一种多线激光雷达扫描时序控制方法
阅读说明：本技术 一种多线激光雷达扫描时序控制方法 (Multi-line laser radar scanning time sequence control method ) 是由 王锴磊 刘柯 郭天茂 王晓光 朱浩 鲍晨兴 于 2020-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种多线激光雷达扫描时序控制方法,多线激光雷达以FPGA作为主控模块,主控模块内部包含电机控制单元、时序控制单元、触发控制单元和采集控制单元；其中电机控制单元与电机驱动单元、电机以及增量编码器组成电机的旋转控制模块；触发控制单元、采集控制单元和多通道激光驱动探测单元组成多通道激光测距模块；增量编码器将输出的脉冲信号发送给FPGA,FPGA依据设定的采样频率对脉冲信号进行分频或倍频得到与采样频率一致的有效控制信号；然后将有效控制信号变换后形成触发信号,用于控制多通道激光驱动探测单元进行激光测距；FPGA在控制多通道激光驱动探测单元进行激光测距的同时,增量编码器记录当前的方位角,由此确保测角、测距的同步性。(The invention provides a multi-line laser radar scanning time sequence control method, wherein a multi-line laser radar takes an FPGA (field programmable gate array) as a main control module, and the main control module internally comprises a motor control unit, a time sequence control unit, a trigger control unit and an acquisition control unit; the motor control unit, the motor driving unit, the motor and the incremental encoder form a rotation control module of the motor; the trigger control unit, the acquisition control unit and the multi-channel laser driving detection unit form a multi-channel laser ranging module; the incremental encoder sends the output pulse signal to the FPGA, and the FPGA carries out frequency division or frequency multiplication on the pulse signal according to the set sampling frequency to obtain an effective control signal consistent with the sampling frequency; then converting the effective control signal to form a trigger signal for controlling the multi-channel laser driving detection unit to carry out laser ranging; the FPGA controls the multi-channel laser driving detection unit to carry out laser ranging, and the incremental encoder records the current azimuth angle, so that the synchronism of angle measurement and ranging is ensured.)
技术领域
本发明涉及一种时序控制方法，具体涉及一种多线激光雷达扫描时序控制方法。
背景技术
多线激光雷达是一种主动旋转式的全圆周敏感的导航避障设备，其基本工作原理为在某一时序的控制下，每旋转一固定角度(设定角度值)进行一次距离测试，由此全圆周旋转时均匀的以某一角度间隔进行测量。
目前，市面上的多线激光雷达主要有16线和32线，在主控时序下按照一定的速度匀速转动，以某一固定时间间隔固定时刻进行测量，均匀实现360度全圆周的测量。其主控时序一般采用如下技术产生：
FPGA主动产生时序，即该时序完全通过FPGA产生，产生后经过分频或者倍频后为多线激光雷达提供控制时序、测量触发、位置牵引和旋转控制。该方法使用简单，完全由FPGA输出，不需要进行过多的干预即可正常工作；但是在实际操作时虽然是采用主动控制产生时序，该时序需要与多线激光雷达的测角元件保持一致，但由于测角元件采样率较低，很难实现完全的同步，故而易产生测量点位的方位角度误差，无法实现360度圆周内均匀测试。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种多线激光雷达扫描时序控制方法，基于测角元件(即编码器)输出的位置脉冲信息作为主控时序，实现多线激光雷达的扫描时序控制，能够有效的保证旋转位置、测量位置和测量时刻之间的一致性，即保证测角、测距的同步性。
多线激光雷达以FPGA作为主控模块，所述主控模块内部包含电机控制单元、时序控制单元、触发控制单元和采集控制单元；其中所述电机控制单元与电机驱动单元、电机以及增量编码器组成电机的旋转控制模块；所述触发控制单元、采集控制单元和多通道激光驱动探测单元组成多通道激光测距模块；所述的多线激光雷达扫描时序控制方法为：
所述增量编码器将输出的脉冲信号发送给FPGA，所述FPGA依据设定的采样频率对所述脉冲信号进行分频或倍频得到与所述采样频率一致的有效控制信号；然后所述FPGA将所述有效控制信号变换后形成触发信号，用于控制所述多通道激光驱动探测单元进行激光测距；所述FPGA在控制所述多通道激光驱动探测单元进行激光测距的同时，所述增量编码器记录当前的方位角。
