一种相位式激光测距系统和方法
【专利摘要】本发明提出一种相位式激光测距系统和方法，对已有激光器进行二次开发，使得用户能够通过上位PC机控制激光器的工作模式，执行距离测量并输出测量数据，由单片机对输出的测量数据进行解码，并输出到上位PC机进行显示。本发明提出的技术方案还可以通过最小二乘法对测量精度进行提升。
【专利说明】一种相位式激光测距系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光测距【技术领域】，具体涉及一种相位式激光测距系统和方法。
【背景技术】
[0002]激光测距利用了激光具有的良好的单色性、方向性、相干性以及高亮度的特点，以实现高精度的测量，其可应用于长度、距离和角度等的测量当中。
[0003]世界上第一台激光测距仪于1961年研制成功。而在上世纪70年代，YAG激光器技术逐渐成熟，并且大量应用于激光测距仪中。在80年代，随着半导体的进步，半导体激光器在输出功率、光束方向性以及探测器；灵敏度等方面均取得显著的进步。而在近年来，随着集成电路技术的发展和半导体激光器的成熟，出现了面向大众日常生产生活使用的，对人眼安全、低价便携的手持式激光测距仪，并且发展十分迅速。
[0004]激光测距仪测距作为近年来快速发展的一种测距方式，以其测量精度高，分辨率高，抗干扰能力强和小巧轻便等优点，在军用和民用领域应用日益广泛。现阶段我国在激光测距领域与国外尚有差距，在军事工业领域依然受制于人。希望借助一些国外的研发经验成果，对现有的FLUKE411D手持式激光测距仪进行二次开发，研发一种微小型无人通用的激光测距�？椋⒍云浣刑嵘鹊乃惴ㄑ芯�。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出一种相位式激光测距系统和方法。
[0006]所述系统包括:
[0007]上位PC机、通过PL2303串口转USB�？橛肷衔籔C机连接的PIC16F877A单片机、以及通过转接板与所述PIC16F877A单片机连接的激光测距仪；
[0008]其中，所述激光测距仪采用FLUKE激光器，使用转接板将FLUKE激光器的输出信号端口与PIC16F877A单片机连接，采集FLUKE激光器输出的测距数据；使用转接板将FLUKE激光器的接收输入控制信号的端口与PIC16F877A单片机连接，将所述PIC16F877A单片机输出的控制工作模式的指令输入所述FLUKE激光器；
[0009]其中，所述PL2303串口转USB�？榘谥玫腢SB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器功能的通用异步传输器UART ；
[0010]其中，所述PIC16F877A单片机对所述采集的FLUKE激光器输出的测距数据执行解码，将解码后的数据通过所述PL2303串口转USB�？榇涞缴衔籔C机进行显示，和/或接收上位PC机通过所述PL2303串口转USB模块发送的控制命令，将所述控制命令转换成控制所述FLUKE激光器工作模式的指令。
[0011]一种基于所述系统的相位式激光测距方法，包括:
[0012](I)系统上电工作后，对所述PIC16F877A单片机执行初始化，具体包括:设置传输波特率，打开所述PIC16F877A单片机的UART通道，设置所述PIC16F877A单片机的AN0-AN7通道为信号输入通道，准备对输入模拟信号采样，并打开所述PIC16F877A单片机的总中断；
[0013](2)系统进入SLEEP工作模式，等待用户输入控制命令；
[0014](3)当检测到用户通过上位PC机输入的控制命令为字符‘c’时，控制所述FLUKE激光器进入连续测量Continue工作模式，在此工作模式中FLUKE激光器处于不间断距离测量状态；在处于连续测量Continue工作模式中时，如果接收到为字符‘e’的控制命令，则控制FLUKE激光器跳出所述连续测量Continue工作模式，进入SLEEP工作模式；
