵辉,陶卫.激光三角测距传感器建模及参数优化研究[J].传感技术学报,2006,19(4):1090-1093.

刘立波,赵辉,张海波,等.激光三角测距中光斑细分定位方法研究[J].计算机测量与控制,2008,16(10):1396-1398.

这些论文主要讨论光学系统建模、CCD像素定位算法等问题，基本上都属于实验室理论研究产品，达不到工业化产品标准，更无法在恶劣工业环境下稳定测量。

发明内容

针对现有技术中存在的时间反射法激光测距响应速度慢、普通激光三角测距仪测量范围小、无法测量高温物体等问题，本发明提供了一种系统响应速度快、测量精度高、测距范围宽、可测量高温物体、抗干扰能力强、可用于各种恶劣工业环境，对运动物体实现非接触高速测距的基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪，包括激光器、汇聚透镜、接收透镜、线阵CCD驱动板、FPGA控制板、一体化机械支架，所述激光器发出一束激光，经汇聚透镜照射到被测物体上，形成一个光斑，所述光斑在被测物体表面发生散射，其中一部分散射光经过接收透镜在线阵CCD驱动板上成像，所述线阵CCD驱动板产生的光包络信号送给FPGA控制板，所述FPGA控制板上安装有时钟分频模块、CCD驱动模块、像素位置及距离计算模块、RS-422通信模块、恒温腔体测温驱动模块、加热制冷控制模块、数字电位器驱动模块，所述CCD驱动模块至像素位置及距离计算模块单向连接，所述像素位置及距离计算模块分别至液晶显示驱动模块、D/A转换驱动模块、RS-422通信模块单向连接，所述恒温腔体测温驱动模块分别至加热制冷控制模块、数字电位器驱动模块单向连接。

进一步的，所述激光器上安装有恒温控制板和恒温装置。

进一步的，所述激光器为半导体激光器。

进一步的，所述半导体激光器为波长为405nm的紫光半导体激光器。

进一步的，所述半导体激光器上设有带PD的激光二极管。

进一步的，所述激光器前安装有柱镜。

进一步的，所述线阵CCD驱动板前设有波长405nm窄带滤光片。

相比于现有技术，本发明的优点在于：光源使用工作于恒温环境、带PD的紫光半导体激光器，405nm窄带滤光片滤除干扰光，四片线阵CCD同时工作扩展测距范围，一体化机械支架调整CCD角度方便，利用FPGA的并行处理特性，实现对CCD包络信号的高速运算处理。

本发明具有系统响应速度快、测量精度高、测距范围宽、可测量高温物体、抗干扰能力强等特点，可用于各种恶劣工业环境，对运动物体实现非接触高速测距。

附图说明

图1是激光三角测距仪硬件布置示意图；

图2是激光三角法测量原理图；

图3是本发明系统设计框图；

图4是图3中恒温部分的结构示意图；

图5是图3中FPGA的结构示意图；

图6是线阵CCD驱动仿真时序图；

图7是CCD包络实际波形图；

图8是四片CCD布置示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

一种基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪，该装置中FPGA在Quartus集成开发环境中使用VHDL描述，由时钟分频模块、CCD驱动模块、像素位置及距离计算模块、RS-422通信模块、恒温腔体测温驱动模块、加热制冷控制模块、数字电位器驱动模块等部分组成。

激光三角测距仪硬件布置如图1所示，主要由下列部分组成：激光器2、汇聚透镜1、接收透镜4、线阵CCD驱动板6、恒温装置9、散热片和散热风扇8、恒温控制板7、FPGA控制板3、一体化机械支架5。半导体激光器2发出一束激光，经汇聚透镜1照射到被测物体上，形成一个光斑，光斑在物体表面发生散射，其中一部分散射光经过接收透镜4在线阵CCD驱动板6上成像，当被测物体产生位移，其在CCD上的成像点也发生相应的移动，线阵CCD驱动板6产生的光包络信号送给FPGA控制板3，计算出成像点位置，通过像移和实际位移之间的三角关系，可以计算出真实的物体距离。

