一種竹絲正反面辨識(shí)傳感器及其辨識(shí)方法

賴(lài)眾程，張國(guó)宏，陸玲霞，汪自翔

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州 310027）

0 引言

竹席是眾多竹制品之一，使用歷史久遠(yuǎn)。目前，在國(guó)內(nèi)外竹席的編織工藝上，除極少量竹席采用純手工編織外，絕大多數(shù)采用人工送絲配合竹編機(jī)的工作方式。然而，即便如此，這種竹席生產(chǎn)方式依然存在生產(chǎn)效率不高、編織質(zhì)量不穩(wěn)定、工人熟練度要求較高及工傷事故頻發(fā)等缺點(diǎn)，竹席生產(chǎn)還是勞動(dòng)密集型生產(chǎn)。為提高竹席生產(chǎn)效率，緩解該行業(yè)“勞工荒”，亟待研制出全自動(dòng)竹編機(jī)或全自動(dòng)送絲機(jī)。由于在竹席生產(chǎn)過(guò)程中需要機(jī)器替代人工操作準(zhǔn)確區(qū)分原料竹絲的正反面并統(tǒng)一將竹絲正面送入編織機(jī)中，因此，竹絲正反面辨識(shí)傳感器的研制是研發(fā)全自動(dòng)竹編機(jī)或全自動(dòng)送絲機(jī)過(guò)程中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文介紹了一種結(jié)合光學(xué)、機(jī)械學(xué)和電學(xué)而設(shè)計(jì)的竹席竹絲正反面辨識(shí)傳感器，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了單個(gè)傳感單元對(duì)竹絲正反兩面輸出電流的分布曲線(xiàn)，繼而給出了一種同質(zhì)多傳感單元條件下的融合策略。實(shí)驗(yàn)表明:本文介紹的傳感器及其辨識(shí)方法對(duì)于竹絲正反面的判別有著良好的效果。

1 傳感器工作原理與結(jié)構(gòu)

1.1 原料竹絲的物理特性

一般來(lái)說(shuō)，從拉絲廠(chǎng)生產(chǎn)出的原料竹絲長(zhǎng)度約為1.2～2 m，寬度約為2～6 mm，厚度約為 1.3～1.6 mm，如圖1（a）所示。同時(shí)，為了方便操作人員在人工送絲過(guò)程中直接通過(guò)手指觸感來(lái)區(qū)分竹絲正反面，拉絲廠(chǎng)刻意為竹絲的正反兩面設(shè)計(jì)了顯著的機(jī)械差異，具體表現(xiàn)為:竹絲正面為表面平滑、邊緣呈直角或銳角的平面;而竹絲反面為表面起伏、中間有明顯凹槽、邊緣呈弧形的曲面，如圖1（b）所示。

圖1 竹絲外形示意圖Fig 1 Diagram of bamboo-strip outline

1.2 傳感器的工作原理

為了有效識(shí)別竹絲的正反兩面，本文充分利用竹絲反面具有中心凹槽這一顯著特征，通過(guò)擋光板與凹槽構(gòu)成小孔，進(jìn)而使得傳感單元對(duì)于竹絲正反兩面形成不同的光學(xué)路徑。圖2為傳感單元接觸竹絲反面時(shí)的光路示意圖。紅外發(fā)光二極管發(fā)射出的紅外光經(jīng)過(guò)通光槽照射到竹絲反面的中心凹槽，并在竹絲表面產(chǎn)生漫反射，反射出來(lái)的紅外光再經(jīng)過(guò)擋光板與凹槽構(gòu)成的小孔，最終射入紅外光敏三極管中。三極管受到紅外光的照射后，進(jìn)入放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)。圖3為傳感單元對(duì)于竹絲正面的光路示意圖。同理，紅外光經(jīng)過(guò)通光槽在竹絲表面發(fā)生漫反射，但由于擋光板與竹絲正面緊密結(jié)合，散射出來(lái)的紅外光并不能射入紅外光敏三極管，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。