[0015](4)在SLEEP工作模式中，当接收到为字符‘r’的控制命令时，控制FLUKE激光器进入Request工作模式，在此工作模式中所述FLUKE激光器将首先处于等待状态，此时如果接收到为字符‘g’的控制命令，则测量得到一个距离值，并且保存这个距离值，然后控制所述FLUKE激光器再次进入Request工作模式；在处于所述Request工作模式时,如果接收到为字符‘e’的控制命令，则控制所述FLUKE激光器返回SLEEP工作模式。
[0016]特别地，所述方法还包括步骤:
[0017](5)在执行多次距离测量后，采用最小二乘法对多次测量距离的结果进行处理。
[0018]本发明提出的系统能够使得用户通过上位PC机对已有激光器的工作模式进行控制，并能够通过最小二乘法对测量精度进行提升。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]附图1为本发明提出的一种相位式激光测距系统结构图。
[0020]附图2为本发明提出的一种相位式激光测距方法流程图。
[0021]附图3为FLUKE激光器输出测量信号波形图。
[0022]附图4为IXD液晶屏数据线示意图。
[0023]附图5为液晶屏数据线示意图。
[0024]附图6示出的是基于polyfit函数的最小二乘法拟合曲线。
[0025]附图7示出的是基于Isqcurvefit函数的最小二乘法拟合曲线。
[0026]附图8示出的是基于图形界面的最小二乘法拟合曲线和残差示意图。
[0027]附图9示出的是基于图形界面的最小二乘法拟合曲线方程和残差参数示意图。
[0028]附图10示出的是基于cftool函数的最小二乘法拟合曲线。
【具体实施方式】
[0029]下面参照附图，对本发明的【具体实施方式】进行描述。
[0030]参照附图1，本发明的第一实施例提出的一种相位式激光测距系统包括上位PC机、PL2303串口转USB�？�、PIC16F877A单片机、PICKU3下载器、激光测距仪和转接板。
[0031]激光测距仪采用FLUKE激光器。对FLUKE激光器进行二次开发，分别使用转接板将FLUKE激光器给LCD液晶屏的输出信号和按键面板的控制信号与PIC16F877A单片机接起来，实现PIC16F877A单片机对激光器的控制和信号的采集。
[0032]一个转接板连接的端口是FLUKE411D激光器的控制端，在原来的激光测距仪中该端口与FLUKE的按键面板相连，在设计的系统中给这个端口所有的7条线中的3条线电压信号，以实现对进行FLUKE激光器的控制。这样做的原因是因为这3条线所控制的工作模式是系统工作时所需要的，而另外几条线所控制的是激光器的加减，改变测量模式等其它工作状态的，与所进行的研究没有关系，所以就不对这些端口施加信号了。
[0033]一个转接板连接的是FLUKE激光器芯片处理信号输出端口。单片机接收FLUKE激光器输出的处理信号，完成对它们输出信号的解码，将它们所表示的数字解码出来，然后由单片机传输给上位机，在上位机中显示出FLUKE激光器所测得的距离。具体介绍将在下面的解码部分叙述。
[0034]PICkit3编程器/调试器是一款由在Windows平台上运行MPLAB IDE (v8.20或更高版本)软件的PC控制的简单低成本在线调试器。PICkit3编程器/调试器是开发工程师工具包的不可或缺的组成部分。可用于从软件开发到硬件集成等各种应用领域。
[0035]PL2303USB转串口�？槭荘rolific公司生产的一种高度集成的RS232-USB接口转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利连接的解决方案。
[0036]该器件内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，只需外接几只电容就可实现USB信号与RS232信号的转换，能够方便嵌入到各种设备;
[0037]该器件作为USB/RS232双向转换器，一方面从主机接收USB数据并将其转换为RS232信息流格式发送给外设；另一方面从RS232外设接收数据转换为USB数据格式传送回主机。
[0038]参见图2，本发明另一个实施例提出了一种基于上述系统的相位式激光测距方法，包括如下步骤:
