一种针对激光雷达振镜伺服电机的控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种针对激光雷达振镜伺服电机的控制系统及方法。该系统包括上位机、驱动控制数字模块、三环控制模拟模块、高频脉冲激光前端、扫描振镜，所述驱动控制数字模块包括相互连接的主控ARM单元和FPGA单元；方法为：在振镜伺服电机开始平稳工作后，判断系统是否以最高性能的工作模式进行扫描，根据设定的阈值进行模式判定，采用两种指标改进方法：在速度平稳运行的模式下，引入插补模块对驱动控制信号的分辨率进行提升，实现高精度扫描的目的；在高速扫描模式下，引入重复跟踪累计误差控制单元，进行多周期的误差采集和修正，达到提升精度的目的。本发明专利技术确保高速状态下的高精度三维成像扫描系统能够稳定、高效地运行。

【技术实现步骤摘要】
一种针对激光雷达振镜伺服电机的控制系统及方法
本专利技术涉及激光雷达振镜伺服电机技术，特别是一种针对激光雷达振镜伺服电机的控制系统及方法。
技术介绍
振镜伺服系统应用广泛，在激光打标，激光定位等工业工程领域已经十分成熟，并且在三维扫描成像系统中也有着较大的用途。振镜系统的光学扫描头是一个位置随动伺服系统，它的作用是改变电机偏转角度，进而改变激光发射接收光路，最终对指定区域进行覆盖扫描。目前驱动控制振镜电机偏转的方式大部分是使用外部电路进行数模转换，生成正弦波或三角波等模拟周期信号，驱动振镜电机进行位置的控制。伺服电机的速度和精度是制约整个三维扫描成像系统性能的瓶颈问题。当前国内针对伺服电机的控制已经专利技术和创造了多种方法和手段，比如传统的PID调节、模糊控制、自适应控制、神经网络控制等。PID调节方法在技术上应用最多，却也是控制最不精确的；模糊控制没有针对具体的某一模型进行控制，虽然具有普适性，但是速度和精度指标没有优势；神经网络控制十分复杂，导致速度指标不高，只适用于高精度的控制方案中。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种针对激光雷达振镜伺服电机的控制系统及方法，确保高速状态下的高精度三维成像扫描系统能够稳定、高效地运行。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种针对激光雷达振镜伺服电机的控制系统，包括上位机、驱动控制数字模块、三环控制模拟模块、高频脉冲激光前端、扫描振镜，所述驱动控制数字模块包括相互连接的主控ARM单元和FPGA单元，其中：所述高频脉冲激光前端与主控ARM单元连接，高频脉冲激光前端发射的激光经过扫描振镜中X振镜电机上的全反镜，反射到Y振镜电机上的全反镜，出射到目标区域；所述上位机通过USB接口与主控ARM单元连接，上位机通过USB接口采集高频脉冲激光前端发射的光束打在目标区域的水平角和垂直角、以及目标区域激光点到扫描振镜原点的距离；所述FPGA单元接收扫描振镜中电机的角度反馈信号，根据角度反馈信号确定扫描振镜中电机的实际偏转角度，如果实际偏转角度与理论控制角度的差值小于设定阈值，则对电机的偏转角度控制信号进行插补，否则降低电机的转速直至所述差值小于设定阈值；所述三环控制模拟模块包括重复跟踪累计误差控制单元、第一模拟开关、第二模拟开关、位置控制器、增益放大器、伺服驱动系统电流环，FPGA单元的控制输出端分别接入第一模拟开关、第二模拟开关的控制输入端，FPGA单元的信号输出端分别接入重复跟踪累计误差控制单元、第一模拟开关的信号输入端，重复跟踪累计误差控制单元的输出端、第一模拟开关的输出端均接入位置控制器；位置控制器的输出端依次通过增益放大器、伺服驱动系统电流环后，得到的角度反馈信号一方面经过微分反馈单元接入增益放大器的输入端，另一方面通过第二模拟开关接入位置控制器的输入端，同时该角度反馈接入FPGA单元。进一步地，所述FPGA单元包括转角位置检测模块、控制信号插补模块、重复控制消除误差统计模块、干扰补偿控制模块，其中：转角位置检测模块，将实际偏转角度与理论控制角度进行比较运算，并判断此差值与设定经验阈值的比值大小；重复控制消除误差统计模块，用来统计收集周期信号的稳态误差和部分控制偏差，将统计到的误差作为干扰补偿项；干扰补偿控制模块，将重复跟踪累计误差控制单元统计到的误差作为干扰补偿项，将此误差叠加到驱动控制信号上用于消除误差；控制信号插补模块，对给定的一组信号进行部分插补，选取设定偏转位置最大值的范围内的信号进行插补。