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基于FPGA二维激光位移传感器的研究

作　者: 田义普
导　师: 刘国栋
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 二维轮廓测量 FPGA 线结构光 光条定位
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


二维激光位移传感器基于线结构光测量原理而设计，是一种精密的二维轮廓快速测量装置。其相对于传统位移传感器，有着结构简单、体积小、测量速度快、效率高等优点。本文在研究了线结构光基本原理和硬件图像处理算法的基础上，本着工业传感器小型化的思想，完成了基于FPGA的二维激光位移传感器的设计研究，主要工作如下：1)在对线结构光基本理论研究的基础上，建立了二维激光位移传感器数学模型，确定了基于FPGA处理器、Camera link接口相机和线激光器的整体硬件设计结构；2)以现场可编程逻辑器件为核心，完成了图像采集、数据处理硬件电路的设计；硬件电路主要由Camera link接口硬件接口模块、以FPGA芯片EP3C40Q240C8为核心的控制模块、SDRAM数据存储模块、VGA显示接口模块和串行通讯接口模块组成；3)以时序电路基本设计思想为指导，Verilog语言为工具完成了系统硬件平台驱动逻辑开发；主要包括Camera link数据采集模块、异步FIFO模块、SDRAM控制器模块、VGA显示接口模块和异步串行通讯模块的驱动逻辑设计；4)基于线激光器投射光束截面的高斯光束特性，并结合FPGA硬件算法特点，研究了基于梯度质心法和灰度质心法的线结构光光条中心定位算法，并对两种算法进行了精度分析和对比；5)采用自由二维平面标定靶法完成了系统标定，并对系统进行了精度分析。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-8
第1章 绪论  8-14
  1.1 课题背景和意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-12
  1.3 FPGA 技术的发展  12-13
  1.4 本文研究的主要内容  13-14
第2章 系统原理及硬件电路设计  14-29
  2.1 线结构光测量原理  14-18
    2.1.1 二维激光位移传感器原理及其组成  14-15
    2.1.2 相机透视成像模型  15-16
    2.1.3 二维激光位移传感器结构模型  16-18
  2.2 二维激光位移传感器总体设计方案  18-19
  2.3 CCD 选型及其参数  19-20
  2.4 系统硬件电路设计  20-28
    2.4.1 Camera link 接口及其电路设计  21-23
    2.4.2 FPGA 控制器及其配置电路设计  23-26
    2.4.3 高速数据存储电路设计  26-27
    2.4.4 VGA 视频接口电路设计  27
    2.4.5 上位机串口通讯接口设计  27-28
    2.4.6 电源模块设计  28
  2.5 本章小结  28-29
第3章 固件逻辑的设计与实现  29-43
  3.1 逻辑开发的一般流程  29-30
  3.2 电路静态时序分析基础  30-31
  3.3 硬件驱动逻辑设计  31-42
    3.3.1 图像采集模块驱动逻辑实现  33-35
    3.3.2 FPGA 内部缓存 FIFO 设计  35-37
    3.3.3 SDRAM 控制器逻辑实现  37-39
    3.3.4 VGA 视频输出控制器逻辑实现  39-41
    3.3.5 异步串口通讯模块驱动设计  41-42
  3.4 本章小结  42-43
第4章 光条定位算法设计  43-53
  4.1 激光光源及其光束特性  43
  4.2 二维位移传感器图像处理算法  43-50
    4.2.1 光条中心像素级定位  44-45
    4.2.2 多项式最小二乘平滑滤波  45-47
    4.2.3 光条边界灰度阈值确定  47
    4.2.4 光条中心提取算法  47-49
    4.2.5 特征阶跃点的定位  49-50
  4.3 图像处理算法精度分析  50-52
  4.4 本章小结  52-53
第5章 标定实验与误差分析  53-65
  5.1 二维激光位移传感器精度分析  53-56
    5.1.1 相机参数与精度关系  53-54
    5.1.2 相机外部参数与精度关系  54-56
  5.2 基于二维自由平面靶标的系统标定  56-59
    5.2.1 相机坐标同局部世界坐标间的标定  56-58
    5.2.2 系统结构参数标定  58-59
  5.3 标定实验  59-63
  5.4 系统综合精度分析  63-64
  5.5 本章小结  64-65
结论  65-66
参考文献  66-70
致谢  70

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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