[0039]系统开始工作后首先对单片机进行初始化，使单片机的各项工作状态达到需要的状态，即传输波特率为9600symbol/s，打开单片机的UART通道，使单片机的AN0-AN7通道为信号输入，准备对输入模拟信号采样，打开总中断。
[0040]然后系统进入默认的SLEEP工作模式即等待当中。如果没有指定指令输入，系统将一直处于SLEEP模式中，直到从主控计算机通过串口发送相应指令使系统进入不同的预设模式中工作。
[0041]当输入‘c’字符时，系统进入Continue工作模式，即连续工作测量模式，此时系统处于不间断测量工作中，而当再输入‘e’时，系统则跳出Continue工作模式，进入SLEEP等待模式当中。
[0042]在SLEEP等待模式中，当输入‘r’字符指令时，系统则进入Request工作模式当中，在此模式中系统将首先处于等待当中，当再输入指令‘g’字符时，系统测量得到一个距离值，并且保存这个距离值，之后系统又进入Request模式中继续等待，当再有‘g’字符指令时，测得一个距离值，即在需要系统测量时系统才进行测量。而当在Request模式中等待时，输入指令为‘e，字符时，系统则回到SLEEP模式中等待。
[0043]除了上述叙述的工作过程外，在任何一步输入其它无关指令系统都不会响应，仍将处于当前工作状态当中。
[0044]本发明的另外一个实施例提出了 PIC16F877A单片机对从FLULKE激光器采集的数据信号进行解码的方案。在这部分，将重点介绍一下FLUKE411D激光器输出信号的特点，以及如何让单片机对FLUKE411D激光器的输出信号进行解码的。
[0045]首先要说明的是，单片机系统采集的FLUKE411D激光器的输出信号是原FLUKE411D激光器主测量模块输出给IXD液晶屏的信号，这是一组电压信号。如图3所示。从图中可以看出输出的信号分为4个级别，在一个周期当中，会有8个小段，而采集的数据并不是整个周期，只采集每个周期的第1、3、5、7小段的数据，而2、4、6、8小段的数据则是无效数据，解码过程中并不需要它们。
[0046]通过图4，图5可以看出，IXD每个液晶屏的显示是由4条COM线和2个SEG线控制的。
[0047]通过对4条COM线输出波形的进行检测，发现4条COM线输出的波形是完全一样的，只是在相位上依次相差90°，即相差2个小段，最终形成一个循环。而在每个周期中，4条COM线只在其中的1/8的周期中处于最高电压状态(可以认为其在每个周期开始的1/8时间内是高电压状态)，其余时间电压均低于最高电压。由于只有在COM线与SEG线之间的电压差几乎达到VDD (在这里大约为3V)才能使相应的LCD数码管显示，因此测量每个SEG线的波形就成为解码FLUKE411D输出信号的关键。
[0048]对于测量SEG线信号，使用的方法是利用单片机的A/D采集通道对特定时间的SEG信号(即每个周期1、3、5、7小段的SEG信号)进行采样，然后将采样的结果分别与COM线的最大值即单片机A/D采集通道所能转换出的最大值做差(即用1023减去从A/D通道采集到的SEG线的数)，通过检测差值的大小来确定LCD液晶屏上相应每段是显示还是关闭的。
[0049]在采集到所需要的LCD液晶屏上每段的数据后，可以通过排除判断法来进行解码。先对中间段进行判断，如果它是关闭着的，那么显示的数字就可能是O或I或7，然后再对上端和下端进行检测，如果全部都显示则该数字是0，如果下端不显示而上端显示，则这个数字是7，如果上端和下端都不显示则数字应为I (程序中实际是在上面两项判断都不是时则认为剩下的数字是I)。而如果中间段显示，然后检测左上方为关闭，则显示数字应为2或3，然后对左下端进行检测，如果显示则数字应为2，而不显示则数字应为3。之后在进行判断，如果检测到右上段是关闭着的，则显示的数字可能为5或6，然后如果检测到左下段为关闭，顶部为开着的，则显示的数字应是5，如果判断为不是则显示的数字是5。如果左下不显示同时顶端也不显示，则显示的数字为4，然后再检测左下部，不显示为9。最后如果以上判断均不对，则剩下的数字只能是8 了。
[0050]通过将以上逻辑可以很容易的实现对FLUKE激光测距仪的解码。
