基于雙2D激光位移傳感器的空間運(yùn)動物體位置探測

玄柳，何慶，徐華，于存貴

（1.南京理工大學(xué)江蘇南京210094；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所上海201108）

基于雙2D激光位移傳感器的空間運(yùn)動物體位置探測

玄柳1，何慶2，徐華2，于存貴1

（1.南京理工大學(xué)江蘇南京210094；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所上海201108）

要獲得空間運(yùn)動物體的位置，需要實(shí)時探測被測物體特征點(diǎn)在空間中的三維坐標(biāo)信息，為了解決這一問題，提出了基于雙2D激光位移傳感器的空間運(yùn)動物體探測系統(tǒng)。首先，對2D激光位移傳感器進(jìn)行了簡單的介紹，包括2D激光位移傳感器的工作原理及傳感器的選型；其次，詳細(xì)介紹了雙2D激光位移傳感器三維定位方案，包括方案的選擇及方案的實(shí)現(xiàn)原理；最后，通過被測物體橫、縱坐標(biāo)探測模擬實(shí)驗(yàn)，以及軸、縱坐標(biāo)探測模擬實(shí)驗(yàn)兩個實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性。實(shí)驗(yàn)證明基于雙2D激光位移傳感器的空間運(yùn)動物體位置信息探測系統(tǒng)不會受被測物體的圓弧面的影響，且探測精度高、無需通過復(fù)雜的信息處理，采樣頻率最高可達(dá)10K，有利于提高信號探測的實(shí)時性。

信號探測；2D激光位移傳感器；凸起標(biāo)志；實(shí)時性

當(dāng)物體在空間中運(yùn)動時，要實(shí)時探測被測物體在空間中的三維坐標(biāo)信息，目前方法有很多，比如利用攝像機(jī)通過對圖像處理進(jìn)行特征點(diǎn)的定位［1］。但是，若使用兩個攝像頭組成雙目立體視覺探測系統(tǒng)，就必須要對兩個攝像頭都進(jìn)行標(biāo)定，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性［2］。如果使用單目視覺進(jìn)行信號探測，則會增加圖像處理算法的復(fù)雜性，延長處理時間。同時使用機(jī)器視覺要進(jìn)行大量的圖像處理，使得系統(tǒng)的采樣頻率降低，影響探測的實(shí)時性。另外，由于被測物體為不規(guī)則形狀，當(dāng)物體表面為弧面時易對攝像頭視覺定位造成干擾，產(chǎn)生較大的誤差［3］。

鑒于此提出了一種基于雙2D激光位移傳感器的空間運(yùn)動物體位置探測方法，不需要進(jìn)行復(fù)雜的信息處理，不受物體形狀影響，定位精度高，實(shí)時性好。2D激光位移傳感器可以測量金屬、陶瓷、木材、塑料等材料的表面，具有測量范圍寬、測量精度高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1　探測系統(tǒng)設(shè)計

1.12D激光位移傳感器工作原理

2D激光位移傳感器可以用來測量被測物體表面任一點(diǎn)的二維坐標(biāo)信息，由激光發(fā)生器、透鏡、鏡片、二維數(shù)組器、信號處理器、外殼等組成，其工作原理

基于光學(xué)三角測量法［4］，工作原理示意如圖1所示。

2D激光位移傳感器工作原理：半導(dǎo)體激光發(fā)生器作為光源，其發(fā)射出的激光通過透鏡后形成激光扇面，激光扇面與被測物體相交形成輪廓線，被測物體將激光反射到鏡片上，鏡片將所收集的反射光投影到二維數(shù)組器上，信號處理器通過分析處理二維數(shù)組器上的圖形信號就可獲得被測物體輪廓線上任一點(diǎn)的縱向深度信息以及距激光扇面中心線的橫向信息［5］。

2D激光位移傳感器所發(fā)射出的激光扇面與被測物體相交產(chǎn)生一條交線，該激光交線由若干激光數(shù)據(jù)點(diǎn)組成［6］。2D激光位移傳感器可測出被測物體在激光交線上的任一特征點(diǎn)到傳感器的縱向距離y，以及到視場中心線的橫向距離x。通過一個2D激光位移傳感器可以獲得被測物體上特征點(diǎn)的二維坐標(biāo)，那么利用兩個2D激光位移傳感器就可以獲得特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)［7］。

