基于PSD的激光跟蹤測(cè)量控制系統(tǒng)研究*

劉 斌，陸永華 ，楊 超

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016)

0 引 言

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)源于機(jī)器人計(jì)量學(xué)，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、精密機(jī)械、控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物［1］，是一種新型的無(wú)導(dǎo)軌型坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)［2］。

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)按其跟蹤頭數(shù)量和工作原理可以分為三種:單站式球坐標(biāo)法、雙站式三角法和多站式距離交會(huì)法［3］。單站式球坐標(biāo)法的典型應(yīng)用是一站式激光跟蹤儀［4］，測(cè)量一個(gè)長(zhǎng)度值和兩個(gè)角度值，從而計(jì)算出點(diǎn)空間坐標(biāo)值。目前，瑞士Leica 公司最近推出的LTD840 激光跟蹤儀帶有T-Probe 及T-Scan 功能，測(cè)量范圍可達(dá)40 m，美國(guó)API 公司生產(chǎn)的3D/6D激光跟蹤儀精度可達(dá)5 ppm［5-6］。雙站式三角法的典型應(yīng)用是經(jīng)緯儀系統(tǒng)，利用完全相同的兩臺(tái)經(jīng)緯儀通過(guò)對(duì)點(diǎn)的方式測(cè)量純角度值，英國(guó)Surrey 大學(xué)采用兩臺(tái)空間相對(duì)位置經(jīng)嚴(yán)格標(biāo)定的激光跟蹤儀作為測(cè)量基站，由空間角度關(guān)系計(jì)算了被測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)［7］。多站式距離交會(huì)法的典型應(yīng)用是全站儀，采用多路激光以不同角度跟蹤測(cè)量被測(cè)點(diǎn)到測(cè)站間的距離，計(jì)算空間點(diǎn)信息，日本國(guó)家計(jì)量研究院建立了四路激光跟蹤干涉測(cè)量系統(tǒng)［8-9］，2009年清華大學(xué)劉永東博士設(shè)計(jì)了三站激光跟蹤坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)［10］。

本課題研究的激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合單站式球坐標(biāo)和雙站式三角法的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一種基于三角法的一站式PSD 激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)利用三角法原理設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)本體和測(cè)頭部分，系統(tǒng)本體利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鏡使激光光斑移動(dòng)，測(cè)頭部分主要采集數(shù)據(jù)。本研究應(yīng)用VC+ +6．0 軟件在上位機(jī)開發(fā)基于對(duì)話框的可執(zhí)行控制程序，下位機(jī)采用兩個(gè)STM32 微處理器，其中一個(gè)處理采集來(lái)的數(shù)據(jù)并通過(guò)射頻模塊無(wú)線發(fā)送，另外一個(gè)微處理器則接收發(fā)送的數(shù)據(jù)并通過(guò)串口傳給上位機(jī)。由上、下位機(jī)共同組成該激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。

1 工作原理

三角法測(cè)量原理如圖1 所示。

圖1 三角法測(cè)量原理示意圖

筆者研究的激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)左、右轉(zhuǎn)鏡之間的距離為固定已知常量L，測(cè)量過(guò)程中步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鏡運(yùn)動(dòng)，測(cè)得左、右轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)角分別為α1，α2，β1，β2，經(jīng)過(guò)左右轉(zhuǎn)鏡的激光束在測(cè)頭上交會(huì)，該交會(huì)點(diǎn)即為靶標(biāo)點(diǎn)P。通過(guò)解三角形可得:

或

式中:α1，α2—測(cè)得的水平方向角度值;β1，β2—測(cè)得的豎直方向角度值;L—固定的已知常量。

2 工作流程

基于三角法原理設(shè)計(jì)的激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)本體和測(cè)頭部分兩個(gè)單元。系統(tǒng)本體上主要是步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鏡運(yùn)動(dòng)，以改變激光光斑在空間的坐標(biāo)位置。測(cè)頭部分裝有位置敏感探測(cè)器(PSD)以采集激光光斑在PSD 上的位置信息，并內(nèi)嵌了各種電子模塊對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。筆者研究的激光跟蹤控制系統(tǒng)也相應(yīng)的分為兩個(gè)部分，上位機(jī)采用工控機(jī)IPC、運(yùn)動(dòng)控制卡PCI-8134 實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)本體上步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，下位機(jī)以嵌入式微處理器STM32 為主控制器，配合運(yùn)放模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、射頻模塊等電子設(shè)備處理PSD 傳感器的數(shù)據(jù)并無(wú)線發(fā)射。

