用于iGPS 的陣列式光電傳感器設(shè)計*

潘 曉，高虹霓，王 崴，賈 昆

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安710051)

0 引 言

隨著制造業(yè)的發(fā)展，大尺寸部件的動態(tài)位姿監(jiān)測技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛，如飛機自動化裝配、工業(yè)機器人位姿監(jiān)控、火箭總裝等［1］。室內(nèi)全球定位系統(tǒng)(indoor global positioning system，iGPS)作為一種新型的測量系統(tǒng)，具有實時性高、測量范圍大、并行能力強等優(yōu)點，為大型構(gòu)件的動態(tài)位姿實時監(jiān)控提供了有效的解決途徑［2，3］。iGPS由發(fā)射機網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)和上位機軟件組成，其自帶的傳感器類型主要有圓柱體傳感器、平面型傳感器以及手持式測頭。圓柱體傳感器和平面?zhèn)鞲衅黧w積小，計算相對位置信息時，具有很高的測量精度。但由于其被測點位于傳感器的幾何中心點上，無法測量零件表面實際坐標，在動態(tài)位姿求解過程中，會產(chǎn)生不確定測量誤差。手持式組合測頭，也稱T－Probe，其被測點雖然是前端探頭與物體表面接觸點，但體積較大，不易安裝在零件表面，只適用于人工干預(yù)的靜態(tài)物體表面測量［4］。因此，iGPS 自帶傳感器在大范圍動態(tài)測量應(yīng)用中具有局限性，而設(shè)計一種結(jié)構(gòu)緊湊、可固定在零件表面，實時測量零件表面坐標的光電傳感器在位姿監(jiān)控等場合具有實際意義。

1 傳感器設(shè)計方案

1.1 測量原理

iGPS 由多個測站和傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，每臺測站發(fā)出兩扇高速旋轉(zhuǎn)激光平面，通過傳感器準確提取電壓峰值點時刻Tik作為特征參數(shù)，以及激光平面相對初始位置的旋轉(zhuǎn)角度θ，得到激光平面方程

其中，Hθ為系統(tǒng)內(nèi)參數(shù);S 為被測點坐標;O 為測站坐標系原點坐標。根據(jù)空間平面前方交匯原理，由多臺發(fā)射機激光平面方程得到傳感器三維坐標S(x，y，z)。

本文在原有的平面?zhèn)鞲衅骰A(chǔ)上，利用環(huán)形硅光電池組上的多點位置坐標(xi，xj，zj)和硅光電池圓心到測頭球心坐標(x，y，z)固定距離的dj，得到空間距離公式

其中，dj為傳感器結(jié)構(gòu)內(nèi)參數(shù)，通過標定得到。測頭球心坐標(x，y，z)則需要經(jīng)過半徑補償(ΔX，ΔY，ΔZ)得到傳感器與部件接觸點坐標

1.2 傳感器總體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，陣列式光電傳感器主要由傳感器本體、放大器以及前端處理器三部分組成。放大器需要對傳感器本體上的硅光電池組輸出的電流信號進行I/V 轉(zhuǎn)換、選通、調(diào)理與放大，并傳輸?shù)角岸颂幚砥髦泄㏒TM2 采集。在同一周期內(nèi)，輸出的電壓信號中包含多臺不同轉(zhuǎn)速測站的時間信息，前端處理器主要完成對這些混合信息進行采集、識別與計算和數(shù)據(jù)輸出等功能。

圖1 傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of sensor system

2 硬件電路設(shè)計

2.1 I/V 轉(zhuǎn)換電路

為了保證時間特征參數(shù)提取的正確性，降低時間延遲［5］，選用德國First Sensor 公司的PC5—6—TOP5 型硅光電池作為接收端，其響應(yīng)速度為5 ns，暗電流僅0.1 nA。如圖2所示，為保證將光電池輸出的電流量不失真地轉(zhuǎn)換為電壓信號，本文設(shè)計具有頻帶寬、噪聲低、輸入阻抗高的跨阻型放大器作為I/V 轉(zhuǎn)換電路，由Rf 和Cf 組成的RC 反饋網(wǎng)路輸出電壓信號幅值為0～500 mV。

圖2 I/V 轉(zhuǎn)換電路Fig 2 I/V conversion circuit

2.2 選通電路

選通電路主要作用是將多路信號選通為雙路信號，經(jīng)過差分補償后變?yōu)閱温沸盘柟㏒TM32 的ADC 采集。電路如圖3 所示，該選通電路通過STM32 的PB3—7 口輸出的選通信號控制多路模擬開關(guān)，當I/O 輸出為高電平時，三極管導(dǎo)通，對應(yīng)的兩路信號導(dǎo)通。為了盡可能地提高開關(guān)響應(yīng)速度和減小傳感器體積，本文選擇歐姆龍公司的G6K—2F超小型信號用繼電器，其頻率特性為1 GHz，體積為10.3 mm×6.9 mm×5.4 mm［6］。

