双目视差数字式测距仪信号处理系统
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摘要
测距仪应用在距离测量和目标方位的确定上,不仅在常规的河道测量、建筑施工和线缆的铺设上而且在军事打击目标的确定,车辆防碰撞,机器人视觉等前沿科技上也有广泛的使用。
本文在分析了现有的一些测距方法的优点及不足后,选择了双目视差作为测距系统的基本理论。基于双目视差的数字式测距仪是被动式、非接触测距仪,与主动式测距仪相比,无需发射信号,只被动接受信号,因此不易暴露己方目标,不接触被测物体,不影响被测物体性状,可重复测量;与传统的双目视差测距工具相比、自动匹配、自动测量,无须手工测算,具有快速、可靠性高的优点,在测距为500~6000m之间,其理论精度可达1%。
本文对基于双目视差的数字式测距仪的原理、研制方案和实验等方面进行了系统的研究,完成的主要工作有:
1、通过分析双目视差的原理,研究了系统结构参数与测量范围和精度的关系,在前期的基础上,改进设计了测距仪的结构设计。
2、完成了基于双目视差的数字式测距仪的数据采集电路,包括CCD驱动电路与信号放大与滤波单元,信号数字化单元与缓存单元,系统控制以及数据处理控制电路。
3、完成了上位机控制程序和数据处理的嵌入式软件设计。
4、搭建了系统并进行了测试实验,通过对实验结果的分析,在实时性上和测量精度上对系统的硬件电路和数据处理算法进行验证。
Rangefinders are widely used to measure distance or detect target orientation in earth measure, not only including river width measurement、architectural measurement construction and circuitry paving ,but also including vehicle avoiding collision、robot vision and military affairs and others high-tech field.
The rangefinder system in this paper desided to base on binocular parallax after analyzing strongpoints and shortages of different distance measurements. The digital rangefinder based on binocular parallax is a passive, non-contact rangefinder which compared with active Rangefinders needn’t send signal, which only passively receive signal, so it is free to expose yourself.,what’s more, it doesn’t contact target, doesn’t influence the character of the measured object, so it can be repeated. Compared with traditional binocular parallax rangefinder ,the digital rangefinder needn’t manual measuring and calculation, which can match and calculation automatically,so it has high speed and precision and reliability. When its measuring scale between 500m and 6000m, academic precision can reach 1%.
At this paper, we systemic research the theory, precept, manufacture of the Digital Rangefinders based on binocular parallax, we complete those work:
1, By analyzing the theory of binocular parallax, we studied the relationship of structural parameter, measure scale and precision. Based on the other’s work ,improving the digital measurement structure design.
2, Have completed the digital rangefinder’s signal collection and processing system, including drives of CCD, magnifying circuit and filter, ADC and buffer memory cell, system control and data processing cell.
3, Completed the data processing programma on embedded system and control programma on PC.
4, We setup the digital rangfinder and carry through measuring test. By analyzing the test data, validated the system circuit design and embedded data processing arithmetic on real-time and measurement precision.
本文在分析了现有的一些测距方法的优点及不足后,选择了双目视差作为测距系统的基本理论。基于双目视差的数字式测距仪是被动式、非接触测距仪,与主动式测距仪相比,无需发射信号,只被动接受信号,因此不易暴露己方目标,不接触被测物体,不影响被测物体性状,可重复测量;与传统的双目视差测距工具相比、自动匹配、自动测量,无须手工测算,具有快速、可靠性高的优点,在测距为500~6000m之间,其理论精度可达1%。
本文对基于双目视差的数字式测距仪的原理、研制方案和实验等方面进行了系统的研究,完成的主要工作有:
1、通过分析双目视差的原理,研究了系统结构参数与测量范围和精度的关系,在前期的基础上,改进设计了测距仪的结构设计。
2、完成了基于双目视差的数字式测距仪的数据采集电路,包括CCD驱动电路与信号放大与滤波单元,信号数字化单元与缓存单元,系统控制以及数据处理控制电路。
3、完成了上位机控制程序和数据处理的嵌入式软件设计。
4、搭建了系统并进行了测试实验,通过对实验结果的分析,在实时性上和测量精度上对系统的硬件电路和数据处理算法进行验证。
Rangefinders are widely used to measure distance or detect target orientation in earth measure, not only including river width measurement、architectural measurement construction and circuitry paving ,but also including vehicle avoiding collision、robot vision and military affairs and others high-tech field.
The rangefinder system in this paper desided to base on binocular parallax after analyzing strongpoints and shortages of different distance measurements. The digital rangefinder based on binocular parallax is a passive, non-contact rangefinder which compared with active Rangefinders needn’t send signal, which only passively receive signal, so it is free to expose yourself.,what’s more, it doesn’t contact target, doesn’t influence the character of the measured object, so it can be repeated. Compared with traditional binocular parallax rangefinder ,the digital rangefinder needn’t manual measuring and calculation, which can match and calculation automatically,so it has high speed and precision and reliability. When its measuring scale between 500m and 6000m, academic precision can reach 1%.
