基于脉冲周期比值判定的激光雷达零位检测方法及系统与流程

本发明涉及激光雷达及嵌入式信号处理，尤其涉及一种基于脉冲周期比值判定的激光雷达零位检测方法及系统。

背景技术：

1、机械式激光雷达作为自动驾驶、工业安全、机器人导航等领域的核心传感器，通过电机带动光学系统旋转实现360度扫描测距。角度同步的核心是零位检测，确定旋转扫描的起始位置（0度），并据此控制激光发射时机。零位检测的精度和可靠性直接关系到点云数据的质量和测距可靠性。尽管激光雷达零位检测技术的应用前景很好，但现有方法在实现高效零位检测时，仍面临以下技术挑战：

2、硬件零位传感器依赖导致成本高、可靠性低。现有机械式激光雷达通常采用增量式码盘配合硬件零位传感器实现角度同步。在电机轴上安装磁铁，通过霍尔传感器检测零位脉冲；在码盘上设置透光缺口，使用光电对管产生零位信号；使用带z脉冲通道的编码器。然而，这些硬件方案增加了物料清单bom成本约5-15元/台（传感器+信号调理电路），且装配时需要精确对齐传感器与物理标记，装配公差要求在±0.1mm以内，工序复杂且良率受限于装配精度。零位传感器是独立的硬件器件，其损坏、信号线断裂或接触不良均会导致零位信号永久丢失，系统无法自动恢复，据统计约15%的激光雷达现场故障与零位传感器相关。

3、锁相环pll方案转速适配范围窄、锁定时间长。pll方案需要数个电机转周期（通常50-200ms）才能完成锁定，启动阶段无法进行有效测量；转速变化超过±10%即可能失锁，不支持10hz~30hz的宽范围转速适配。固定分频方案角分辨率不稳定，固定分频方案下，电机转速波动直接导致角分辨率变化，例如20hz设计点在转速波动±5%时角分辨率偏差达±10%，影响点云数据的一致性。多设备同场景工作时存在固定相位干扰，固定频率或pll锁定方案下，多台设备之间存在固定的相位关系，导致激光信号相互干扰，降低测距可靠性。现有技术普遍认为零位检测必须依赖硬件传感器（光电、霍尔、z脉冲），忽视了通过码盘脉冲周期的比值关系进行软件零位判定的可能性。这种技术偏见导致零位检测系统的成本高、可靠性低。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于脉冲周期比值判定的激光雷达零位检测方法及系统，用以在不增加硬件成本的前提下，实现高可靠性的零位检测，并支持宽范围转速自适应和恒定角分辨率控制。

2、第一方面，本发明提供了一种基于脉冲周期比值判定的激光雷达零位检测方法，所述方法包括：

3、步骤1、构建pa脉冲信号预处理与双边沿检测链路，通过三级寄存器同步消除亚稳态，并通过上升沿和下降沿双重检测提升角度分辨率；

4、步骤2、设计环形缓冲参考周期存储模块，进行上一圈同角度位置参考周期值的自动维护和零延迟读取；

5、步骤3、采用脉冲周期比值判定模块，通过当前周期值与参考周期值的比值关系判定零位位置；

6、步骤4、构建转速自适应发光频率控制模块，根据实时pa周期值动态调整每圈发光次数，以保持角分辨率恒定；

7、步骤5、设计lfsr伪随机start偏移模块，以抑制多台设备同场景工作时的相互干扰，并通过start脉冲生成模块输出最终的激光触发信号。

8、可选地，所述步骤1包括：

9、步骤11、数据获取与接口配置：获取码盘产生的功率放大器pa脉冲信号，码盘为增量式光电编码器，安装于电机轴上，每转产生28个pa脉冲信号，对应28个光学窗口；信号电平为lvcmos33，最高频率为30hz×28=840hz；

10、步骤12、三级寄存器同步：采用100mhz系统时钟对pa脉冲信号进行三级寄存器同步，消除跨时钟域的亚稳态；同步链路依次为pa输入信号、第1级同步pa_d0、第2级同步pa_d1、第3级同步pa_d；总同步延迟为3个100mhz时钟周期，即30ns；