圖3 信號選通電路Fig 3 Signal gate circuit

2.3 信號調(diào)理電路

I/V 轉(zhuǎn)換后的信號中含有大量的環(huán)境噪聲，因此，本文設(shè)計了差分補償電路和100 Hz 濾波電路對單個光電池輸出信號進行調(diào)理，以降低環(huán)境光干擾，如圖4 所示。

圖4 末級調(diào)理電路Fig 4 Final stage conditioning circuit

2.4 前端處理器軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，初始化中斷服務(wù)函數(shù)、配置相關(guān)定時器，初始化信號選通模式和A/D 轉(zhuǎn)換參數(shù)，系統(tǒng)將進入循環(huán)運行工作模式。首先，通過AD 采集整個周期的混合激光信號，并開啟中斷服務(wù)函數(shù)。利用每臺發(fā)射機轉(zhuǎn)速和角度信息，對信號進行分頻、識別處理，所有信號匹配成功后，最后進行特征值計算，并由RS—232 串口通信傳到工控機上。當數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，選通配置位自動加1，并開啟下一次循環(huán)，流程圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig 5 Flow chart of system software

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)標定與誤差補償

陣列式傳感器不同于傳統(tǒng)的光電傳感器，在使用前必須對結(jié)構(gòu)參數(shù)dj進行準確標定。標定時，傳感器探針頭的球心位置與高精度圓錐標定臺的球心位置重合并固定不變，以順時針方向轉(zhuǎn)動傳感器，增加約束方程個數(shù)。設(shè)每個傳感器上有m 個測量特征點，轉(zhuǎn)動次數(shù)為n，標定結(jié)構(gòu)參數(shù)為dj，標定模型如下

其中，測點在不同測頭位置時的坐標(xij，yij，zij)(i=1，2，3，…，n;j=1，2，3，…，m)為已知量，測頭坐標(x，y，z)和結(jié)構(gòu)參數(shù)dj(j=1，2，3，…，m)共3+m 個未知量。在標定算法中，將模型利用LM 優(yōu)化算法轉(zhuǎn)化為無約束求解問題，選取評價函數(shù)J

當J ＜1×10－7時停止迭代，得到參數(shù)最優(yōu)解。

通過Matlab 仿真，得到位置變動次數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差關(guān)系，從圖6 可以看出，當次數(shù)小于15 次時，會帶入較大的參數(shù)誤差，當標定接近30 次時，帶入誤差約為0.02 mm，并趨于穩(wěn)定，所以，標定傳感器至少變動位置30 次才能將結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差降到最低。

圖6 測頭位置變動次數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)標定誤差關(guān)系圖Fig 6 Diagram of relationship between probe position changing times with structure parameter calibration error

當標定完傳感器后，所求點坐標其實是紅寶石測頭圓心坐標，為了得到傳感器與被測零件接觸點的真實坐標，避免傳感器自身制造和裝配誤差，需要對傳感器進行半徑誤差補償。任取三個光電池的圓心點A，B，C;求出矩陣傳感器位姿向量

其中，α，β，γ 為傳感器空間姿態(tài)角，半徑補償后，接觸點真實坐標(X，Y，Z)=(x+d cos α，y+dcos β，z+dcos γ)。

4 實驗分析

為了驗證傳感器的可靠性和準確性，以Leica AT901—LR 型激光跟蹤儀和T—probe 手持測頭作為傳感器精度評定標準對傳感器進行測試，其中，T—probe 手持測頭10 m 范圍內(nèi)，誤差為60μm。為了保證每次測量T—probe 手持測頭與傳感器測量點相同，兩者探頭與高精度圓錐標定臺上的球心接觸，保證兩球心坐標重合。實驗中，傳感器結(jié)構(gòu)內(nèi)參數(shù)經(jīng)過準確標定，即轉(zhuǎn)動位置次數(shù)為33 次，并在4～10 m 范圍內(nèi)隨機測量33 個位置點，每次測量結(jié)果與激光跟蹤儀結(jié)果比較，并計算合成誤差，如圖7。從圖中可以看出:在10 m范圍內(nèi)，測量誤差小于0.5 mm，測量誤差主要分布在±0.4 mm之間，并且對測量位置不敏感，滿足設(shè)計標準與測量要求。

圖7 傳感器合成測量誤差圖Fig 7 Diagram of sensor synthesizing measurement error

5 結(jié) 論

本文分析了當前iGPS 自帶傳感器在動態(tài)測量領(lǐng)域應(yīng)用上的不足，設(shè)計了一種安裝簡單、可測接觸點坐標的陣列式光電傳感器，并提出了結(jié)構(gòu)參數(shù)標定和誤差補償方法。分析了傳感器信號噪聲來源，設(shè)計了相應(yīng)的前端處理電路，并以STM32 作為MCU，完成信號分頻、識別和數(shù)據(jù)發(fā)送功能。最后通過仿真和實驗驗證得到標定次數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差的關(guān)系。實驗結(jié)果表明:在10 m×10 m 范圍內(nèi)，當標定位置轉(zhuǎn)動次數(shù)大于30 次，使用該傳感器，系統(tǒng)測量精度為0.5 mm，滿足大范圍動態(tài)位姿測量的應(yīng)用要求。

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