激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法及系统，采用自适应模糊PID控制算法进行控制电压值的输出控制，有效降低后继光路斩光盘的时滞特性，兼具动态调节的快速性和稳态调节的稳定性，同时通过第二层闭环控制对驱动电机转速进行控制，补偿驱动电机自带的第一层闭环控制下的转速不稳定，进而克服多种环境因素和控制电压抖动引起的后继光路斩光盘输出频率的较大抖动，从而保证激光雷达回波信号起始高度的稳定性；此外，采用频率输出器直接准确快速的输出后继光路斩光盘的转速频率，相比于驱动电机中霍尔传感器输出的转速电压信号更加准确可靠。

【技术实现步骤摘要】
激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法及系统
本专利技术涉及激光雷达的
，更为具体的说，涉及一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法及系统。
技术介绍
近几十年来，激光雷达越来越广泛的用于大气参数和大气成分的探测。为了获得远场很弱的回波信号，在激光大气探测中，通常采取增加激光发射功率和增加接收望远镜面积的方法。而这两种手段给激光雷达带来的问题是，近场回波信号很强，激光雷达系统探测的动态范围不够，很难进行探测。目前，在激光雷达系统中广泛使用的是通过光电倍增管的电子门控信号来抑制近场强回波信号，门控的主要作用是外加TTL电平，使得光电倍增管的高压信号不加到倍增管光电阴极和各放大级，从而光电效应轰击产生的电子没有得以放大形成流通输出到倍增管阳极。这种方法一定程度抑制了近场强回波信号产生的光电子的影响。但是此方法存在的主要缺陷是近场强回波信号仍然辐射在光电倍增管的光电阴极上，没有根本上阻止近场强回波信号到达阴极材料，光电阴极光电材料的眩晕效应影响其实仍然存在。眩晕效应对于回波信号的影响距离很难在数值上进行估计，近场信号越强，其影响距离越长。因此，为了解决激光雷达近场强回波信号的根本抑制问题，通常利用高速旋转的机械斩光盘片来按一定时序关系阻挡近场强回波信号。我们在自主研制的臭氧激光雷达系统中使用激光雷达多通道接收光路高速斩光装置过程中，发现长时间内，由于多种环境因素和电机控制电压的抖动，斩光盘的输出频率存在较大抖动，普通PID(比例-积分-微分)控制器的控制精度较大但是针对动态和稳态多种运行情况精度还不够高。而较大的频率抖动会导致激光雷达的回波信号过渡区间高度(指信号开始打开到完全打开)的前移或后推，这直接引起回波信号的有效起始高度的较大变化，为减少频率抖动对激光雷达回波信号的影响，对斩光盘的输出频率进行稳定尤为必要。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法及系统，以克服多种环境因素和控制电压抖动引起的后继光路斩光盘输出频率的较大抖动，从而保证激光雷达回波信号起始高度的稳定性。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案如下：一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法，包括：根据预先设定的参考频率和斩光盘输出的当前实际频率计算偏差和偏差变化率，通过自适应模糊PID控制算法确定控制电压值；根据所述控制电压值对电机驱动器上电，以使所述电机驱动器输出高扭矩高转速驱动电机旋转所需的相序电压，及监测所述高扭矩高转速驱动电机中霍尔传感器返回的速度控制信号、方向控制信号和制动控制信号，形成第一层闭环控制，其中，所述高扭矩高转速驱动电机旋转带动所述斩光盘旋转；输出表征所述斩光盘的转动速度的脉冲频率信号；获取所述脉冲频率信号以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。可选的，通过自适应模糊PID控制算法确定控制电压值包括：对所述偏差和所述偏差变化率进行模糊量化处理；根据模糊量化处理结果确定多个控制规则，并进行模糊推理和决策得到模糊输出量；对模糊输出量进行解模糊处理，得到所述自适应模糊PID控制算法的三种增益系数；根据所述自适应模糊PID控制算法的三种增益系数、所述参考频率和所述当前实际频率计算所述控制电压值。可选的，所述自适应模糊PID控制算法采用三角形隶属度函数。可选的，所述进行模糊推理和决策得到模糊输出量包括：采用Mamdani推理算法进行模糊推理和决策得到模糊输出量。可选的，所述对模糊输出量进行解模糊处理包括：采用重心法对模糊输出量进行解模糊处理。可选的，所述获取所述脉冲频率信号以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制包括：根据所述脉冲频率信号生成多路同步脉冲信号，其中一路同步脉冲信号作为所述激光雷达所需的主同步时钟信号，所述主同步时钟信号分频后同步所述激光雷达中其他部件，且剩余的同步脉冲信号中一路同步脉冲信号被表征为数字量输出作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。可选的，所述当前实际频率为经过卡尔曼滤波后的频率信号。相应的，本专利技术还提供了一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制系统，包括：控制计算机，所述控制计算机用于根据预先设定的参考频率和斩光盘输出的当前实际频率计算偏差和偏差变化率，通过自适应模糊PID控制算法确定控制电压值；可编程稳压电源，所述可编程稳压电源用于根据所述控制电压值输出相应电压对电机驱动器上电，以使所述电机驱动器输出高扭矩高转速驱动电机旋转所需的相序电压，及监测所述高扭矩高转速驱动电机中霍尔传感器返回的速度控制信号、方向控制信号和制动控制信号，形成第一层闭环控制，其中，所述高扭矩高转速驱动电机旋转带动所述斩光盘旋转；频率输出器，所述频率输出器用于输出表征所述斩光盘的转动速度的脉冲频率信号；以及，脉冲处理器，所述脉冲处理器用于获取所述脉冲频率信号以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。可选的，所述控制计算机包括：偏差比较模块，所述偏差比较模块用于根据预先设定的参考频率和斩光盘输出的当前实际频率计算偏差；偏差变化计算模块，所述偏差变化计算模块用于根据所述偏差计算所述偏差变化率；自适应模糊PID控制器，所述自适应模糊PID控制器用于对所述偏差和所述偏差变化率进行模糊量化处理，根据模糊量化处理结果确定多个控制规则，并进行模糊推理和决策得到模糊输出量，对模糊输出量进行解模糊处理，得到所述自适应模糊PID控制算法的三种增益系数；以及，比例积分微分控制器，所述比例积分微分控制器用于根据所述自适应模糊PID控制算法的三种增益系数、所述参考频率和所述当前实际频率计算所述控制电压值。可选的，所述脉冲处理器包括数字延迟脉冲发生器和脉冲计数器，所述数字延迟脉冲发生器根据所述脉冲频率信号生成多路同步脉冲信号，其中一路同步脉冲信号作为所述激光雷达所需的主同步时钟信号，所述主同步时钟信号分频后同步所述激光雷达中其他部件，且剩余的同步脉冲信号中一路同步脉冲信号输出至所述脉冲计数器；所述脉冲计数器用于将获取的同步脉冲信号表征为数字量输出至所述控制计算机，以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。相较于现有技术，本专利技术提供的技术方案至少具有以下优点：MP1730543本专利技术提供了一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法及系统，包括：根据预先设定的参考频率和斩光盘输出的当前实际频率计算偏差和偏差变化率，通过自适应模糊PID控制算法确定控制电压值；根据所述控制电压值对电机驱动器上电，以使所述电机驱动器输出高扭矩高转速驱动电机旋转所需的相序电压，及监测所述高扭矩高转速驱动电机中霍尔传感器返回的速度控制信号、方向控制信号和制动控制信号，形成第一层闭环控制，其中，所述高扭矩高转速驱动电机旋转带动所述斩光盘旋转；输出表征所述斩光盘的转动速度的脉冲频率信号；获取所述脉冲频率信号以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。由上述内容可知，本专利技术提供的技术方案，采用自适应模糊PID控制算法进行控制电压值的输出控制，有效降低后继光路斩光盘的时滞特性，兼具动态调节的快速性和稳态调节的稳定性，同时通过第二层闭环控制对驱动电机转速进行控制，补偿驱动电机自带的第一层闭环控制下的转速不稳定，进而克服多种环境因素和控制电压抖动引本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法，其特征在于，包括：根据预先设定的参考频率和斩光盘输出的当前实际频率计算偏差和偏差变化率，通过自适应模糊PID控制算法确定控制电压值；根据所述控制电压值对电机驱动器上电，以使所述电机驱动器输出高扭矩高转速驱动电机旋转所需的相序电压，及监测所述高扭矩高转速驱动电机中霍尔传感器返回的速度控制信号、方向控制信号和制动控制信号，形成第一层闭环控制，其中，所述高扭矩高转速驱动电机旋转带动所述斩光盘旋转；输出表征所述斩光盘的转动速度的脉冲频率信号；获取所述脉冲频率信号以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。