11、步骤13、跨时钟域同步：将100mhz域的pa_d信号同步到10mhz处理时钟域，通过1级寄存器同步得到pa_vld；

12、步骤14、双边沿检测：在10mhz时钟域检测pa信号的上升沿和下降沿；每个pa脉冲产生上升沿和下降沿两个边沿事件，将角度分辨率从28脉冲/圈提升到56边沿/圈；

13、步骤15、角度分辨率计算：原始分辨率360度/28=12.86度/脉冲；双边沿检测后分辨率360度/56=6.43度/边沿。

14、可选地，所述步骤2包括：

15、步骤21、周期计时器设计：采用10mhz时钟驱动的20位计数器，精度为100ns，计时器在上升沿时清零重新计数，溢出时保持最大值；

16、步骤22、当前周期值锁存：将每个上升沿锁存上一次的计数值作为当前pa周期值t_cur；

17、步骤23、环形缓冲数组设计：维护28个20位寄存器的数组cycle_cnt_arr[0:27]，存储最近28个pa周期的历史值；每个上升沿到来时，新值存入数组第0位，原有数据依次后移，最远的数据自动溢出；

18、步骤24、参考周期值读取： 第27位始终为上一圈同角度位置的参考周期值；

19、步骤25、缓冲数组与码盘脉冲数的对应关系：缓冲长度28个元素与码盘脉冲数28脉冲/圈一一对应，第n个元素存储第n个pa脉冲的周期值，更新频率为每个上升沿更新一次，数据延迟为28个上升沿。

20、可选地，所述步骤3包括：

21、步骤31、零位特征分析：码盘在零位位置有加宽标记，零位位置的pa脉冲间隔等于正常位置的1.5倍，即t_zero=1.5×t_normal；

22、步骤32、比值判定算法：计算当前周期值与参考周期值的比值关系；判定条件公式为：t_cur=t_ref+t_ref[19:1]，其中t_ref[19:1]表示t_ref右移一位，即t_ref/2的整数部分；

23、步骤33、现场可编程门阵列fpga实现：计算参考周期值t_ref的1.5倍作为比较基准；首先将t_ref右移一位得到t_ref/2的整数部分half_ref；然后计算t_ref与half_ref之和sum_ref，即sum_ref=t_ref+t_ref/2=1.5×t_ref；最后将当前周期值t_cur与sum_ref比较，若相等则判定当前位置为零位；上述判定等价于t_cur≈1.5×t_ref，判定区间为[1.4×t_ref，1.6×t_ref]；

24、步骤34、同步判定：上电后先建立同步进行零位判定；同步建立过程为在每个pa上升沿且同步标志syn为0时，同步计数器syn_cnt加1；当syn_cnt累积到255时，认定电机转速已稳定，置同步标志syn为1；此后系统进入正常工作状态，进行零位检测，同步条件为累积255个上升沿后认定电机转速稳定；

25、步骤35、零位判定输出：sync计数器在检测到零位后归零，每个pa边沿使sync加1，sync值在0-57循环，直接对应扫描角度位置；在10mhz时钟域同时检测pa信号的上升沿和下降沿；上升沿检测逻辑为：当pa_d为高电平且pa_vld为低电平时，表示检测到上升沿；下降沿检测逻辑为：当pa_d为低电平且pa_vld为高电平时，表示检测到下降沿。

26、可选地，所述步骤4包括：

27、步骤41、转速阈值表设计： 根据pa周期值判断电机转速，确定每圈发光次数；

28、步骤42、发光次数选择逻辑：根据当前pa周期值t_cur与预设阈值的比较结果，自动确定每圈发光次数n；当t_cur大于35714时，n=60；当t_cur大于23810时，n=40；当t_cur大于17857时，n=30；否则n=20；

29、步骤43、分频系数计算：根据当前pa周期值t_cur和每圈发光次数n计算分频系数d；分频系数d=t_cur / n，表示每隔d个10mhz时钟周期产生一次激光触发；

