基于激光测距仪的偏差测量传感系统优化方案

为了实现Mecanum轮全方位移动机器人双车联动控制，必须测出双车在运动过程中主车和从车之间的偏差（Δx，Δy，Δθ）。测出从车相对于主车的偏差（Δx，Δy，Δθ）有很多方法，上一节介绍了利用设计的三维位移传感器直接测量偏差，本章主要介绍通过激光测距仪来测量两车之间偏差。要通过激光测距仪准确测量双车在运动过程中的偏差需要三个激光测距仪，而本实验中由于条件限制只有两个激光测距仪，所以此方案在利用激光测距仪测量双车偏差时做了一些近似处理，如图8-14所示为激光测距仪间接测量两车偏差的原理图。图中E，F点处安装了激光测距仪，假设双车在运动过程中发生实际偏差为（Δx，Δy，Δθ），此时激光测距仪测出的距离分别为和但是考虑到两车在运动过程中产生的偏转角很小，故做假设：激光测距仪此时测出的距离主、从车之间的相对偏转角为Δθ'=Δθ，由于两车之间的距离L1远远大于两车在Y轴方向的偏差Δy，所以L1+Δy=L1。图中l1是两个激光测距仪之间的距离，L1是主车和从车车体中心之间的距离。

图8-14　激光测距仪双车偏差测量原理图

由图中几何关系知：

由于两个激光测距仪无法准确测量两车之间的偏差，因此本方案利用测量值来近似代替两车之间的实际偏差。后来在双车调试过程中，发现这个近似值完全可以用来代替两车之间的实际偏差。

激光测距仪是利用激光技术进行测量的传感器，当激光测距仪向目标物体发射出一束很细的激光，这束激光将会被目标物体反射，再通过激光测距仪的光电元件接收目标物体反射回来的激光束，这样通过往返时间计算出目标物体的距离。激光测距仪是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，质量轻，体积小，精度高，操作简单且速度快而准确，抗光、电干扰能力强等，因此激光测距仪在设备定位、测量料包的料位、测量传送带上的物体距离和物体高度、人造卫星跟踪测量等不同场合得到了广泛的应用。

本次设计所选用的激光测距仪是德国SICK公司的产品，型号为DL60，如图8-15所示。该激光测距仪采用红外激光光源，具有-15 mm～15 mm的测量精度，测距范围为300 mm～24 m。同时激光测距仪提供模拟电流输出端和开关电源输出端。它的供电电压为11～30 V，触发时间130 ms，通过的最大电流为100 m A。(www.xing528.com)

图8-15　DL60激光测距仪

DL60激光测距仪的光源为红外激光，由于其辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强，因此被广泛应用于各种激光夜视、红外照明、激光测距仪等。DL60激光测距仪的基本原理就是利用时间飞越法（Time of Flight）进行测量，如图8-16（a）所示，在t1时刻发射红外激光，遇到发射薄纸返回，记录接收到红外激光时刻为t2，则传输的距离S为：

图8-16　激光测距仪原理

由于本次设计需要测量两车在运动过程中的相对位移，所以选择模拟电流输出端接口QA，输出的电流为4 m A～20 m A，4 m A对应于设定的测量最小距离，20 m A对应于设定的测量最大距离。DL60是通过自学习方式来设定最大距离和最小距离的，针对本实验的需求设定激光测距仪测量的最大距离为750 mm，最小距离为350 mm。激光测距仪后面有6个按钮用来设定最大和最小距离，如图8-16（b）所示。设定距离步骤如下：将传感器固定在主车上，将转钮开关调到4 m A，调整两车之间的距离为350 mm，按下Teach-in，如果绿色指示灯和黄色灯闪动两次，则设置最小距离成功；同理将转钮开关调到20 m A，调整两车之间的距离为750 mm，按下Teach-in，如果绿色指示灯和黄色灯闪动两次，则设置最大距离成功。