[发明专利]一种基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种对运动物体实现非接触高速测距的装置，属于光学计算设备领域，特别是一种基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪。

背景技术

随着现代工业的不断发展，自动测距技术已广泛应用于导航系统、工业机器人等诸多领域。传统的接触式测距与被测物接触，从而产生变形，影响测量精度，损坏物体表面，检测速度慢，已经无法满足要求；而非接触测距由于其良好的精确性和实时性，已经成为测量领域的研究热点。非接触测距主要有超声波测距、激光测距等方法。超声波测距在倒车雷达等领域使用较多，但由于其测量范围、响应时间的限制，在工业测距方面使用较少。激光测距由于其自身光学特性，在工业领域得到了广泛应用。

激光测距技术分成时间反射法和三角测量法两大类，时间反射法是通过测量光波传输时间来计算与目标物体之间的距离，其测量原理决定了响应速度较慢，要得到可靠数据至少需要100ms以上，适用于慢速、静态测距场合。三角测距法是由光源发出一束激光经汇聚透镜垂直投射并聚焦到被测物体表面上形成一个光斑，光斑在物体表面发生散射，其中一部分散射光经过接收透镜在CCD检测器上成像，当被测物体产生位移，其在CCD上的成像点也发生相应的移动，通过像移和实际位移之间的三角关系，可以计算出真实的物体距离。

随着工业技术的发展，对测距技术的要求也越来越高，经常需要对运动物体实现高速、动态测距，根据现代工业生产要求，大部分响应时间需要10ms以内。激光三角测距适用于这种对运动物体实现非接触高速测距的场合，而时间反射法由于响应速度较慢在很多场合无法满足要求。

专利申请号为201610900970.6的文献中给出了“一种激光三角位移传感器及其非线性误差的修正方法”，通过使用多组接收透镜、反光镜，实现高精度微小位移测量，但其光路结构复杂，测量范围小，在恶劣工业环境难以应用。

授权公告号为CN 102147234 B的文献中给出了“激光三角测距传感器”，在接收光路部分增加非轴对称透镜，从而修正非线性，解决远端分辨率降低问题。该装置在接收光敏器件前要使用多片非轴对称透镜、聚焦透镜和轴对称透镜，安装固定难度大，当生产过程产生震动，多组镜片发生微小位移时就会导致测量错误；并且光源使用650nm半导体激光器，当工作温度变化时激光光斑会产生微小变形，从而导致测量误差。

在多篇文献中提出了激光三角测距的设计方案，论文名称如下：

金文燕,赵辉,陶卫.激光三角测距传感器建模及参数优化研究[J].传感技术学报,2006,19(4):1090-1093.

刘立波,赵辉,张海波,等.激光三角测距中光斑细分定位方法研究[J].计算机测量与控制,2008,16(10):1396-1398.

这些论文主要讨论光学系统建模、CCD像素定位算法等问题，基本上都属于实验室理论研究产品，达不到工业化产品标准，更无法在恶劣工业环境下稳定测量。

发明内容

针对现有技术中存在的时间反射法激光测距响应速度慢、普通激光三角测距仪测量范围小、无法测量高温物体等问题，本发明提供了一种系统响应速度快、测量精度高、测距范围宽、可测量高温物体、抗干扰能力强、可用于各种恶劣工业环境，对运动物体实现非接触高速测距的基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于FPGA和多CCD的高速高精度宽范围工业级激光三角测距仪，包括激光器、汇聚透镜、接收透镜、线阵CCD驱动板、FPGA控制板、一体化机械支架，所述激光器发出一束激光，经汇聚透镜照射到被测物体上，形成一个光斑，所述光斑在被测物体表面发生散射，其中一部分散射光经过接收透镜在线阵CCD驱动板上成像，所述线阵CCD驱动板产生的光包络信号送给FPGA控制板，所述FPGA控制板上安装有时钟分频模块、CCD驱动模块、像素位置及距离计算模块、RS-422通信模块、恒温腔体测温驱动模块、加热制冷控制模块、数字电位器驱动模块，所述CCD驱动模块至像素位置及距离计算模块单向连接，所述像素位置及距离计算模块分别至液晶显示驱动模块、D/A转换驱动模块、RS-422通信模块单向连接，所述恒温腔体测温驱动模块分别至加热制冷控制模块、数字电位器驱动模块单向连接。

进一步的，所述激光器上安装有恒温控制板和恒温装置。

进一步的，所述激光器为半导体激光器。

进一步的，所述半导体激光器为波长为405nm的紫光半导体激光器。