一种针对激光雷达振镜伺服电机的控制系统及方法，包括以下步骤：步骤1，设定控制系统最大偏转角和速度，等待伺服电机运行至平稳；步骤2，扫描振镜的电机在驱动控制信号的作用下开始转动，驱动控制数字模块根据电机位置传感器返回的角度反馈信号，确定扫描振镜中电机的实际偏转角度；步骤3，在驱动控制数字模块中的FPGA中构造转角位置检测模块，将所述实际偏转角度与理论控制角度进行比较运算，并判断此差值与设定经验阈值的比值α是否大于常数1：当α小于1后，驱动控制数字模块进入控制信号插补模块，然后返回步骤2；当α大于或等于1后，驱动控制数字模块控制第二模拟开关开路，然后进入步骤4；步骤4，在驱动控制数字模块将第二模拟开关开路的同时，使第一模拟开关开路，此时三环控制模拟模块的输入部分引入重复跟踪累计误差控制单元，经过指定周期后使第一模拟开关闭合，此时整个系统处于速度、电流双闭环的状态；步骤5，在FPGA中引入转角位置检测模块，读取目前的位置误差，判断误差标准差β：当β大于或等于1时，驱动控制数字模块再次引入重复跟踪累计误差控制单元，即第一模拟开关开路，重复指定周期，再次判断误差标准差β；当β小于1时，驱动控制模块中的FPGA构造干扰补偿控制模块，在此模块中运算处理之前得到的位置误差数据，将此误差叠加到驱动控制信号上，然后判断α是否大于常数1：如果是则降低驱动控制信号设定的分辨率，然后返回步骤1；如果否，则返回步骤2。进一步地，步骤3所述控制信号插补模块，具体为：对给定的一组信号进行部分插补，选取设定偏转位置最大值的范围内的信号进行插补。进一步地，步骤5所述的干扰补偿控制模块，将重复跟踪累计误差控制单元统计到的误差作为干扰补偿项，将此误差叠加到驱动控制信号上用于消除误差。进一步地，步骤5所述的干扰补偿控制模块，分为两路，一路作为输入直接进入伺服驱动板，另一路作为系统误差，提供给图像重建软件系统进行位置误差修正，用来实现三维图像重建。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)使用ARM和FPGA分工的方式，ARM进行整个程序的控制过程，FPGA进行数字模块的设计与扫描振镜的三环模拟模块的控制，此控制过程会实现起来更方便和节约；(2)在判定阈值后，引入控制信号插补的方法进行精度调节，更有效的发挥电机的控制特性，使得电机扫描角度更大，目标区域范围更宽；(3)重复控制消除误差统计模块能够将周期信号的误差提取，并在后面的控制中将此控制偏差和稳态误差消除，消除了周期控制信号误差；(4)使用模拟开关进行通道控制，可以实时控制当前误差状况，并及时做出相应的控制策略，因此响应更快，控制更精准，不会出现失控的情况。附图说明图1是本专利技术针对激光雷达振镜伺服电机的控制系统的总框图。图2是本专利技术中的振镜扫描电机光路示意图。图3是本专利技术的信号驱动控制板流程图。图4是本专利技术中控制系统高精度优化的流程示意图。图5是本专利技术中高精度优化中的控制信号插补示意图。图6是本专利技术中的控制系统高速优化流程示意图。图7是本专利技术中振镜电机的三环控制系统框图。图8是本专利技术中驱动控制模块示意图。图9是本专利技术中FPGA元件实现的各功能模块的方案示意图。具体实施方式为使本专利技术的实施例的目的，技术方案和优点更具体，接下来使用与附图结合的方式对整个控制方式进行具体清晰的表述。结合图1，本专利技术针对激光雷达振镜伺服电机的控制系统，为了解决扫描振镜伺服电机在激光雷达扫描系统中性能的提升和匹配，提供一种伺服电机的控制方法。该系统是一个与脉冲激光前端和三维图像重建软件系统相匹配的伺服电机控制系统。此系统解决了激光雷达扫描三维成像速度与精度不平衡的问题，最大限度的利用伺服电机的性能，实现三维成像的效果最优这一最终目的。