【技术特征摘要】
1.一种激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法，其特征在于，包括：根据预先设定的参考频率和斩光盘输出的当前实际频率计算偏差和偏差变化率，通过自适应模糊PID控制算法确定控制电压值；根据所述控制电压值对电机驱动器上电，以使所述电机驱动器输出高扭矩高转速驱动电机旋转所需的相序电压，及监测所述高扭矩高转速驱动电机中霍尔传感器返回的速度控制信号、方向控制信号和制动控制信号，形成第一层闭环控制，其中，所述高扭矩高转速驱动电机旋转带动所述斩光盘旋转；输出表征所述斩光盘的转动速度的脉冲频率信号；获取所述脉冲频率信号以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。2.根据权利要求1所述的激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法，其特征在于，通过自适应模糊PID控制算法确定控制电压值包括：对所述偏差和所述偏差变化率进行模糊量化处理；根据模糊量化处理结果确定多个控制规则，并进行模糊推理和决策得到模糊输出量；对模糊输出量进行解模糊处理，得到所述自适应模糊PID控制算法的三种增益系数；根据所述自适应模糊PID控制算法的三种增益系数、所述参考频率和所述当前实际频率计算所述控制电压值。3.根据权利要求1所述的激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法，其特征在于，所述自适应模糊PID控制算法采用三角形隶属度函数。4.根据权利要求2所述的激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法，其特征在于，所述进行模糊推理和决策得到模糊输出量包括：采用Mamdani推理算法进行模糊推理和决策得到模糊输出量。5.根据权利要求2所述的激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法，其特征在于，所述对模糊输出量进行解模糊处理包括：采用重心法对模糊输出量进行解模糊处理。6.根据权利要求1所述的激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适应控制方法，其特征在于，所述获取所述脉冲频率信号以作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制包括：根据所述脉冲频率信号生成多路同步脉冲信号，其中一路同步脉冲信号作为所述激光雷达所需的主同步时钟信号，所述主同步时钟信号分频后同步所述激光雷达中其他部件，且剩余的同步脉冲信号中一路同步脉冲信号被表征为数字量输出作为所述斩光盘输出的实际频率，形成第二次闭环控制。7.根据权利要求1所述的激光雷达后继光路斩光盘输出频率自适...

【专利技术属性】
技术研发人员：方欣，李陶，王贤宇，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34