圖2 竹絲反面檢測(cè)原理示意圖Fig 2 Principle diagram of negative side detection

單個(gè)傳感單元的電路原理圖如圖4所示。當(dāng)傳感單元所接觸的是竹絲的凹陷面時(shí)，紅外光敏三極管處于放大態(tài)，在限流電阻器R2的作用下，三極管c-e極能通過(guò)約5mA的電流;當(dāng)傳感單元所接觸的是竹絲的平整面時(shí)，紅外光敏三極管處于截止態(tài)，c-e極所能通過(guò)的電流幾乎為0。因此，通過(guò)檢測(cè)傳感單元OUT端的輸出電流，即可獲知傳感單元所接觸面的平整度信息。

1.3 傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖3 竹絲正面檢測(cè)原理示意圖Fig 3 Principle diagram of positive side detecting

圖4 傳感單元檢測(cè)電路原理圖Fig 4 Principle schematic of sensing unit detecting circuit

根據(jù)以上所述原理，本文設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖5所示。傳感器由相互配合的2只子傳感器組成。每只子傳感器包括1只傳感器基體，3組傳感單元和1塊接口電路板，每組傳感單元又包含1只紅外發(fā)光二極管和1只紅外光敏三極。將待測(cè)竹絲置于2只子傳感器之間，并夾緊傳感器使之與待測(cè)竹絲表面緊密接觸，通過(guò)檢測(cè)傳感器的輸出電流，即可完成對(duì)竹絲正反面的辨識(shí)。

圖6所示為單個(gè)子傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。傳感器基體的主要作用是固定光電器件以及提供外部連接部件的機(jī)械接口。傳感器基體所采用的材料必須用不透光材料，且須有較高的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨度。傳感器基體上有若干孔，使得光電器件能方便地安裝至孔內(nèi)。擋光板主要用于配合檢測(cè)竹絲反面的中心凹槽。一般來(lái)說(shuō)，擋光板越厚，進(jìn)入光電接收器件的光量越少，輸出的電流也越小;反之，亦然。因此，必須選擇合適的擋光板厚度，擋光板太厚會(huì)讓竹絲為反面時(shí)光敏三極管輸出的電流太小，不易檢測(cè);而擋光板太薄會(huì)讓竹絲為正面時(shí)光敏三極管輸出的電流太大，容易造成誤判。紅外發(fā)光二極管和紅外光敏三極管之間開(kāi)有通光槽，通光槽允許發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光通過(guò)，同時(shí)阻止外來(lái)光線(xiàn)對(duì)光敏三極管造成干擾。

1.4 信號(hào)調(diào)理電路

由于傳感單元輸出的是微弱的電流信號(hào)，而后級(jí)A/D轉(zhuǎn)換器需要電壓信號(hào)，因此，在信號(hào)處理板的信號(hào)調(diào)理部分需要將電流變換為電壓，并加以濾波、放大。圖7給出了信號(hào)調(diào)理單元的電路原理圖。

圖5 傳感器外形示意圖Fig 5 Diagram of sensor’s outline

圖6 子傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig 6 Internal construction of sub-sensor

圖7 信號(hào)采集板原理圖Fig 7 Principle diagram of signal acquisition module

傳感器輸出的小電流信號(hào)在采樣電阻器Rs1兩端產(chǎn)生電壓降，此壓降被送入由運(yùn)放LM324AM和R2，R3構(gòu)成的同相比例放大電路。同時(shí)，為了除去傳感器輸出信號(hào)在傳輸過(guò)程中引入的噪聲，由電阻器R4和電容器C4構(gòu)成一級(jí)RC濾波電路，因而，可以有效地旁路高頻交流噪聲信號(hào)。最終在電路的Vout端將得到一調(diào)理后的電壓信號(hào)，此模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后即可由MCU讀取并進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