[0051]另外，对于10个数字的判断，使用的是排除法，即把不可能的排除掉之后，剩下的就是所需要的。采用这种判断的好处是判断语句相应较少，且关系较为简单明确，如果对每个数字的判断都采用完全判断，即必须严格按照其显示的数字的显示段来进行判断，虽然会得到严格意义上的数字，但是这样将会使判断函数过于冗长复杂，且容易出现死循环的情况。当然，虽然目前的这种算法判断较为简单，但是一旦出现不是要解码的符号出现，判断函数依旧会解码出一个数字出来，这是这种算法的缺陷。这也就是为什么在测数阶段有时会出现全是‘I’的原因。由于判断函数以及FLUKE411D激光器输出给LCD液晶屏的信号的问题，使得在出现乱码或者其他一些干扰信号或系统采集数据出现异常时，判断出‘I’的概率是最大的。这一点可以从实际测量的数据结果中得出。
[0052]在数据的采集阶段，让程序判断COM线中第一条输出线的数据大小来决定是否对SEG线的信号采样。对于COMl线，这条线是唯一需要测量的一条输出数据线，而其他的COM线则不需要做任何处理。当从COMl线采集到的信号大于900后，让程序进入SEG线的采样当中，在SEG线的采样过程中，由于不是连续采样，在采样过程中需要采用延时跳跃采样法，即在需要的时间端上采样信号，因此需要在每段采样之间加入延时函数。由于延时必须精确，因此采用NOP函数作为一个延时，在PIC16F877A单片机中，采用4M晶振时，一个NOP函数执行的时间大约为5 μ S，通过观察示波器上的波形，大概能够计算出一个初始的NOP循环次数，然后可以在程序运行时通过将采集到的相应时间相应段上的数据显示出来，与理论结果进行比较，来决定延时时间是否合适，通过不断的调试，最终可以得到一个对系统来说较合适的延时时间。而在每采集完一个通道的数据后，必须马上让单片机处理A/D模块采集来的数据，马上将其保存到之前定义好的数组当中去，以防后面的程序对采集到的数据产生干扰。
[0053]本发明另外一个实施例提出了一种基于最小二乘法的测距精度提升方案。最小二乘法是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法还可用于曲线拟合。
[0054]对给定数据点{(Xi, Yi)} (i = O, I, ".,m),在取定的函数类Φ中，求p(x) e Φ ,使误差的平方和E~2最�。2 =Σ [p(Xi)_Yi]~2。从几何意义上讲，就是寻求与给定点{(Xi，Yi)}(i =0，1，…，m)的距离平方和为最小的曲线y = p(X)。函数p(x)称为拟合函数或最小二乘解，求拟合函数P (x)的方法称为曲线拟合的最小二乘法。
[0055]polyfit 函数拟合
[0056]polyfit函数可以计算数据的η次最小二乘拟合多项式，其调用格式为A =polyfit (X，y, η),式中X和y分别为自变量和因变量，而η为多项式的次数,而得到的A为多项式系数按降幂排列得出的行向量，可以使用PolyfitO函数求取多项式的值，η = I时就为线性拟合，多项式拟合是最简单且常用的方法。
[0057]利用MATLAB提供的polyfit函数，可以对采样得到的数据进行最小二乘拟合，拟合得到的图像如图6所示，拟合得到的曲线:y = 0.9990X+112.8229。
[0058]Isqcurvefit 函数拟合
[0059]MATLAB的最优化工具箱中提供了内建函数lsqcurvefit，它是用来解决最小二乘曲线拟合的。该函数的调用格式为:
[0060]c = lsqcurvefit (FUN, a0, x, y),
[0061]其中:FUN为原型函数的MATLAB表示，可以是M函数或匿名函数叫为最优化的初值；x，I为原始输入输出数据向量。
[0062]通过将数据输入lsqcurvefit函数当中，得到了如图7的拟合曲线，而得到的拟合方程为:y = 0.9990*χ+112.8229。
[0063]图形界面拟合
