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基于CMOS单点激光三角法测距系统设计

基于CMOS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CMOS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;CMOS;逐段折线逼近

中图分类号:TH76112 文献标识码:A

Distancemeasuringusingsingle-pointlasertriangulationsystemdesignbasedonCMOS

LINXiao2qian,LINBin,PANTai2cai(CNERCforOpticalInstrument,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Abstract:Inthispaper,accordingtotheprincipleofdistancemeasuringusingtriangulation,asuit

ofdistancemeasuringusingsingle2pointlasertriangulationsystembasedonCMOSisdesignedthrough

thetechniqueofMCU.Thehardwareofthesystemandthestructureofthesoftwarearedescribedin

detail,duetothenon2linearcharacteristicoftheusedlight2sensitivetransducer′scalibrationcurve,the

methodofusingpiecewiselinearlinetoapproximatecalibrationcurveisgiven,atlast,theresultsofthe

experimentareintroducedanditisanalyzedtherelationbetweeneveryparameterandexperimental

precision.Theresultsoftheexperimentprovethefeasibilityoftheidea,themeasurementerrorofthis

methodislessthan3%.

Keywords:single2pointlasertriangulation;MCU;CMOS;piecewiselinearApproximation

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CMOS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

OPTICALINSTRUMENTSVol.28,No.2April,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

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

Xf=(Y-L)󰃖1L2+l2

L2+l2+(Y-L)󰃖LL2+l2(1)

得Y和X两者之间的关系为:

Y=X󰃖l2+l󰃖f󰃖Ll󰃖f-L󰃖X(2)

X=l󰃖f(Y-L)Y󰃖L+l2(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CMOS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He2Ne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CMOS摄像镜头照射到光敏面上,C8051F020单片机控制CMOS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

LCD上。C8051F020有8个8位的输入输出口,能够满足对CMOS、LCD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HS1286422,所用存储器为K9F2808U0C系列。

3　系统的硬件设计

3.1

　测距系统的标定

CMOS

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・82・　光　学　仪　器第28卷

X′Y=l3󰃖f+l󰃖f󰃖L2(Y󰃖L+l2)2(4)

X′l=f󰃖(Y-L)󰃖(Y󰃖L-l2)(Y󰃖L+l2)2(5)

X′f=l󰃖(Y-L)Y󰃖L+l2(6)

由(4)式可知,Y值越大即测量距离越远,测量分辨率越低,由(5)式和(6)式可知,对同一Y值,f和l越大,

X′越大即测量精度越高,而f和l大则会减小测量范围。在中短距离的非接触测量中,综合考虑测量分辨力

和系统结构参数,所取f与l数据相当,且远小于L[2]。系统测距定在3m～8m之间,选取测量基线长度即成

像系统中心到发光点中心的水平距离150mm,焦距选为140mm,计算得出镜头光轴与测量基线的夹角Η为

88104°,L为414m,最大的像点偏移距离为2123mm,系统选用LM9618作为传感器,分辨力为640×480。

3.2　单片机与CMOS、LCD和FLASH的接口电路设计单片机与CMOS、LCD、FLASH之间的接口连接如图3所示,使用单一3.3V电源,单片机的P0.6,P0.

7引脚交叉配置为SDA、SCL实现IIC总线,P1.0交叉配置为CEX0输出实现LM9618时钟信号MCLK,

P1.1实现对CMOS行同步信号hsync的采集,P1.2实现对CMOS列同步信号vsync的采集,

图3　单片机与CMOS、LCD、FLASH的接口电路P1.3实现对CMOS像素时钟pclk的采集,P1.4实现对CMOS快照模式下外部事件同步信号的采集,P1.

5实现对CMOS快照模式下中断输出的采集,P4.0、P4.1、P4.2、P4.3和P5口接CMOS的数据口,实现对

数据的采集。单片机控制存储器和LCD的时序和命令,并向相应的端口传输数据,LCD的8位数据口DB0～DB7接单片机的P2口用于数据传输,控制口如选择芯片信号引脚CS1、CS2接单片机的P6.0、P6.1引

脚,读写信号R󰃗W接单片机的P6.2引脚,数据和命令切换位D󰃗I接单片机的P6.3引脚,数据显示E接单

片机的P6.4引脚,复位信号RET接单片机的P6.5引脚,通过初始化LCD和向相应的控制口发送控制命

令把测距通过P2口传到点阵型LCD显示。存储器的数据口I󰃗O0～7接单片机的P7口,它的控制口如命令

锁存使能CLE接单片机的P3.0引脚,地址锁存使能ALE接单片机的P3.1引脚,读信号RE接单片机的

P3.2引脚,写信号WE接单片机的P3.3引脚,操作状态R󰃗B接单片机的P3.4引脚,通过P7口向单片机写命令、地址和数据。・92・第

2期林小倩等:　基于CMOS单点激光三角法测距系统设计　

单片机控制的主程序分为三个方面:一方面是控制CMOS采集图像。考虑到单片机读取和保存图像

所花费的时间,只有当CMOS的像素时钟为1帧时,单片机能及时读取CMOS采集到的图像。另一方面是

对接收到的数据进行处理。采用区域阈值化后求质心的理论计算出光斑质心。最后是计算测距、对测距进

行保存和显示。由于目标点等间隔移动时其像点在CMOS上并不是等间隔地变化,因此这种测量是非线

性的,通过校准得到CMOS上像点的位置和目标点与距离之间关系的标定曲线,计算实测距离时采用逐

段折线法来逼近,将输入的像点位置分别与分割线段拐点值依次比较,找到所在区间,利用相应的直线段

代替曲线段计算像点所对应被测距离的理论值。单片机控制主程序流程图如图4所示。

图4　单片机控制主程序流程图图5标定曲线

5　数据分析与结论

由于这种测量是非线性的,为了使测量数据更加准确,通过校准得到CMOS上像点的位置和目标点

与仪器的距离之间的标定曲线如图5所示,计算实测距离时采用逐断折线法来逼近,把距离从3m～8m以

200mm为单位分隔为25个小区间,每个小区间有相对应的像点位置,找出输入的像点所在的区间,利用直线段代替曲线段求出像点所对应被测距离的理论值。实验中以500mm为单位对3m～8m的距离用系统

进行了测量,得出相对偏差值在3%的范围之内。误差分析:由(4)式、(5)式、(6)式可知,Y值越大即测量距

离越远,测量分辨力越低,增大f和l能够提高测量精度,在透镜、CMOS和光源的相对位置固定的情况下,影响测量精度的主要因素是CMOS的像元数和所得像点位置的精确程度。该测距系统成本低,携带方便,适用于精度要求不太高的非接触性中短距离测量。

6　参考文献

[1]　田　波.激光三角法测量烟卷直径[J].自动化与仪器仪表,1999,82(2):13～14.[2]　张松敏,王洪列,陈明培,等,一种把三角法应用于中、短距离测量的方法[J].光学技术,1999(5):49～53.[3]　戴立铭,江潼君.激光三角测量传感器的精密位移测量[J].仪器仪表学报,1994,15(4):400～404.・03・　光　学　仪　器第28卷

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