作为本发明的一种优选方式：所述FPGA将所述有效控制信号的每个上升沿作为一个触发点，形成触发信号的上升沿；然后控制所述多通道激光驱动探测单元在所述触发信号的每个上升沿进行测距。
作为本发明的一种优选方式：所述多通道激光驱动探测单元的每个通道对应一个俯仰角，所述FPGA在控制所述多通道激光驱动探测单元进行激光测距的同时，结合所述增量编码器记录的当前方位角以及该通道对应的俯仰角，形成有效的三维测量数据。
作为本发明的一种优选方式：所述多线激光雷达采用4000线的增量编码器，每圈输出4000个脉冲；设单线采样频率为20KHz；
当所述多线激光雷达转速为5转/秒时，所述增量编码器输出的脉冲信号的频率为20KHz，所述FPGA对该脉冲信号进行0分频，获取20KHz的有效控制信号；
当多线激光雷达设置转速为10转/秒时，所述增量编码器输出的脉冲信号的频率为40KHz，所述FPGA对该脉冲信号进行2分频，获取20KHz的有效控制信号；
当多线激光雷达设置转速为20转/秒时，所述增量编码器输出的脉冲信号的频率为80KHz，所述FPGA对该脉冲信号进行4分频，获取20KHz的有效控制信号。
作为本发明的一种优选方式：所述多线激光雷达旋转360度过程中，所述FPGA记录每个测量点位的三维测量数据以及测量时间形成多线激光雷达测量数据包。
有益效果：
(1)本发明基于编码器测角的控制原理，在进行测量时，利用旋转扫描中编码器输出的位置脉冲作为控制时序，实现多线激光雷达的逻辑控制；同时在控制时序的上升沿开始测量，由此能够通过低分辨率编码器实现高精度测量，从根本上实现了在编码器刻画线上发射激光进行目标探测，确保了测角、测距的同步性。
(2)该方法的建立从根本上解决了低分辨率编码器整步距测角问题，不仅能够实现多线激光雷达时序的稳定控制，实现测角、测距的同步，还实现了激光测距时刻的精确角度输出。
(3)该方法能够确保在不同转速扫描中均可实现单圈相同扫描点数的控制。
附图说明
图1为多线激光雷达基本框图。
图2为编码器信号输出示意图；
图3为控制信号时序图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
本实施例提供一种多线激光雷达扫描时序控制方法，采用多线激光雷达的测角元件编码器的输出脉冲作为主控时钟，该主控时钟经过FPGA分频和倍频后用于多线激光雷达工作时序控制、测量触发、位置牵引和旋转控制；由于FPGA的高采样频率，完全可以与编码器的输出脉冲信号同步，达到更高的测量精度，从而实现全圆周内均匀测试；同时，测量点均是位于测角脉冲的输出点上，也就是在测角元件的整数码道上，能够大幅度的提升激光测量点的方位角精度。
多线激光雷达的基本工作原理如图1所示，多线激光雷达的基本控制方式为FPGA作为主控模块，内部包含电机控制单元、时序控制单元、触发控制单元和采集控制单元；其中电机控制单元与电机驱动单元、力矩电机和增量编码器组成了电机的旋转控制模块，用于保证多线激光雷达按照设定转速匀速旋转；触发控制单元、采集控制单元和32通道激光驱动探测单元组成了32通道激光测距模块，用于保证在360度圆周内对目标进行均匀探测，同时根据增量编码器获取的当前方位信息(即方位角)以及该通道对应的俯仰角，形成有效的三维测量数据。
本实施例提供的多线激光雷达时序控制方法基于图1所示的多线激光雷达的基本工作原理，结合增量编码器的输出信号和FPGA实现多线激光雷达的旋转、触发和测试的数据同步。
图2明确示意了增量编码器码道与其输出信号之间的关系；本例中，多线激光雷达采用4000线的增量编码器，即每圈输出4000个脉冲；在多线激光雷达开始旋转测量时，其增量编码器输出的信号如图2所示。其中，Vs5/CTR为多线激光雷达5转/秒旋转时编码器输出的脉冲信号，脉冲信号频率为20KHz；Vs10为10转/秒旋转时编码器输出的脉冲信号，脉冲信号频率为40KHz；Vs20为20转/秒旋转时编码器输出的脉冲信号，脉冲信号频率为80KHz；TR为激光测距触发控制信号，在该信号的上升沿触发激光测距。
多线激光雷达中的FPGA会自动根据设定的多线激光雷达的不同速度以及设定的采用频率对增量编码器输出的脉冲信号进行不同的细分，最终获取有效控制信号；该有效控制信号进入FPGA后作为多线激光雷达控制的基本时序，所有测量操作的均以该基本时序为基准，与该基本时序同步。同时该有效控制信号经过变换后形成触发信号TR(即有效控制信号的每个上升沿作为一个触发点，形成触发信号TR的上升沿)，用于控制32通道激光测距模块进行激光测距；同时增量编码器记录当前的方位角结合已知的俯仰角，形成有效的三维测量信息上传。
具体的，如设计多线激光雷达的转速设置分别为20转/秒、10转/秒、5转/秒，单线采样频率为20KHz，即多线激光雷达的有效控制信号的率为20KHz；在该设置方式下，扫描时序控制方法如下：
当多线激光雷达设置转速为5转/秒时，增量编码器输出的脉冲信号频率为20KHz，该信号也是多线激光雷达的有效控制信号，因此FPGA对接收到增量编码器输出的脉冲信号后对该信号进行0分频，直接获取20KHz的有效控制信号。
当多线激光雷达设置转速为10转/秒时，增量编码器输出的脉冲信号频率为40KHz，此时FPGA对接收到增量编码器输出的脉冲信号进行2分频，以获取20KHz的有效控制信号；
当多线激光雷达设置转速为20转/秒时，增量编码器输出的脉冲信号频率为80KHz，此时FPGA对接收到增量编码器输出的脉冲信号进行4分频，以获取20KHz的有效控制信号。
最终FPGA将获取的20KHz的有效控制信号变换后形成触发信号TR，通过触发信号TR对多线激光雷达进行控制，即在触发信号TR每一个脉冲的上升沿控制多线激光雷达进行距离测试；此时，编码器记录当前的方位角，俯仰角依据该激光测距通道的ID号确定，每一个激光测距通道的俯仰值恒定。
由此通过将增量编码器输出的脉冲信号给FPGA，由FPGA对其进行相应的变换及同步控制，确保位置信息和测角信息以及测距控制完全同步，从而同步完成20K个点位的距离测量，同时记录每个点位的测量方位角和俯仰角、测量时间等，形成多线激光雷达测量数据包上传。
上述多线激光雷达扫描时序控制方法不仅实现了时序控制、扫描点数控制还实现了扫描角度的精确控制。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。