本专利技术针对激光雷达振镜伺服电机的控制系统，包括上位机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对激光雷达振镜伺服电机的控制系统，其特征在于，包括上位机、驱动控制数字模块、三环控制模拟模块、高频脉冲激光前端、扫描振镜，所述驱动控制数字模块包括相互连接的主控ARM单元和FPGA单元，其中：所述高频脉冲激光前端与主控ARM单元连接，高频脉冲激光前端发射的激光经过扫描振镜中X振镜电机上的全反镜，反射到Y振镜电机上的全反镜，出射到目标区域；所述上位机通过USB接口与主控ARM单元连接，上位机通过USB接口采集高频脉冲激光前端发射的光束打在目标区域的水平角和垂直角、以及目标区域激光点到扫描振镜原点的距离；所述FPGA单元接收扫描振镜中电机的角度反馈信号，根据角度反馈信号确定扫描振镜中电机的实际偏转角度，如果实际偏转角度与理论控制角度的差值小于设定阈值，则对电机的偏转角度控制信号进行插补，否则降低电机的转速直至所述差值小于设定阈值；所述三环控制模拟模块包括重复跟踪累计误差控制单元、第一模拟开关、第二模拟开关、位置控制器、增益放大器、伺服驱动系统电流环，FPGA单元的控制输出端分别接入第一模拟开关、第二模拟开关的控制输入端，FPGA单元的信号输出端分别接入重复跟踪累计误差控制单元、第一模拟开关的信号输入端，重复跟踪累计误差控制单元的输出端、第一模拟开关的输出端均接入位置控制器；位置控制器的输出端依次通过增益放大器、伺服驱动系统电流环后，得到的角度反馈信号一方面经过微分反馈单元接入增益放大器的输入端，另一方面通过第二模拟开关接入位置控制器的输入端，同时该角度反馈接入FPGA单元。...

【技术特征摘要】
1.一种针对激光雷达振镜伺服电机的控制系统，其特征在于，包括上位机、驱动控制数字模块、三环控制模拟模块、高频脉冲激光前端、扫描振镜，所述驱动控制数字模块包括相互连接的主控ARM单元和FPGA单元，其中：所述高频脉冲激光前端与主控ARM单元连接，高频脉冲激光前端发射的激光经过扫描振镜中X振镜电机上的全反镜，反射到Y振镜电机上的全反镜，出射到目标区域；所述上位机通过USB接口与主控ARM单元连接，上位机通过USB接口采集高频脉冲激光前端发射的光束打在目标区域的水平角和垂直角、以及目标区域激光点到扫描振镜原点的距离；所述FPGA单元接收扫描振镜中电机的角度反馈信号，根据角度反馈信号确定扫描振镜中电机的实际偏转角度，如果实际偏转角度与理论控制角度的差值小于设定阈值，则对电机的偏转角度控制信号进行插补，否则降低电机的转速直至所述差值小于设定阈值；所述三环控制模拟模块包括重复跟踪累计误差控制单元、第一模拟开关、第二模拟开关、位置控制器、增益放大器、伺服驱动系统电流环，FPGA单元的控制输出端分别接入第一模拟开关、第二模拟开关的控制输入端，FPGA单元的信号输出端分别接入重复跟踪累计误差控制单元、第一模拟开关的信号输入端，重复跟踪累计误差控制单元的输出端、第一模拟开关的输出端均接入位置控制器；位置控制器的输出端依次通过增益放大器、伺服驱动系统电流环后，得到的角度反馈信号一方面经过微分反馈单元接入增益放大器的输入端，另一方面通过第二模拟开关接入位置控制器的输入端，同时该角度反馈接入FPGA单元。2.根据权利要求1所述的针对激光雷达振镜伺服电机的控制系统，其特征在于，所述FPGA单元包括转角位置检测模块、控制信号插补模块、重复控制消除误差统计模块、干扰补偿控制模块，其中：转角位置检测模块，将实际偏转角度与理论控制角度进行比较运算，并判断此差值与设定经验阈值的比值大小；重复控制消除误差统计模块，用来统计收集周期信号的稳态误差和部分控制偏差，将统计到的误差作为干扰补偿项；干扰补偿控制模块，将重复跟踪累计误差控制单元统计到的误差作为干扰补偿项，将此误差叠加到驱动控制信号上用于消除误差；控制信号插补模块，对给定的一组信号进行部分插补，选取设定偏转位置最大值的范围...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春勇，李尚文，李振华，严伟，来建成，纪运景，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32