圖2 測(cè)量控制系統(tǒng)

上位機(jī)控制系統(tǒng)主要由控制器、驅(qū)動(dòng)單元、執(zhí)行單元組成，控制系統(tǒng)流程如圖3 所示。工控機(jī)通過(guò)PCI總線與運(yùn)動(dòng)控制卡PCI-8134 進(jìn)行通信，通過(guò)調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的庫(kù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。

圖3 上位機(jī)控制流程圖

下位機(jī)控制系統(tǒng)主要由信息采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和各電子模塊組成?？刂葡到y(tǒng)流程如圖4 所示。

下位機(jī)分為信息的發(fā)送方和接收方，均以微處理器STM32 為主控制器。發(fā)送方位置敏感檢測(cè)器PSD采集激光光斑在PSD 上的重心位置信息，并將采集的模擬信號(hào)傳送給PSD 處理板SPB100 進(jìn)行放大處理，經(jīng)PSD 處理板輸出的放大的模擬量不能直接傳送給微處理器STM32 處理，必須經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊AD7606 將輸出的模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量在傳給微處理器，雖然微處理器STM32 本身帶有多個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換功能，但是受電壓的限制，STM32 的參考電壓是3．3 V，而PSD 處理板的輸出模擬電壓在正負(fù)10 V 的范圍，所以PSD 處理板的輸出模擬電壓不能直接送到STM32 處理，同時(shí)，陀螺儀MPU6050 通過(guò)UART 不斷的向微處理器發(fā)送采集的測(cè)頭角度信息，最后經(jīng)過(guò)微處理器處理的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI 總線傳給頻率為2．4 GHz的射頻模塊NRF24L01 進(jìn)行發(fā)送。接收方射頻模塊NRF24L01 接收發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過(guò)SPI 總線將接收的數(shù)據(jù)傳送給微處理器STM32，微處理器接收到射頻模塊傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)便立即通過(guò)UART 經(jīng)UART轉(zhuǎn)USB 模塊傳送給工控機(jī)IPC。

圖4 下位機(jī)控制流程圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3．1 運(yùn)動(dòng)控制模塊

運(yùn)動(dòng)控制單元主要是運(yùn)動(dòng)控制卡連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，該控制系統(tǒng)采用的是凌華PCI-8134 系列四軸步進(jìn)和伺服運(yùn)動(dòng)控制卡，它具有32 位PCI 總線，即插即用，輸出脈沖頻率最高可達(dá)2．4 MHz，通過(guò)調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡自帶的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)精確可靠的運(yùn)動(dòng)控制功能。運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)PCI 總線與工控機(jī)通信，并向外引出了接線端子，運(yùn)動(dòng)控制卡與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器單軸的連接示意圖如圖5 所示，其他軸的連接與此類似。

3．2 主控制器模塊

控制系統(tǒng)采用的微處理器為STM32F103C8T6，ARM 32-bit Cortex-M3 CPU 主頻高達(dá)72 MHz，片內(nèi)提供了多個(gè)通信接口，包括2 個(gè)IIC 接口、3 個(gè)USART 接口、2 個(gè)SPI 接口、1 個(gè)CAN 接口和1 個(gè)USB 接口。該處理器最小系統(tǒng)的引腳定義如圖6 所示。圖6 中只給出了要用到的引腳描述。端口PA2、PA3 分別與陀螺儀MPU6050 的RX、TX 連接，用于讀取陀螺儀繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度、角速度和角加速度。PA4、PA5、PA6、PA7是STM32 的SPI1 片內(nèi)外設(shè)接口，分別與無(wú)線射頻模塊的SPI 口連接，用于將STM32 處理的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送。端口PA0、PA1、PA8、PA11、PA12、PB13、PB14 與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊AD7606 連接，PA0 用于選擇轉(zhuǎn)換范圍，PA1 提供片選信號(hào)，PA8 提供開始轉(zhuǎn)換信號(hào)，PA11 用于復(fù)位，PA12 提供是否正處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，PB13 提供時(shí)鐘信號(hào)，PB14 用于數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 控制器連接示意圖

圖6 STM32 最小系統(tǒng)

