用于成像激光雷达的转镜扫描关键技术研究

论文摘要

针对课题组研制新一代成像激光雷达的实际需求,论文从提高多面转镜式激光扫描器的位置精度、速度稳定性以及延长系统寿命的角度对转镜式扫描技术进行了研究。论文首先设计了整个扫描器的总体结构,分析了镜面形变、速度稳定性等因素对扫描激光脚点位置误差的影响,提出了系统性能指标。根据设计需求选择了无刷直流电机作为系统驱动部件,光栅编码器作为系统位置测量元件,并确定了各自的型号和技术参数。利用SolidWorks完成了转镜的建模和系统其余部件的机械设计并进行了力学分析。针对转镜的具体结构,利用刚体平衡条件,重点对转镜进行了静平衡和动平衡设计和优化。提出了一种基于SolidWorks的转镜平衡分析方法,该方法利用SolidWorks的质量评估功能得到转镜的质心坐标和中心惯性主轴与旋转轴的夹角以此作为转镜动平衡性能评价指标。提出了一种基于SolidWorks Simulation的转镜动平衡仿真方法,上述方法普遍适用于一般刚性转子。利用ANSYS对转镜进行了形变仿真分析,结果表明:3600rpm条件下,转镜形变小于30nm,形变角小于0.1",由此引起的10m远处激光脚点位置误差小于0.01mm。设计了无刷直流电机驱动电路,电路以无刷直流电机专用控制芯片Si9979Cs为核心,以三片Si9936DY组成三相MOSFET桥。设计了光耦隔离电路、电源电路等其它外围电路和保护电路。实验结果表明:论文设计的驱动电路工作稳定可靠,能有效驱动Maxon EC-max 40 283867型无刷直流电机。选择了基于经典控制理论的增量式数字PID作为系统的控制方法。利用C8051F120单片机和FPGA组成的控制电路,搭建了由上位机、控制电路、驱动电路和转镜式扫描器等组成的实验系统。实验结果表明:论文采用的控制方法能有效的进行速度调节和控制,转镜能在预定速度稳定运行,速度误差的标准差为10-5量级。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 转镜式激光扫描器研究现状
• 1.3 论文主要研究内容与思路
• 第二章 转镜式激光扫描器设计与分析
• 2.1 高分辨率激光扫描器简介
• 2.2 转镜式激光扫描器主要结构与组成
• 2.2.1 转镜式激光扫描器的组成
• 2.2.2 主要性能分析
• 2.2.3 联轴器的选择
• 2.2.4 驱动电机的选择
• 2.2.5 角位置检测元件的选择
• 2.2.6 转镜结构设计
• 2.3 转镜分析与仿真
• 2.3.1 刚体动平衡理论
• 2.3.2 转镜动平衡分析与仿真
• 2.3.3 转镜形变分析与仿真
• 2.4 转镜式激光扫描器机械设计与分析
• 2.4.1 转镜建模
• 2.4.2 转轴设计与分析
• 2.4.3 支架设计与分析
• 2.4.4 系统装配与分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 转镜式激光扫描器电路设计与分析
• 3.1 无刷直流电机简介
• 3.1.1 无刷直流电机的基本组成
• 3.1.2 无刷直流电机的工作原理
• 3.1.3 无刷与有刷直流电机的转矩波动
• 3.2 无刷直流电机驱动电路设计
• 3.2.1 驱动方案设计
• 3.2.2 Si9979Cs 的工作原理
• 3.2.3 驱动电路设计
• 3.2.4 外围电路设计
• 3.3 扫描器控制电路简介
• 3.4 本章小结
• 第四章 转镜式激光扫描器控制技术研究
• 4.1 控制方法的选择
• 4.2 PID 控制简介
• 4.2.1 PID 的基本原理
• 4.2.2 PID 控制参数的整定
• 4.2.2.1 Ziegler-Nichols 整定法
• 4.2.2.2 临界比例度法
• 4.3 控制系统软件设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 转镜式激光扫描器实验与分析
• 5.1 实验系统简介
• 5.2 电机驱动实验
• 5.3 系统扫描实验
• 5.4 速度实验
• 5.4.1 速度响应实验
• 5.4.2 速度稳定性分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结及展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 进一步研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录： 转镜式激光扫描器驱动电路图