30、步骤44、start脉冲生成：分频计数器在上升沿或测量禁止时清零，计数到d-4时归零并输出start脉冲；脉冲宽度为6个100mhz时钟周期，即60ns；

31、步骤45、零位位置特殊处理：零位位置的pa周期为正常位置的1.5倍，发光次数取正常值的2倍。

32、可选地，所述步骤5包括：

33、步骤51、lfsr设计：使用8位线性反馈移位寄存器lfsr生成伪随机序列；lfsr的反馈多项式为x8+x6+x5+x4+1，对应的抽头位置为bit7、bit5、bit4、bit3；反馈逻辑为：新输入位bit0=bit7⊕bit5⊕bit4⊕bit3；每个时钟周期，寄存器整体右移一位，反馈值移入最高位；lfsr生成周期为255的伪随机序列；

34、步骤52、种子值生成：种子值由系统状态参数确定，确保每台设备的随机序列不同；种子值计算方式为：取最大回波强度值max_intensity的高8位与低8位之和，其中max_intensity为最大回波强度值；

35、步骤53、随机延时计算：取lfsr输出的低5位作为原始随机值，范围为0~31，限幅到0~24，最后乘以10得到延时值，延时范围为0~240ns，步进10ns；

36、步骤54、延时施加方式：在start脉冲前施加随机延时，触发信号到来时，将延时值加载到延时计数器；计数器递减至0后，输出start脉冲；

37、步骤55、多设备干扰抑制原理：干扰抑制率=(无偏移干扰率-有偏移干扰率)/无偏移干扰率×100%，其用于量化lfsr随机偏移对多设备干扰的抑制效果。

38、第二方面，本发明提供了基于脉冲周期比值判定的激光雷达零位检测系统，所述系统用于实现第一方面或第一方面任一可能的实现方式中的基于脉冲周期比值判定的激光雷达零位检测方法；所述系统包括信号预处理与双边沿检测模块、环形缓冲参考周期存储模块、脉冲周期比值判定模块、转速自适应发光频率控制模块和lfsr伪随机start偏移模块；信号预处理与双边沿检测模块用于通过三级寄存器同步消除亚稳态，并通过上升沿和下降沿双重检测提升角度分辨率；

39、环形缓冲参考周期存储模块用于进行上一圈同角度位置参考周期值的自动维护和零延迟读取；

40、脉冲周期比值判定模块用于通过当前周期值与参考周期值的比值关系判定零位位置；

41、转速自适应发光频率控制模块用于根据实时pa周期值动态调整每圈发光次数，以保持角分辨率恒定；

42、lfsr伪随机start偏移模块用于抑制多台设备同场景工作时的相互干扰，并通过start脉冲生成模块输出最终的激光触发信号。

43、第三方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行第一方面或第一方面任一可能的实现方式中的基于脉冲周期比值判定的激光雷达零位检测方法。

44、第四方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个计算机程序，其中所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器中，所述一个或多个计算机程序包括指令，当所述指令被所述设备执行时，使得所述设备执行第一方面或第一方面任一可能的实现方式中的基于脉冲周期比值判定的激光雷达零位检测方法。

45、本发明提供的技术方案中，该方法包括构建pa脉冲信号预处理与双边沿检测链路，通过三级寄存器同步消除亚稳态，并通过上升沿和下降沿双重检测提升角度分辨率；设计环形缓冲参考周期存储模块，进行上一圈同角度位置参考周期值的自动维护和零延迟读取；采用脉冲周期比值判定模块，通过当前周期值与参考周期值的比值关系判定零位位置；构建转速自适应发光频率控制模块，根据实时pa周期值动态调整每圈发光次数，以保持角分辨率恒定；设计lfsr伪随机start偏移模块，以抑制多台设备同场景工作时的相互干扰，并通过start脉冲生成模块输出最终的激光触发信号，该方法在不增加硬件成本的前提下，实现了高可靠性的零位检测，并支持宽范围转速自适应和恒定角分辨率控制。