1.2系統(tǒng)方案設(shè)計

在被測物體上放置水平、豎直兩個凸起標(biāo)志，通過兩個2D激光位移傳感器檢測兩個凸起標(biāo)志的二維信息（橫向與縱向、軸向與縱向）就可以實(shí)現(xiàn)物體在空間坐標(biāo)系中的三維定位?；陔p2D激光位移傳感器的運(yùn)動物體空間位置探測系統(tǒng)的主要構(gòu)成如圖2所示。

圖1　2D激光位移傳感器工作原理示意圖

圖2　探測系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

要探測的特征點(diǎn)位于被測物體的表面上，在被測物體的表面有兩個凸起標(biāo)志，其中一個凸起標(biāo)志呈豎直方向，為豎直凸起標(biāo)志，另一個凸起標(biāo)志呈水平方向，為水平凸起標(biāo)志，兩凸起標(biāo)志相互垂直，且豎直凸起標(biāo)志的延長線穿過特征點(diǎn)。在兩凸起標(biāo)志相對應(yīng)的位置分別設(shè)置有兩個位置固定的2D激光位移傳感器。

初始狀態(tài)下，兩2D激光位移傳感器的激光扇面垂直于相應(yīng)的凸起標(biāo)志，視場中心線穿過相應(yīng)的凸起標(biāo)志。兩2D激光位移傳感器與相應(yīng)的凸起標(biāo)志的安裝距離為d，且兩2D激光位移傳感器的連線平行于豎直凸起標(biāo)志。

被測物體沿3個方向平動，其運(yùn)動范圍在2D激光位移傳感器的探測范圍內(nèi)，并保證被測物體在運(yùn)動過程中，兩凸起標(biāo)志與相應(yīng)的2D激光位移傳感器的激光扇面存在交點(diǎn)［8-9］。

在被測物體的運(yùn)動過程中，水平凸起標(biāo)志與相對應(yīng)的2D激光位移傳感器的激光扇面交點(diǎn)為A，A到視場中心線的距離為x1（軸向），A到2D激光位移傳感器的距離為y1（縱向）；豎直凸起標(biāo)志與相對應(yīng)的2D激光位移傳感器的激光扇面交點(diǎn)為B，B到視場中心線的距離為x2（橫向），B到2D激光位移傳感器的距離為y2（縱向）。

設(shè)初始狀態(tài)下，被測物體的特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)為（0，0，0），則被測物體在運(yùn)動過程中，其特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)為（x1，（y1+y2）/2-d，x2）。這樣通過兩個2D激光位移傳感器即可獲得空間運(yùn)動物體的位置信息。

2　實(shí)驗(yàn)及分析

本實(shí)驗(yàn)所用信號探測系統(tǒng)的傳感器為上海思信科學(xué)儀器公司的2D激光位移傳感器，其型號為GOCATOR 2350，其實(shí)物如圖3所示。

圖3　2D激光位移傳感器實(shí)物圖

2D激光位移傳感器參數(shù)如表1所示。

2D激光位移傳感器的MR為沿y方向的測量范圍，F(xiàn)OV為沿x方向的測量范圍，CD為安裝凈距離。2D激光位移傳感器與被測物體之間的安裝距離要考慮CD的影響［10］。

2.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在雙2D激光位移傳感器三維定位實(shí)驗(yàn)中，2D激光位移傳感器實(shí)時探測被測物體兩個凸起標(biāo)志在傳感器坐標(biāo)系中的二維坐標(biāo)信息，然后將探測到的坐標(biāo)信息反饋給上位機(jī)，通過上位機(jī)軟件實(shí)時顯示被測物體凸起標(biāo)志的二維坐標(biāo)信息。實(shí)驗(yàn)過程中所使用的實(shí)驗(yàn)器材包括被測物體、2D激光位移傳感器、同步觸發(fā)器、上位機(jī)及軟件［11］。

表1　2D激光位移傳感器參數(shù)表

本實(shí)驗(yàn)中將被測物體定為一平面靶板，在該靶板上放置兩個凸起標(biāo)志，兩個凸起標(biāo)志方向分別呈水平方向、豎直方向，水平凸起標(biāo)志長為260 mm、豎直凸起標(biāo)志長為150 mm，凸起標(biāo)志寬3 mm、高3 mm，凸起標(biāo)志選用反光性強(qiáng)的材料，被測物體如圖4所示，通過推動被測物體沿三個軸向的運(yùn)動模擬空間物體的運(yùn)動。在實(shí)驗(yàn)過程中，必須保證凸起一直在2D激光位移傳感器的測量范圍內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)過程中，2D激光位移傳感器激光線與被測物體凸起標(biāo)志始終相交于一點(diǎn)，由2D激光位移傳感器測得此凸起點(diǎn)在傳感器坐標(biāo)系中的二維坐標(biāo)信息。