At this paper, we systemic research the theory, precept, manufacture of the Digital Rangefinders based on binocular parallax, we complete those work:
1, By analyzing the theory of binocular parallax, we studied the relationship of structural parameter, measure scale and precision. Based on the other’s work ,improving the digital measurement structure design.
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3, Completed the data processing programma on embedded system and control programma on PC.
4, We setup the digital rangfinder and carry through measuring test. By analyzing the test data, validated the system circuit design and embedded data processing arithmetic on real-time and measurement precision.
引文
[1] 陈安健,郑炜,脉冲激光测距系统中非球面物镜的设计,激光与红外2005年 35 卷 7 期
[2]王湘君,周春艳,立体视觉概述,电脑知识与技术,2005 年
[3]管业鹏,顾伟康,基于双目视觉的基准差梯度立体匹配法,传感技术学报,2001 年 3 月第 1 期
[4]李万利,设计双目视差立体电视系统的技术研究,电子测量,2001 年 11期:133-138
[5] 赵辉,尹志勇,王正国,基于立体显示器的立体视觉实现,医疗卫生装备,2005 年 26 卷 5 期
[6] 胡萍,超声波测距仪的研制,计算机与现代化,2003 年 10 期
[7] 吴秋轩,曹广益,家用服务型吸尘机器人的发展与现状,电气传动自动化,2003,25(6):1-4.
[8] 杨国清,向忠祥,新型下水管道自动清淤机器人[J],给水排水,1997,23(3):54-56
[9] 王建波,激光测距仪原理及应用,开发应用
[10] 孙长库,叶声华,激光测量技术,天津大学出版社
[11] 林小倩,林斌,潘泰才,基于CMOS单点激光三角法测距系统设计,光学仪器2006 年 28 卷 2 期
[12] 卢晋人,黄元庆,激光三角法测量表面形貌,厦门大学学报,2004 年01 期
[13] 孟宗,刘彬,激光多普勒扭矩非接触测量的研究,光电工程2006 年 33卷 6 期:88-91
[14] 王之江,顾培森,实用光学技术手册,机械工业出版社:865-867
[15] 刘星云,胡德敬,中心裂像调焦模拟实验仪,物理实验2003 年 23 卷 1期:29-31
[16] 赵勋杰,李成金,双目立体实时测距系统的关键技术研究,激光与红外,2006 第 36 卷第 9 期
[17] 郁道银、谈恒英主编,《工程光学》,机械工业出版社,2000 年 1 月第一版:27-30
[18] 李刚,张恒金,红外两档变倍光学系统设计,红外与激光工程,2006年 35 卷 4 期
[19] 赵公仪,弥散斑与景深,影视技术,2003 年 5 期:20-22
[20] 刘文耀,光电图像处理,北京电子工业出版社,2002
[21] 全薇,王肇圻,张春书,母国光.用模版匹配法选取光斑质心探测窗口,光电子·激光,第 13 卷 第 11 期,2002 年 11 月
[22] 徐建平,王新程,精通 AutoCAD 2004 中文版,清华大学出版社,2003
[23] Toshiba Company,TCD1501D datasheet
[24] 王庆有, 图像传感器应用技术,电子工业出版社,2003
[25] 姬先举,温志渝.基于 CPLD 的光积分时间可调线阵 CCD 驱动电路设计,传感技术学报,19(5) ,2006 年 5 月
[26] 陈燕东.可编程逻辑器件 EDA 应用开发技术.国防工业出版社,2006 年5 月
[27] 路而红,王曼珠,梁维铭,可编程器件应用开发指南,人民邮电出版社,2004
[28] National semiconductor,LMH6644 datasheet
[29] IDT Company datasheet:IDT7007S/L
[30] 广州州立功单片机发展有限公司,LPC2114/2124/2212/2214 使用指南
[31] 北京纬煌公司产品资料,WH8280 datasheet
[32] Maxim Company datasheet:MAX202
[33] 周立功等,RAM 嵌入式系统实验教程(一)北京航空航天大学出版社
[34] 周立功等,RAM 嵌入式系统实验教程(二)北京航空航天大学出版社
[35] 李长林,高洁,Visual C++串口通信技术与典型实例,清华大学出版社,2006
[36] 张志勇,刘瑞桢,杨祖樱,掌握和精通 MATLAB,北京航空航天大学出版社,1999 年 8 月
[37] 赵红怡,张常年,数字信号处理的 MATLAB 的实现,化学工业出版社工业装备与信息工程出版中心,2002
[38] 陈惠芳,严惠民,姚晓强,被动测距系统汽车目标提取算法研究,浙江大学学报 2005 39 卷 4 期 :526-529
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