[0064]图形界面拟合，是在MATLAB当中先将数据点输入工作空间，然后将数据点绘出，在弹出的图形窗口中则可以对选择对数据进行处理的方法。如果需要将以上的结果保存到工作空间，单击Save to workspace键即可进行保存。图8上面的直线图为拟合的曲线，图8下面的矩形图为采样点和拟合曲线之间的在各个点的残差。而从图9可以看出拟合方程为:y = 0.99901X+112.82，拟合后的残差为 3.0427。
[0065]cftool函数拟合
[0066]MATLAB的曲线拟合工具箱有强大的图形拟合功能，它是一个可视化的图形界面。可以方便快捷地进行列表曲线拟合。
[0067]输入cftool命令可以打开MATLAB中最常用的曲线拟合工具箱，在这个工具箱中，可以进行相应的曲线拟合，如图10所示。
[0068]当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种相位式激光测距系统，其特征在于，包括: 上位PC机、通过PL2303串口转USB�？橛肷衔籔C机连接的PIC16F877A单片机、以及通过转接板与所述PIC16F877A单片机连接的激光测距仪； 其中，所述激光测距仪采用FLUKE激光器，使用转接板将FLUKE激光器的输出信号端口与PIC16F877A单片机连接，采集FLUKE激光器输出的测距数据；使用转接板将FLUKE激光器的接收输入控制信号的端口与PIC16F877A单片机连接，将所述PIC16F877A单片机输出的控制工作模式的指令输入所述FLUKE激光器； 其中，所述PL2303串口转USB�？榘谥玫腢SB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器功能的通用异步传输器UART ； 其中，所述PIC16F877A单片机对所述采集的FLUKE激光器输出的测距数据执行解码，将解码后的数据通过所述PL2303串口转USB�？榇涞缴衔籔C机进行显示，和/或接收上位PC机通过所述PL2303串口转USB�？榉⑺偷目刂泼睿隹刂泼钭怀煽刂扑鯢LUKE激光器工作模式的指令。
2.一种基于权利要求1所述系统的相位式激光测距方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)系统上电工作后，对所述PIC16F877A单片机执行初始化，具体包括:设置传输波特率，打开所述PIC16F877A单片机的UART通道，设置所述PIC16F877A单片机的AN0-AN7通道为信号输入通道，准备对输入模拟信号采样，并打开所述PIC16F877A单片机的总中断； (2)系统进入SLEEP工作模式，等待用户输入控制命令； (3)当检测到用户通过上位PC机输入的控制命令为字符‘c’时，控制所述FLUKE激光器进入连续测量Continue工作模式，在此工作模式中FLUKE激光器处于不间断距离测量状态；在处于连续测量Continue工作模式中时，如果接收到为字符‘e’的控制命令，则控制FLUKE激光器跳出所述连续测量Continue工作模式，进入SLEEP工作模式； (4)在SLEEP工作模式中，当接收到为字符‘r’的控制命令时，控制FLUKE激光器进入Request工作模式，在此工作模式中所述FLUKE激光器将首先处于等待状态，此时如果接收到为字符‘g’的控制命令，则测量得到一个距离值，并且保存这个距离值，然后控制所述FLUKE激光器再次进入Request工作模式；在处于所述Request工作模式时，如果接收到为字符‘e’的控制命令，则控制所述FLUKE激光器返回SLEEP工作模式。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括步骤: (5)在执行多次距离测量后，采用最小二乘法对多次测量距离的结果进行处理。
【文档编号】G01S17/32GK104076367SQ201410333756
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年7月14日
【发明者】肖瑾, 郑惠俊, 胡晓光, 曼诺·劳西列维奇, 肖继忠, 范建新, 吴冰 申请人:北京航空航天大学
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