圖4　被測物體模擬圖

由于通過兩2D激光位移傳感器分別獲取的兩凸起標(biāo)志二維坐標(biāo)信息解算得到運(yùn)動物體在空間坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)信息，因此，必須保證兩個2D激光位移傳感器在同一時刻的信息同步［12］。鑒于此，使用同步觸發(fā)器來使兩個2D激光位移傳感器同時觸發(fā)，從而保證所探測的兩凸起標(biāo)志的坐標(biāo)信息同步。同步觸發(fā)器［13］的實(shí)物如圖5所示。

2D激光位移傳感器所獲得的坐標(biāo)信息在上位機(jī)軟件界面里呈現(xiàn)，如圖6所示，圖中曲線凸起點(diǎn)為2D激光位移傳感器激光線與被測物體凸起標(biāo)志交點(diǎn)，其橫坐標(biāo)為2D激光位移傳感器激光線與被測物體凸起標(biāo)志交點(diǎn)到2D激光位移傳感器視場中心線的距離，其縱坐標(biāo)為2D激光位移傳感器激光線與被測物體凸起標(biāo)志交點(diǎn)到2D激光位移傳感器的距離［14］。本實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)下，2D激光位移傳感器與被測物體之間的安裝距離為500 mm，被測物體上兩凸起標(biāo)志均在2D激光位移傳感器視場中心線上，通過配置上位機(jī)軟件，將縱坐標(biāo)值減去500 mm后進(jìn)行二維曲線顯示，此時，曲線凸起點(diǎn)在傳感器坐標(biāo)系原點(diǎn)處。隨著被測物體的運(yùn)動，曲線凸起點(diǎn)在傳感器坐標(biāo)系中作相應(yīng)變化。

圖5　同步觸發(fā)器實(shí)物圖

圖6　上位機(jī)軟件界面圖

2.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1）被測物體橫、縱坐標(biāo)探測模擬實(shí)驗(yàn)（左右、前后方向）

通過2D激光位移傳感器探測豎直凸起標(biāo)志可以定位被測物體在空間坐標(biāo)系中的橫、縱坐標(biāo)［15］，其探測模擬實(shí)驗(yàn)如圖7所示。

圖7　被測物體橫、縱坐標(biāo)探測模擬實(shí)驗(yàn)圖

曲線凸起點(diǎn)橫坐標(biāo)值為被測物體在空間坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)值，曲線凸起點(diǎn)縱坐標(biāo)值為被測物體在空間坐標(biāo)系中的縱坐標(biāo)值。初始狀態(tài)下，曲線凸起點(diǎn)在坐標(biāo)系的原點(diǎn)處，代表被測物體特征點(diǎn)在空間坐標(biāo)系中橫向、縱向的位移量均為零；當(dāng)推動被測物體沿橫向運(yùn)動時，曲線凸起點(diǎn)橫坐標(biāo)會產(chǎn)生相應(yīng)變化，而縱坐標(biāo)不變；當(dāng)推動被測物體沿縱向運(yùn)動時，曲線凸起點(diǎn)縱坐標(biāo)會產(chǎn)生相應(yīng)變化，而橫坐標(biāo)不變；當(dāng)推動被測物體軸向運(yùn)動時，曲線凸起點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)均不變。

2）被測物體軸、縱坐標(biāo)探測模擬實(shí)驗(yàn)（上下、前后方向）

通過2D激光位移傳感器探測被測物體水平凸起標(biāo)志可以定位被測物體在空間坐標(biāo)系中的軸、縱坐標(biāo)，其探測模擬實(shí)驗(yàn)如圖8所示。

圖8　被測物體軸、縱坐標(biāo)探測模擬實(shí)驗(yàn)圖

曲線凸起點(diǎn)橫坐標(biāo)值為被測物體在空間坐標(biāo)系中的軸坐標(biāo)值，曲線凸起點(diǎn)縱坐標(biāo)值為被測物體在空間坐標(biāo)系中的縱坐標(biāo)值。初始狀態(tài)下，曲線凸起點(diǎn)在坐標(biāo)系的原點(diǎn)處，代表被測物體在空間坐標(biāo)系中軸向、縱向的位移量均為零；當(dāng)推動被測物體沿軸向運(yùn)動時，曲線凸起點(diǎn)橫坐標(biāo)會產(chǎn)生相應(yīng)變化，而縱坐標(biāo)不變；當(dāng)推動被測物體沿縱向運(yùn)動時，曲線凸起點(diǎn)縱坐標(biāo)會產(chǎn)生相應(yīng)變化，而橫坐標(biāo)不變；當(dāng)推動被測物體沿橫向運(yùn)動時，曲線凸起點(diǎn)軸、縱坐標(biāo)均不變。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