激光三角法测量原理如图2所示，图2中激光发射方向上OS表示最近处物体位置，该点处反射光在线阵CCD上成像点为CS；图2中激光发射方向上OE表示最远处物体位置，该点处反射光在线阵CCD上成像点为CE。被测距离在OS和OE之间变化时，像点也相应地在线阵CCD传感器CS和CE之间移动。在光源和CCD的相对位置确定的前提下，FPGA根据接收到的光包络信号，计算CCD上像点的位置，就能确定被测物体与测距仪之间的距离。

光源使用半导体激光器，它是一种注入式电致发光器件，具有单色性好、方向性强、发散角小、能量高度集中、体积小、重量轻等优点。由于被测物体表面的颜色与粗糙度不同，从而影响成像质量，无法保证可靠的测距精度。为了适应不同被测表面，使用带PD的激光二极管，实时监测发射激光强度，自动适应被测表面的变化，使接收信号达到最佳状态，实现恒功率控制。本装置使用波长为405nm的紫光半导体激光器，以便于对900摄氏度以上的高温物体测距。

激光三角测距仪的成像器件使用电荷耦合器件CCD，它是利用光电转换原理把图像信息直接转换成电信号，按照成像像元生产工艺一维分布还是二维分布，分成线阵CCD和面阵CCD两大类。面阵CCD用于图像记录，线阵CCD主要用于非接触检测、形状识别等方面。本装置使用Toshiba公司的线阵CCD芯片TCD1708，分辨率为7450像素。线阵CCD由一列光敏元阵列和与之平行的移位寄存器构成，在光敏元阵列与移位寄存器之间，有一列转移栅，控制电荷由光敏元转移到移位寄存器。当反射光照射在CCD传感器上时，在CCD上生成与投射光强相对应的电荷，从而获得光斑所对应电信号的输出。

本装置的整体工作情况如图3所示，激光照射到被测物体上形成反射光在线阵CCD上成像，当被测物体距离不同时，线阵CCD产生相位不同的光包络信号。微弱的光包络信号由高速运算放大器实现信号放大，将模拟信号送到高速并行A/D转换芯片实现模数转换，FPGA接收16位的数字信号进行成像点位置计算，通过像移和实际距离之间的三角关系，采用查表和线性内插相结合的方法，在内插区间内用直线代替曲线，计算物体距离。FPGA将距离送液晶显示，同时传给D/A转换芯片，通过4-20mA工业电流标准实现测距数据的远程传输，并且距离数据还通过RS-422接口实现远程数字通信。

由于半导体激光器受环境温度影响，光斑形状会发生微小改变，导致测量误差，因此把激光器封装在金属腔体中，将半导体制冷块和温度传感器紧贴金属腔体安装，由FPGA通过数字温度传感器实时测量恒温腔体温度，控制半导体制冷块对恒温腔体加热或制冷，为半导体激光器建立一个小型恒温环境，使激光三角测距仪可在各种恶劣工业环境工作，恒温部分工作原理如图4所示。

恒温腔体的加热/制冷通过半导体制冷块实现，这是一种基于珀尔帖效应的技术。把P型半导体和N型半导体用铜连接片焊成电偶对，当接通直流电源时，电子由负极出发，经过P型半导体，吸收热量，到了N型半导体，又将热量放出，使一端制冷一端散热，将电流方向反过来，则冷热端互换。将半导体制冷块一端紧贴恒温腔体，另一端紧贴散热片和风扇，从而使激光器恒温工作，保证光斑的高度稳定。

为保证半导体制冷块稳定工作，本装置使用开关电源芯片LM2576给制冷块供电。LM2576输出电压VOUT＝1.23*(1+R1/R2)，两个R1、R2中一个使用普通电阻，另一个使用数字电位器，使LM2576的输出电压可调，从而改变半导体制冷块工作电流，控制加热/制冷速度。在LM2576和半导体制冷块之间加上继电器，FPGA通过数字温度传感器实时检测恒温腔体温度，与最佳工作温度25摄氏度比较，控制继电器线圈高低电平，实现加热/制冷切换。

本装置中，核心功能像素位置、距离计算、恒温控制均由大容量FPGA芯片实现，其内部功能如图5所示，由时钟分频模块、CCD驱动模块、像素位置及距离计算模块、液晶显示驱动模块、D/A转换驱动模块、RS-422通信模块、恒温腔体测温驱动模块、加热制冷控制模块、数字电位器驱动模块组成。其中：