3．3 陀螺儀模塊

陀螺儀安裝在激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)本體和測(cè)頭部分，其作用是讀出本體和測(cè)頭三軸的角度值，通過(guò)對(duì)比得出測(cè)頭和系統(tǒng)本體的相對(duì)角度值，用于后續(xù)的誤差補(bǔ)償，以提高測(cè)量提供的精度。陀螺儀模塊如圖7所示。

圖7 陀螺儀模塊

陀螺儀與MCU 既可以采用串口通訊，也可以利用IIC 接口通訊，這里采用串口通訊方式。MPU6050 不斷的向MCU 發(fā)送信息，其輸出的每幀數(shù)據(jù)分為3 個(gè)數(shù)據(jù)包，分別為角度包、角速度包和角加速度包，3 個(gè)數(shù)據(jù)包通過(guò)包頭提供的標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行區(qū)分，若包頭數(shù)據(jù)為0X51 則接收的數(shù)據(jù)為角度信息，若包頭數(shù)據(jù)為0X52 則接收的數(shù)據(jù)為角速度信息，若包頭數(shù)據(jù)為0X53 則接收的數(shù)據(jù)為角加速度信息。上位機(jī)設(shè)置波特率為115 200 bps，每隔10 ms 輸出一幀數(shù)據(jù)，通過(guò)判斷包頭標(biāo)識(shí)得到角度信息，對(duì)角度包進(jìn)行解析得出系統(tǒng)本體和測(cè)頭繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度。

3．4 無(wú)線通訊模塊

本研究采用無(wú)線通訊模塊NRF24L01 如圖8 所示。其工作頻段為2．4 GHz～2．5 GHz，內(nèi)置數(shù)據(jù)鏈路層，SPI 口通訊方式，自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)功能，地址及CRC 檢驗(yàn)功能。該模塊共有兩個(gè)，分別用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，其通訊接口是一樣的，可通過(guò)軟件設(shè)置工作模式。無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為PSD 傳感器采集的位置信息和陀螺儀角度信息，將其打包成一個(gè)數(shù)據(jù)幀，共27 個(gè)字節(jié)，采用自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)重發(fā)功能，選擇通道0進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

圖8 NRF24L01 模塊

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)將配置寄存器位PRIM_RX 置低，使NRF24L01 工作在發(fā)送模式，接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR 和有效數(shù)據(jù)TX_PLD 通過(guò)SPI 口寫入TX_FIFO，設(shè)置CE 位為高，啟動(dòng)發(fā)射。發(fā)送完數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)將通道0 設(shè)置為接收模式來(lái)接收應(yīng)答信號(hào)，若在有效時(shí)間內(nèi)接收到應(yīng)答信號(hào)，則狀態(tài)寄存器TX_DS 位置高并將數(shù)據(jù)從TX_FIFO 清除，若未接收到應(yīng)答信號(hào)，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)將配置寄存器位PRIM_RX 置高，使NRF24L01 工作在接收模式，配置EN_RXADDR 寄存器使能接收通道0，配置EN_AA寄存器使能自動(dòng)應(yīng)答功能，配置RX_PW_P0 寄存器選擇有效數(shù)據(jù)寬度為8 位，設(shè)置CE 位為高，啟動(dòng)接收。接收到數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RX_FIFO 中，同時(shí)RX_DR 位置高，并產(chǎn)生接收中斷，發(fā)送確認(rèn)應(yīng)答信號(hào)，MCU將數(shù)據(jù)以合適的速率通過(guò)SPI 口將數(shù)據(jù)讀出。

3．5 PSD 模塊

PSD 傳感器及處理電路如圖9 所示。

圖9 PSD 傳感器及處理電路

本研究采用方形二維SiTek 2L20 PSD，位置非線性最大±0．8%，測(cè)量精度可達(dá)1 μm，當(dāng)有激光光斑照射到光敏面上時(shí)，PSD 會(huì)產(chǎn)生光電流，光電流經(jīng)4 個(gè)電極引腳引出，經(jīng)PSD 處理板處理。PSD 處理板采用SiTek SPC02，該電路包括了電流電壓并放大電路、加減法運(yùn)算、除法運(yùn)算等功能，將光電流轉(zhuǎn)化成只有X、Y獨(dú)立的兩路電壓模擬信號(hào)輸出。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是在VC+ +6．0 環(huán)境下編寫的程序，主要由運(yùn)動(dòng)控制部分、與下位機(jī)通訊部分和數(shù)據(jù)處理顯示部分3 部分組成，上位機(jī)圖形用戶界面如圖10所示。