被測物體橫、縱坐標(biāo)探測模擬實(shí)驗(yàn)和軸、縱坐標(biāo)探測模擬實(shí)驗(yàn)兩個實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙2D激光位移傳感器三維定位方案的可行性。同時驗(yàn)證了被測物體分別沿橫向（左右）、縱向（前后）、軸向（上下）單獨(dú)運(yùn)動時，2D激光位移傳感器探測的其余兩個方向的坐標(biāo)無變化，即物體沿一個方向運(yùn)動時對其余兩個方向坐標(biāo)的探測無影響，證明了該方案的準(zhǔn)確性。

3　結(jié)論

針對空間運(yùn)動物體位置探測問題，本文提出了基于雙2D激光位移傳感器的空間運(yùn)動物體位置探測方案。該方案通過兩個2D激光位移傳感器獲得被測物體上特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，檢測精度高，采樣頻率快，且避免了復(fù)雜的圖像處理和分析運(yùn)算，有利于提高跟蹤的實(shí)時性。

［1］胡壽松.自動控制原理［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［2］齊賢偉．運(yùn)載火箭自動對接脫落連接器隨動技術(shù)研究［D］．南京：南京理工大學(xué)，2014.

［3］彭剛，黃心漢，王敏，等．基于視覺引導(dǎo)和超聲測距的運(yùn)動目標(biāo)跟蹤和抓?。跩］．高技術(shù)通訊，2002（6）:74-78.

［4］李蘭君，喻壽益．單點(diǎn)激光三角法測距及其標(biāo)定［J］．研究與開發(fā)，2003（10）:49-51.

［5］林向東．激光二維傳感器測量直線度方法的研究［D］．北京：北京交通大學(xué)，2011.

［6］劉薇娜，謝國紅．基于CCD的激光三角位移法測液位的性能研究［J］．自動化儀表，2010（7）:19-21.

［7］孫興．DSP在機(jī)器人視覺系統(tǒng)的應(yīng)用與研究［D］．貴陽：貴州大學(xué)，2006.

［8］曲興華．基于激光測距的大尺寸測量應(yīng)用研究［J］．儀器儀表學(xué)報，2009（3）:482-485.

［9］張海峰．單向激光測距及其測量實(shí)驗(yàn)［J］．中國激光，2013（3）:1-7.

［10］Shanghai Sixin Scientific Instruments Co.，Ltd［M］.Laser Displacement Sensor.2012

［11］于存貴，玄柳．運(yùn)動物體空間坐標(biāo)信息探測方法．中國，201510063280.5［P］，2015

［12］程鵬飛．大動態(tài)范圍高精度激光測距關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．上海：中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，2014.

［13］Alan Littlefield．Umbilical Design［J］．Produced by the NASA Center for Aerospace Information（CASI），2007.

［14］郭鴻祥．準(zhǔn)直測量中風(fēng)擺跟蹤技術(shù)的研究［D］．陜西：中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，2013.

［15］李宗濤．自動對接連接器探測跟蹤技術(shù)研究［D］．南京：南京理工大學(xué)，2015.

Position detection of spatial motion objects based on double 2D laser displacement sensor

XUAN Liu1，HE Qing2，XU Hua2，YU Cun-gui1
（1.Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；2.Shanghai Institute of Astronautical Systems Engineering，Shanghai 201108，China）

To gain the position of spatial motion objects，it is needed to detect the three-dimensional coordinate of measured object feature points constantly.So there is a spatial motion objects detected system based on double 2D laser displacement sensor.First of all，there is an introduction about double 2D laser displacement sensor，including double 2D laser displacement sensor's principle and sensor type.Secondly，introducing the project based on double 2D laser displacement sensor and axial and vertical coordinates detection simulate experiments to prove the project is available.Experiments prove that the spatial motion objects detected system based on double 2D laser displacement sensor is not influenced by measured object's cambered surface.It has high detection precision and doesn't deal with flexible informations.The sample frequency is 10k highly.All these are better to raise signal detection's instantaneity.

signal detection；2D laser displacement sensor；salient sign；instantaneity

TN91

A

1674－6236（2016）12-0060-04

2016-01-05稿件編號：201601023

上海航天科技創(chuàng)新基金（SAST201410）

玄柳（1990—），女，山東泰安人，碩士研究生。研究方向：智能探測與控制技術(shù)。