时钟分频模块的主要功能是输入50M时钟，产生5分频时钟10MHz和10分频时钟5MHz。时钟分频模块的输入时钟CLK50M来自50M的有源晶振，时钟输出端CLKA连到CCD驱动模块、像素位置及距离计算模块、液晶显示驱动模块、D/A转换驱动模块的时钟输入端。时钟分频模块根据50M晶振上升沿工作，每出现一次上升沿，三位计数总线加一，加到4后计数总线清零，计数总线最高位就是所需要的时钟CLKA。

CLKA＝CLK50M/5＝10MHz

时钟分频模块的另一个时钟输出端CLKB是恒温部分各芯片的工作时钟，产生方法与CLKA类似。

CLKB＝CLK50M/10＝5MHz

CCD驱动模块的作用是产生线阵CCD芯片TCD1708所需要的移位信号SH、时钟相位1信号PhA、时钟相位2信号PhB、复位信号RS、锁存信号CP以及A/D转换芯片的时钟ADCLK，同时需要产生CCD像素计数总线Pix[12..0]，CCD驱动模块的输入时钟有两个：来自有源晶振的CLK50M和来自时钟分频模块的10MHz时钟CLKA。

CCD驱动模块的工作过程描述如下：首先以CLKA为时钟，进行模8192计数，产生计数总线CLKACount[12..0]；接下来判断CLKACount[12..0]的数值，当CLKACount[12..0]＝2时，CCD移位信号SH为1，其余任何计数状态SH均为0，这样保证在每8192个CLKA时钟周期内，SH出现一次瞬时高电平。计数总线CLKACount[12..0]减去2即为所需的CCD像素计数总线Pix[12..0]。

判断CLKACount[12..0]的数值，当CLKACount[12..0]>＝1且CLKACount[12..0]<＝3时，信号PhaseCt为1，其余任何计数状态PhaseCt均为0，PhaseCt与输入时钟CLKA进行或运算，就可以产生CCD时钟相位1信号PhA。

PhA＝PhaseCt or CLKA

将PhA反相即可得到CCD时钟相位2信号PhB。

使用四级D触发器产生线阵CCD的复位信号RS和锁存信号CP，时钟相位1信号PhA作为第一级D触发器的数据输入，CLK50M为第一级和第三级D触发器的时钟，CLK50M反相后作为第二级和第四级D触发器的时钟，四个D触发器串联，即前一级D触发器的输出作为后一级D触发器的输入，四个D触发器的输入信号依次为PhA、PhA2、PhA3、PhA4，四个D触发器的输出信号依次为PhA2、PhA3、PhA4、PhA5。

RS＝(not PhA)and PhA2

CP＝(not PhA4)and PhA5

图6是线阵CCD驱动的仿真时序图，非常清晰的描述了线阵CCD各个驱动信号SH、PhA、PhB、RS、CP、Pix[12..0]、ADCLK的相位关系。

像素位置及距离计算模块是根据来自CCD驱动模块的像素计数总线Pix[12..0]，来自A/D转换芯片的数字化的十六位光包络数据Ana[15..0]，以及来自时钟分频模块的输入时钟CLKA，计算反射光对应的真实像素位置和物体距离DisData[15..0]。

示波器测量到的CCD包络实际波形如图7所示，可以看出光包络波形是一个渐变的曲线，覆盖了一段像素区域，需要计算出反射光真正对应的中心像素点位置。工作过程描述如下：像素计数总线Pix[12..0]从1到7450变化，每一个像素点都有对应的光包络电压数据Ana[15..0]，将Pix[12..0]乘以Ana[15..0]，计算其从1到7450的累加和，将计算结果除以电压数据Ana[15..0]从像素1到7450的累加和，最终结果即为光包络真正对应的像素点位置。

最终距离计算是通过像移和实际距离之间的三角关系，采用查表和线性内插相结合的方法。像素点位置与实际距离间的关系曲线是非线性的，采用逐段折线法来逼近，即把像素点分为多个区间，根据像素点位置查表，分别与区间拐点值依次比较找到所处区间，再用直线代替曲线，计算被测距离DisData[15..0]。

