用于成像激光雷达的线扫描振镜关键技术研究

论文摘要

针对扫描成像激光雷达对高分辨率二维激光扫描的需要,论文对用于成像激光雷达的线扫描振镜的关键技术进行了研究。论文分析了现有转镜式激光扫描器垂直像素数较低的限制因素,提出了在系统中增加一个一维线扫描振镜以提高扫描图像垂直像素数的改进方案。通过对激光扫描器工作原理的分析提出了线扫描振镜的设计指标,给出了线扫描振镜的总体设计方案。采用机械控制综合设计的方法完成了振镜机械结构和控制系统设计。论文对振镜系统中的控制对象、控制器、测量噪声、驱动饱和等因素进行了仿真建模,根据仿真模型分析了振镜机械参数对系统关键性能的影响,对反射镜和柔性支撑的机械设计方案进行了优化。同时针对控制对象机械谐振频率较低的特性,提出了基于零极点对消方法的控制器设计方案。论文利用振镜样机对设计方案进行了实验验证。利用LabVIEW和数据采集卡构建了虚拟仪器系统,对控制对象的频率特性进行了测量,根据测量结果拟合得到了控制对象的传递函数。根据辨识结果完成了控制器设计和系统闭环实验。实验结果表明:虚拟频率特性测量系统能够准确辨别控制对象的频率特性,使用串联校正的方法抑制了机械谐振的影响,使系统的开环穿越频率接近控制对象的机械谐振频率,系统闭环带宽达到约100Hz,扫描线性度与开环系统相比有了明显改善。实验证明振镜的设计方案是可行的。论文的研究工作为线扫描振镜和高分辨率激光扫描器的研制奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 线扫描振镜研究现状
• 1.3 研究内容与思路
• 第二章 线扫描振镜总体设计方案
• 2.1 激光扫描器改进方案
• 2.1.1 现有激光扫描器分析
• 2.1.2 改进激光扫描器方案
• 2.2 振镜性能需求分析
• 2.3 振镜总体设计
• 2.3.1 机械结构
• 2.3.2 驱动装置
• 2.3.3 反射镜
• 2.3.4 传感器
• 2.3.5 驱动电路与控制系统
• 2.3.6 机械CAD 模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 线扫描振镜机械控制系统综合设计
• 3.1 机械控制综合设计的方法
• 3.2 反射镜机械结构设计
• 3.3 柔性支撑机械结构设计
• 3.3.1 柔性支撑设计原理
• 3.3.2 振镜控制系统建模
• 3.3.3 柔性支撑机械参数优化
• 3.3.4 柔性支撑机械设计方案
• 3.4 音圈电机选型与系统方案验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 线扫描振镜驱动电路分析
• 4.1 驱动电路原理
• 4.2 驱动电路测试
• 4.2.1 线性度测试
• 4.2.2 动态性能测试
• 4.3 本章小结
• 第五章 线扫描振镜控制系统实验验证
• 5.1 传递函数辨识实验
• 5.1.1 传递函数辨识原理
• 5.1.2 实验系统介绍
• 5.1.3 传递函数辨识实验结果
• 5.2 控制器设计与实现
• 5.2.1 控制器设计
• 5.2.2 控制器实现
• 5.3 系统闭环实验
• 5.3.1 开环实验结果
• 5.3.2 闭环实验结果
• 5.3.3 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文的主要工作
• 6.2 进一步的研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果