[發明專利]激光雷達后繼光路斬光盤輸出頻率自適應控制方法及系統

在審

• 申請號: 201810140672.0
• 申請日: 2018-02-11
• 公開（公告）號: CN108227507A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 方欣;李陶;王賢宇
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G01S7/48
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 王寶筠

本發明公開了一種激光雷達后繼光路斬光盤輸出頻率自適應控制方法及系統，采用自適應模糊PID控制算法進行控制電壓值的輸出控制，有效降低后繼光路斬光盤的時滯特性，兼具動態調節的快速性和穩態調節的穩定性，同時通過第二層閉環控制對驅動電機轉速進行控制，補償驅動電機自帶的第一層閉環控制下的轉速不穩定，進而克服多種環境因素和控制電壓抖動引起的后繼光路斬光盤輸出頻率的較大抖動，從而保證激光雷達回波信號起始高度的穩定性；此外，采用頻率輸出器直接準確快速的輸出后繼光路斬光盤的轉速頻率，相比于驅動電機中霍爾傳感器輸出的轉速電壓信號更加準確可靠。

技術領域

本發明涉及激光雷達的技術領域，更為具體的說，涉及一種激光雷達后繼光路斬光盤輸出頻率自適應控制方法及系統。

背景技術

近幾十年來，激光雷達越來越廣泛的用于大氣參數和大氣成分的探測。為了獲得遠場很弱的回波信號，在激光大氣探測中，通常采取增加激光發射功率和增加接收望遠鏡面積的方法。而這兩種手段給激光雷達帶來的問題是，近場回波信號很強，激光雷達系統探測的動態范圍不夠，很難進行探測。目前，在激光雷達系統中廣泛使用的是通過光電倍增管的電子門控信號來抑制近場強回波信號，門控的主要作用是外加TTL電平，使得光電倍增管的高壓信號不加到倍增管光電陰極和各放大級，從而光電效應轟擊產生的電子沒有得以放大形成流通輸出到倍增管陽極。這種方法一定程度抑制了近場強回波信號產生的光電子的影響。但是此方法存在的主要缺陷是近場強回波信號仍然輻射在光電倍增管的光電陰極上，沒有根本上阻止近場強回波信號到達陰極材料，光電陰極光電材料的眩暈效應影響其實仍然存在。眩暈效應對于回波信號的影響距離很難在數值上進行估計，近場信號越強，其影響距離越長。因此，為了解決激光雷達近場強回波信號的根本抑制問題，通常利用高速旋轉的機械斬光盤片來按一定時序關系阻擋近場強回波信號。

我們在自主研制的臭氧激光雷達系統中使用激光雷達多通道接收光路高速斬光裝置過程中，發現長時間內，由于多種環境因素和電機控制電壓的抖動，斬光盤的輸出頻率存在較大抖動，普通PID(比例-積分-微分)控制器的控制精度較大但是針對動態和穩態多種運行情況精度還不夠高。而較大的頻率抖動會導致激光雷達的回波信號過渡區間高度(指信號開始打開到完全打開)的前移或后推，這直接引起回波信號的有效起始高度的較大變化，為減少頻率抖動對激光雷達回波信號的影響，對斬光盤的輸出頻率進行穩定尤為必要。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種激光雷達后繼光路斬光盤輸出頻率自適應控制方法及系統，以克服多種環境因素和控制電壓抖動引起的后繼光路斬光盤輸出頻率的較大抖動，從而保證激光雷達回波信號起始高度的穩定性。

為實現上述目的，本發明提供的技術方案如下：

一種激光雷達后繼光路斬光盤輸出頻率自適應控制方法，包括：

根據預先設定的參考頻率和斬光盤輸出的當前實際頻率計算偏差和偏差變化率，通過自適應模糊PID控制算法確定控制電壓值；

根據所述控制電壓值對電機驅動器上電，以使所述電機驅動器輸出高扭矩高轉速驅動電機旋轉所需的相序電壓，及監測所述高扭矩高轉速驅動電機中霍爾傳感器返回的速度控制信號、方向控制信號和制動控制信號，形成第一層閉環控制，其中，所述高扭矩高轉速驅動電機旋轉帶動所述斬光盤旋轉；

輸出表征所述斬光盤的轉動速度的脈沖頻率信號；

獲取所述脈沖頻率信號以作為所述斬光盤輸出的實際頻率，形成第二次閉環控制。

可選的，通過自適應模糊PID控制算法確定控制電壓值包括：

對所述偏差和所述偏差變化率進行模糊量化處理；

根據模糊量化處理結果確定多個控制規則，并進行模糊推理和決策得到模糊輸出量；

對模糊輸出量進行解模糊處理，得到所述自適應模糊PID控制算法的三種增益系數；