2 信息融合策略

2.1 單傳感單元的判別策略

在傳感單元中，雖然理論上竹絲的正面能夠與擋光板配合用以阻擋紅外光進(jìn)入光敏三極管，但實(shí)際上由于竹絲表面往往存在細(xì)小的紋理，依然可能有少量紅外光可以通過(guò)紋理縫隙漏射入光敏三極管。因此，即使對(duì)于竹絲正面，傳感單元仍然可能輸出一定電流。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:單個(gè)傳感單元分別對(duì)于竹絲正反兩面的輸出電流分布曲線(xiàn)近似服從正態(tài)分布:正面輸出電流統(tǒng)計(jì)量XZ～N（1.17，0.38），反面輸出電流統(tǒng)計(jì)量XF～N（3.41，0.52），如圖8所示。

由圖可見(jiàn)，在使用單一傳感單元的情況下，是存在一定誤判概率的，其誤判的概率為P{Xz＞Xf}，其中Xz和Xf為統(tǒng)計(jì)量XZ和XF的一次觀(guān)測(cè)樣本。由于Xz與Xf相互獨(dú)立，故有

圖8 傳感器輸出的電流分布密度圖Fig 8 Diagram of current distribution density of sensor output

即

通過(guò)查找正態(tài)分布對(duì)照表，可得誤判概率

于是，使用單一傳感單元的判別結(jié)果Y服從參數(shù)p=0.0064的0～1分布，其中，Y=1表示判別正確，Y=0表示判別錯(cuò)誤。

2.2 多傳感單元的判別策略

為了進(jìn)一步降低傳感器的誤判率，一只傳感器內(nèi)設(shè)置了三組結(jié)構(gòu)相同且互不影響的傳感單元。因此，對(duì)于同一根竹絲可以同時(shí)獲得三組獨(dú)立的判別結(jié)果，分別記為Y1，Y2，Y3。其中，Yi（i=1，2，3）相互獨(dú)立且均服從參數(shù)為p=0.0064的0～1分布。

將Yi（i=1，2，3）作為信息融合器的輸入，令Z為融合后的判決輸出，Z=1表示判別正確，Z=0表示判別錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)融合準(zhǔn)則函數(shù)

由于Yi（i=1，2，3）相互獨(dú)立且均服從相同參數(shù)的0～1分布，因此，Y∑服從二項(xiàng)分布B（n，p），即

其中，n=3，p=0.0064，k=0，1，2，3。

易得經(jīng)過(guò)信息融合后傳感器的的誤判率為

通過(guò)對(duì)比公式（3）可知，與單傳感單元的判別策略相比，多傳感單元經(jīng)融合準(zhǔn)則處理后的誤判率得到了顯著的降低。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將本文所述傳感器應(yīng)用于10根隨機(jī)抽取的竹絲樣本進(jìn)行正反面檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，記錄傳感器內(nèi)3組傳感單元分別對(duì)于竹絲正、反兩面的輸出電流，并應(yīng)用上述融合策略計(jì)算最終辨識(shí)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:由3組獨(dú)立傳感單元組成的竹絲正反面辨識(shí)傳感器，結(jié)合本文所設(shè)計(jì)的信息融合策略，能夠準(zhǔn)確地區(qū)分竹絲的正反兩面，達(dá)到了傳感器的設(shè)計(jì)要求。

表1 傳感單元對(duì)于樣本竹絲的輸出電流Tab 1 Output current of the sensing units to the bamboo-strip samples

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型竹絲正反面?zhèn)鞲衅鳎瑢?shí)現(xiàn)了機(jī)編竹席竹絲在自動(dòng)送絲過(guò)程中的正反面實(shí)時(shí)檢測(cè)。通過(guò)在一只傳感器內(nèi)設(shè)置三組獨(dú)立的傳感單元，并經(jīng)過(guò)融合準(zhǔn)則算法的處理，進(jìn)一步降低了傳感器的誤判率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，該傳感器體積小巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，工作可靠，為竹席自動(dòng)編織機(jī)或竹席編織自動(dòng)送絲機(jī)的設(shè)計(jì)打下了牢靠的基礎(chǔ)。

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