圖10 上位機(jī)圖形用戶界面

運(yùn)動(dòng)控制部分采用PID 控制算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制功能，包括初始化設(shè)置，絕對(duì)運(yùn)動(dòng)控制和相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制。初始化設(shè)置是開始測(cè)量前對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行選擇，例如測(cè)針長(zhǎng)度、測(cè)量時(shí)間間隔等;絕對(duì)運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)輸入電機(jī)位置對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置的粗調(diào);相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)設(shè)置參數(shù)和方向按鈕對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置的微調(diào)，PSD 激光跟蹤程序主要采用逐次逼近算法，分別讓兩束激光輪流交替向PSD 傳感器坐標(biāo)原點(diǎn)靠近，并不斷重合在PSD 坐標(biāo)原點(diǎn)處，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤功能。與下位機(jī)通訊部分實(shí)現(xiàn)了接收下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息的功能，下位機(jī)通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB 接口模塊與工控機(jī)IPC 連接，將采集的陀螺儀角度信息和激光光斑在PSD 上的位置信息傳輸給該程序。數(shù)據(jù)處理顯示部分實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)運(yùn)算處理并顯示的功能，首先該程序測(cè)得的激光光斑轉(zhuǎn)角信息代入坐標(biāo)計(jì)算公式，對(duì)陀螺儀角度信息解碼，將接收的PSD 處理器電壓值轉(zhuǎn)換成位置量，并將這些數(shù)據(jù)信息在圖形用戶界面上輸出顯示。

下位機(jī)軟件部分用Keil 編寫，將程序燒入微控制器實(shí)現(xiàn)控制功能。下位機(jī)程序主要由陀螺儀MPU6050模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換AD7606 模塊、無(wú)線射頻NRF24L01 模塊、串口通信模塊等子程序組成，下位機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖11 所示。

圖11 下位機(jī)控制系統(tǒng)框圖

MPU6050 模塊子程序?qū)崿F(xiàn)串口接收數(shù)據(jù)包，判別角度數(shù)據(jù)包并解碼。AD7606 模塊子程序?qū)崿F(xiàn)MCU通過(guò)GPIO 口對(duì)AD 轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制，通過(guò)SPI 口接收轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。NRF24L01 模塊子程序?qū)崿F(xiàn)通過(guò)SPI 通信對(duì)射頻模塊的控制和數(shù)據(jù)的發(fā)送接收。串口通信子程序?qū)崿F(xiàn)USART 協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù)。各個(gè)模塊子程序通過(guò)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)UCOS 進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度和數(shù)據(jù)通信，使系統(tǒng)更可靠、穩(wěn)定。

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

被測(cè)對(duì)象選用某渦輪轉(zhuǎn)子葉片，被測(cè)對(duì)象如圖12 所示。

圖12 被測(cè)對(duì)象

測(cè)量裝置如圖13 所示。

圖13 測(cè)量裝置

筆者在測(cè)量時(shí)將其10 ×10 等分，測(cè)得部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1 所示。

以上數(shù)據(jù)顯示了該測(cè)量系統(tǒng)和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示，該測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)精度大約在亞毫米級(jí)，基本滿足大尺寸坐標(biāo)測(cè)量的要求。影響測(cè)量系統(tǒng)精度的主要因素包括激光初始對(duì)零位置、傳感器精度、信道存在干擾等因素。在改善測(cè)量環(huán)境的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)精度有較大的提升空間。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)激光跟蹤儀、雙站式經(jīng)緯儀及多站式全站儀等坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行研究，本研究結(jié)合單站式球坐標(biāo)和雙站式三角法的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了PSD 激光跟蹤控制系統(tǒng)，光路的瞬間遮擋不會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響，避免了采用昂貴的激光干涉系統(tǒng)，測(cè)量前只需光斑對(duì)零，避免了經(jīng)緯儀系統(tǒng)相互定位;開發(fā)了基于對(duì)話框的圖形用戶界面，并加入了嵌入式控制系統(tǒng)，利用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS 進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和同步通信，在實(shí)現(xiàn)激光跟蹤測(cè)量功能的同時(shí)，使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得到了提高。

通過(guò)大量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)證明，該控制系統(tǒng)可成功應(yīng)用于激光跟蹤測(cè)量。

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