液晶显示驱动模块是根据来自时钟分频模块的输入时钟CLKA，以及来自像素位置及距离计算模块的距离数据DisData[15..0]，输出TFT液晶的控制信号DB[15..0]、LCDCS、LCDRST、LCDWR、LCDRD，将被测物体的距离在液晶上显示。

D/A转换驱动模块是根据来自时钟分频模块的输入时钟CLKA，以及来自像素位置及距离计算模块的距离数据DisData[15..0]，输出可以驱动D/A转换芯片的时钟DACLK、数据DAData和锁存信号DALatch，将被测物体距离通过4-20mA工业电流标准实现远距离传输。

RS-422通信模块是根据SSI协议将被测物体距离以数字形式远程传输。

恒温腔体测温驱动模块的作用是FPGA通过数字温度传感器，实时测量出恒温腔体的温度EnviTem[15..0]，恒温腔体测温驱动模块的输入时钟为CLKB，来自时钟分频模块，频率为5MHz。

加热制冷控制模块是根据来自恒温腔体测温驱动模块的温度数据EnviTem[15..0]，来自时钟分频模块的输入时钟CLKB，以CLKB为同步电路基准时钟，将EnviTem[15..0]和半导体激光器最佳工作温度25摄氏度比较，输出引脚HCSet为高/低电平，控制继电器线圈，实现半导体制冷块的制冷/加热切换。

数字电位器驱动模块的作用是根据来自恒温腔体测温驱动模块的温度数据EnviTem[15..0]，来自时钟分频模块的输入时钟CLKB，产生数字电位器各种信号PCS、PSCLK、PSDI。根据与最佳工作温度25摄氏度的差值大小，FPGA输出不同数据控制电位器阻值，从而使制冷和加热更为平滑、稳定。

为保证在工业应用场合足够的测距范围，采用图8中所描述的CCD级联布置方案，由四片线阵CCD芯片11组合而成，使CCD芯片的有效测量区域12首尾相连，避开了芯片封装产生的无效测量区域13。本装置使用四片高分辨率线阵CCD芯片TCD1708交错左右分布，测距范围达到10m，测距精度为0.34mm。

本具体实施方式光源使用工作于恒温环境、带PD的紫光半导体激光器，405nm窄带滤光片滤除干扰光，四片线阵CCD同时工作扩展测距范围，一体化机械支架调整CCD角度方便，利用FPGA的并行处理特性，实现对CCD包络信号的高速运算处理。

因此，本发明具有系统响应速度快、测量精度高、测距范围宽、可测量高温物体、抗干扰能力强等特点，可用于各种恶劣工业环境，对运动物体实现非接触高速测距。

Claims (7)

1.一种基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪，其特征在于包括激光器、汇聚透镜、接收透镜、线阵CCD驱动板、FPGA控制板、一体化机械支架，所述激光器发出一束激光，经汇聚透镜照射到被测物体上，形成一个光斑，所述光斑在被测物体表面发生散射，其中一部分散射光经过接收透镜在线阵CCD驱动板上成像，所述线阵CCD驱动板产生的光包络信号送给FPGA控制板，所述FPGA控制板上安装有时钟分频模块、CCD驱动模块、像素位置及距离计算模块、RS-422通信模块、恒温腔体测温驱动模块、加热制冷控制模块、数字电位器驱动模块，所述CCD驱动模块至像素位置及距离计算模块单向连接，所述像素位置及距离计算模块分别至液晶显示驱动模块、D/A转换驱动模块、RS-422通信模块单向连接，所述恒温腔体测温驱动模块分别至加热制冷控制模块、数字电位器驱动模块单向连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪，其特征在于所述激光器上安装有恒温控制板和恒温装置。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪，其特征在于所述激光器为半导体激光器。

4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪，其特征在于所述半导体激光器为波长为405nm的紫光半导体激光器。

5.根据权利要求3所述的一种基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪，其特征在于所述半导体激光器上设有带PD的激光二极管。

6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪，其特征在于所述激光器前安装有柱镜。

7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪，其特征在于所述线阵CCD驱动板前设有波长405nm窄带滤光片。