Устройство управления сканирующим лидаром в системе технического зрения

1.

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА ПО
ПРОГРАММЕ СПЕЦИАЛИТЕТА
На тему:
Устройство управления сканирующим лидаром в системе технического
зрения
Выполнил: Студент гр. И981 Худенко Р.О.
Руководитель: Лосев С.А.

2.

Система технического (машинного) зрения используется в
робототехнических комплексах для формирования трехмерной картины
окружающей среды.
Лидары применяются в системах обеспечения безопасности движения
автономных транспортных средств (планетоходы, беспилотные
автомобили), в системах распознавания образов (сборочные
конвейеры на безлюдных производствах), в геологических,
геодезических, экологических, архиологических исследованиях.
В состав систем технического зрения входит компьютер и лазерный
радар (лида́р). Часто, для быстрого обнаружения подлежащих детальному
исследованию областей, в системах технического зрения применяется
телевизионная камера.

3.

ПРОТОТИПЫ
проектируемого устройства
Velodyne HDL-32E Velodyne HD-64E
Hesai
Teledyne Optech LSC
Длина волны, нм.
905
905
903
905
Горизонтальный охват,
град.
360
360
360
360
Вертикальный охват,
град.
40
40
40
40
Скорость вращения,
об./сек.
10
15
12
10
От 1 до 100
От 1 до 120
От 1 до 200
От 5 до 25
Точность
(на расстоянии 25 м.), см.
2
2
2
2,4
Угловое разрешение по
горизонтали, град.
0,8
1,8
Угловое разрешение по
вертикали, град.
1,33
0.9
Поток данных, точек в
секунду
700 000
Дальность, м.
1,3 млн.
850 000

4.

1. Анализ прототипов и уточнение
технического задания
СКАНИРУЮЩИЕ ЛИДАРЫ ФИРМЫ VELODYNE
Технические характеристики модели Velodyne HDL-32E:
Технические характеристики модели Velodyne HD-64E:
длина волны 905 нм.,
длина волны 905 нм.,
горизонтальный охват 360 град.,
горизонтальный охват 360 град.,
вертикальный охват 40 град.,
вертикальный охват 40 град.,
скорость вращения 10 оборотов в секунду.,
скорость вращения 15 оборотов в секунду
дальность от 1 до 100 метров.,
дальность от 1 до 120 метров,
точность 2 см. (на расстоянии 25 м.).,
точность 2 см. (на расстоянии 25 м.),
угловое разрешение по горизонтали 0,8 град.,
поток данных 1,3 млн. точек в секунду.
угловое разрешение по вертикали 1,33 град.,
поток данных 700 000 точек в секунду.
4

5.

1. Анализ прототипов и уточнение
технического задания
СКАНИРУЮЩИЙ ЛИДАР ФИРМЫ HESAI
Технические характеристики модели Hesai Pandar128:
длина волны 903 нм.,
горизонтальный охват 360 град.,
вертикальный охват 40 град.,
скорость вращения 12 оборотов в секунду,
дальность от 1 до 200 метров,
точность 2 см. (на расстоянии 25 м.),
поток данных 1,0 млн. точек в секунду.
Лидар представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 – Лидар Hesai
5

6.

2. Построение функциональной
спецификации
Рисунок 2 – Логика работы системы технического зрения
6

7.

3. Разработка структурной схемы
Рисунок 3 – Структурная схема устройства управления
7

8.

4. Выбор элементной базы
ВЫБОР МОДЕЛИ ДАТЧИКОВ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА
Технические характеристики:
диапазон измерения угла, град: 0 – 360,
отклонение сопротивления от
номинального значения, %: 5,
нелинейность характеристики, %: 0.5,
размеры (диаметр*длина), мм: 20*20,
Внешний вид датчика приведен на рисунке 4.
Рисунок 4 – Внешний вид датчика СП5-21А
Датчик производится в России, имеет меньшие габариты и стоимость. Поэтому в разрабатываемом УУ
использован датчик СП5-21А.
8

9.

4. Выбор элементной базы
ВЫБОР МОДЕЛИ УСО ДВИГАТЕЛЕЙ
В качестве УСО (драйвера) для двигателей микроэлектромеханической развертки лидара рассматривались три
микросхемы одной ценовой группы от компании STMicroelectronics: L298N, L6203 и L293D.
Назначение выводов драйвера L298N:
Vss, GND - питание драйвера (4,5-7 В),
Vs и GND - питание двигателей (5-46 В),
OUTPUT1-OUTPUT2 и OUTPUT3-OUTPUT4 – выводы драйвера
для подключения первого и второго двигателя,
ENABLE1 и ENAPLE2 – разрешение включения питания первого и
второго двигателя,
INPUT1-INPUT2 и INPUT3-INPUT4 – входы драйвера, на которые
подаются сигналы управления первым и вторым двигателем.
Рисунок 5 – Расположение выводов L298N
9

10.

4. Выбор элементной базы
ВЫБОР МОДЕЛИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
Рисунок 6 - Архитектура STM8S
Рисунок 7 – Схема преобразователя USB-UART на базе
FT232R
10

11.

5. Построение функциональной схемы
управляющего устройства
При построении функциональной электрической схемы
УУ учитывалось следующее.
Напряжение
питания
двигателей
отличается
от
напряжения питания микроконтроллера. Кроме, того питание от
одного источника увеличивает вероятность возникновения помех
при работе МК. Поэтому для питания двигателей и МК
использовались независимые источники;
В
качестве
источника
опорного
напряжения
для
потенциометрических датчиков можно использовать тот же
источник, что и для МК;
Поскольку
излучатель
допускает
подключение
источнику +5В, то ограничивающий резистор не требуется.
к
Рисунок 8 - Функциональная электрическая
11
схема

12.

6. Формирование алгоритма работы
устройства управления
ЗАДАЧА ДВИЖЕНИЯ ПО ТРАЕКТОРИИ
Система в интегральной форме:
Для описания траектории движения была
использована система уравнений: