基于虛擬儀器技術(shù)的激光測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉淵博，何耀華

（1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，武漢 430070；2.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

激光測距技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高、作用距離長等優(yōu)點(diǎn)，是一種非接觸測量方法，具有廣闊的應(yīng)用空間，可應(yīng)用于下線車輛跑偏量的檢測[1-3]。鑒于虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，具有測量精度高、可重復(fù)性、測量速度快、由用戶自定義儀器功能等特點(diǎn)[4]，在此提出一套基于虛擬儀器技術(shù)的激光測距系統(tǒng)，應(yīng)用于下線車輛跑偏量檢測，可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)車輛距離的高精度測量，并具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示、報(bào)表生成及打印等功能。

1 激光測距原理

激光測距的基本原理為半導(dǎo)體激光器對被測目標(biāo)發(fā)射一個(gè)激光信號，并接收該信號的反射波，測定該激光信號的往返時(shí)間，從而計(jì)算出被測目標(biāo)的距離L[5]：

式中：L為被測目標(biāo)的距離，m；c為光波在空氣中的傳播速度，m/s；Δt為激光信號的往返時(shí)間，s。

激光測距儀是基于激光測距原理的非接觸測量儀器，根據(jù)測量往返時(shí)間Δt的方法不同，主要有2種類型：

（1）脈沖式激光測距儀。其直接測定儀器所發(fā)射的脈沖信號在被測距離上的往返時(shí)間Δt，進(jìn)而根據(jù)式（1）計(jì)算出被測距離。

（2）相位式激光測距儀?，F(xiàn)代高精度測距大多采用相位法激光測距，其原理[6]是對發(fā)射的激光進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，通過測定激光在被測距離上往返傳播時(shí)調(diào)制信號的相位變化量，間接地測定激光的往返時(shí)間Δt，然后計(jì)算出被測距離L

式中：f為調(diào)制信號頻率，Hz；φ為調(diào)制光波的相位變化量，rad。

2 激光測距系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

激光測距系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。當(dāng)有不透明物體（如目標(biāo)車輛）阻斷對射式光電開關(guān)的信號傳遞時(shí)，激光測距儀被觸發(fā)進(jìn)入測距工作狀態(tài)，激光測距儀將被測信號（即待測距離L）轉(zhuǎn)換為電流型模擬信號輸出。數(shù)據(jù)采集卡中通過多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)據(jù)緩存等部件，將電流型模擬信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字信號，并通過光纖傳遞方式傳至主控室計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)通過LabVIEW編寫的應(yīng)用程序調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序NI-DAQmx對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行控制、讀取并處理所采集到的電流數(shù)據(jù)，通過虛擬儀器前面板顯示測量結(jié)果。

圖1 激光測距系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of laser ranging system

3 系統(tǒng)硬件組成

該激光測距系統(tǒng)的硬件主要由激光測距儀、數(shù)據(jù)采集卡、采集卡機(jī)箱、光纖收發(fā)器、光電開關(guān)、開關(guān)電源模塊、溫控器及半導(dǎo)體制冷器等組成，將它們集成在一個(gè)數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)，可用于室外工作。數(shù)據(jù)采集箱將采集到的電流數(shù)據(jù)通過光纖傳遞方式傳至主控室計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。組裝后的數(shù)據(jù)采集箱如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集箱Fig.2 Data acquisition box

3.1 激光測距儀

本系統(tǒng)選用德國SICK公司的DT50系列激光測距儀，設(shè)定激光測距儀的模擬量輸出類型為電流型輸出，且與距離值正相關(guān)。

3.2 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡在整個(gè)系統(tǒng)中起著PC與外部通信的橋梁作用[7]。由于USB總線技術(shù)具有高傳輸速率和即插即用的特性，本系統(tǒng)選用美國NI公司的基于USB總線技術(shù)的C系列NI 9203數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡具有16位8通道的模擬輸入，每通道最大采樣速率可達(dá)200 kS/s，與NI cDAQ-9184機(jī)箱配合使用。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要基于LabVIEW軟件虛擬儀器開發(fā)平臺。LabVIEW是美國國家儀器公司推出的一款產(chǎn)品，使用G語言編程，帶有一個(gè)可完成任何編程任務(wù)的龐大的函數(shù)庫，具有數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等功能[8]。將LabVIEW與數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行配合使用，可設(shè)計(jì)出能由用戶自定義儀器功能的虛擬儀器，擺脫了傳統(tǒng)儀器的功能限制，為系統(tǒng)的開發(fā)提供極大便捷[9]。

本套系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、測量模型標(biāo)定模塊和數(shù)據(jù)處理模塊3部分。所設(shè)計(jì)的虛擬儀器前面板如圖3所示。

圖3 虛擬儀器前面板Fig.3 Front panel of virtual instrument

4.1 數(shù)據(jù)采集模塊

在LabVIEW軟件中，用戶可以直接根據(jù)需要調(diào)用DAQmx數(shù)據(jù)采集函數(shù)進(jìn)行編程，對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行控制、讀取并處理所采集到的電流數(shù)據(jù)，大大提高了編程效率。數(shù)據(jù)采集程序如圖4所示，可實(shí)時(shí)穩(wěn)定地采集到激光測距儀工作時(shí)對應(yīng)的輸出電流。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序Fig.4 Data acquisition program

4.2 測量模型標(biāo)定模塊

由于設(shè)定了激光測距儀的模擬量輸出類型為電流型輸出，且與距離值正相關(guān)，故可假設(shè)激光測距儀的測量模型為S=aI+b（a，b為待定參數(shù)）?？刹捎没谧钚《朔ǖ木€性擬合對激光測距儀的測量模型進(jìn)行標(biāo)定，即設(shè)：

式中：ε1，ε2，…，εN分別為其他隨機(jī)因素對測量結(jié)果的影響。一般假設(shè)它們是一組相互獨(dú)立且服從同一正態(tài)分布的隨機(jī)變量[10]。設(shè)a1，b1分別為參數(shù)a，b的最小二乘估計(jì)，則測量模型的一元線性擬合方程為

殘差μi為實(shí)測值Si與相應(yīng)擬合值S?的差，即

根據(jù)上述算法，對激光測距儀的測量模型進(jìn)行標(biāo)定。通過改變激光測距儀與被測目標(biāo)之間的距離，標(biāo)定出數(shù)據(jù)采集卡采集到的電流信號與實(shí)際測量距離間的對應(yīng)關(guān)系。在200～30000 mm有效測試范圍內(nèi)，每隔600 mm測量1個(gè)距離值對應(yīng)的電流信號，每個(gè)位置測量5次，以這5次測量結(jié)果的平均值作為該位置的電流數(shù)據(jù)值。由圖4所示數(shù)據(jù)采集程序得到Ii，根據(jù)激光測距儀自帶LED顯示屏上的讀數(shù)獲到Si，共獲到50組（Ii，Si）值，進(jìn)行最小二乘法線性擬合，得到的擬合曲線如圖5所示。

圖5 線性擬合曲線Fig.5 Curve of linear fitting

參數(shù)a，b的最小二乘估計(jì)的矩陣解M為

從而得到該激光測距儀測量距離的數(shù)學(xué)模型為

式中：S為被測距離，mm；I為激光測距儀的輸出電流，mA。

4.3 數(shù)據(jù)處理模塊

通過數(shù)據(jù)采集卡采集到激光測距儀輸出的電流型模擬信號后，將其送入主控室計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行電流數(shù)據(jù)的計(jì)算處理，從而得到被測距離。本系統(tǒng)設(shè)定采集卡的采樣率為1000 Hz，圖6為數(shù)據(jù)處理子程序，對采集到的電流數(shù)據(jù)處理計(jì)算。

圖6 數(shù)據(jù)處理子程序Fig.6 Sub-program of data processing

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)構(gòu)建完成以后，需驗(yàn)證系統(tǒng)是否能夠正常工作以及性能的優(yōu)劣。

5.1 靜態(tài)測量試驗(yàn)

將被測目標(biāo)靜止于激光測距儀的激光發(fā)射方向上，使被測目標(biāo)距激光測距儀4000 mm（可根據(jù)激光測距儀LED顯示屏上的讀數(shù)確定），運(yùn)行數(shù)據(jù)采集和處理程序，得到的測量結(jié)果如圖7所示（為顯示清晰，圖中任意選取50個(gè)電流數(shù)據(jù)點(diǎn)）。

圖7 靜態(tài)測量結(jié)果Fig.7 Result of static measurement

改變被測目標(biāo)與激光測距儀之間的距離，反復(fù)測量若干次，部分所得測量結(jié)果如表1所示。由表可知，系統(tǒng)靜態(tài)測量時(shí)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和處理程序得到的被測距離值的誤差在-1～1 mm之內(nèi)。

表1 靜態(tài)測量結(jié)果Tab.1 Result of static measurement

5.2 動態(tài)測量試驗(yàn)

5.2.1 被測目標(biāo)沿激光方向遠(yuǎn)離激光測距儀運(yùn)動

以新下線車輛為被測目標(biāo)，駕駛車輛沿著激光測距儀的激光發(fā)射方向遠(yuǎn)離其運(yùn)動，并盡量使車輛中心線和激光束重合，在距離激光測距儀10 m和25 m處分別做標(biāo)記。車輛到達(dá)10 m標(biāo)記點(diǎn)處附近時(shí)開始保持以50 km/h的速度勻速行駛，到達(dá)25 m標(biāo)記點(diǎn)處附近時(shí)開始減速，最終得到采集的電流曲線，取其中間近似線性的部分——結(jié)果Ⅰ如圖8所示。

圖8 動態(tài)測量結(jié)果ⅠFig.8 ResultⅠ of dynamic measurement

圖8所示近似線性的電流曲線對應(yīng)的是車輛勻速行駛時(shí)的狀態(tài)，電流曲線上起點(diǎn)對應(yīng)的電流約為10.34 mA，終點(diǎn)對應(yīng)的電流約為16.24 mA，故此段電流曲線對應(yīng)的車輛行駛范圍為距離激光測距儀12～23 m，該段時(shí)間共采集到約792個(gè)電流數(shù)據(jù)。將其中前10個(gè)電流數(shù)據(jù)點(diǎn)的顯示局部放大，如圖9所示，可見采集到的電流數(shù)據(jù)并非完全線性，這是由于車輛行駛過程中有輕微波動以及采集卡固有特性所致。

圖9 結(jié)果Ⅰ的局部放大曲線Fig.9 Local amplification curve of resultⅠ

動態(tài)測量結(jié)果Ⅰ共采集到792個(gè)電流數(shù)據(jù)，即經(jīng)過該試驗(yàn)得到792組（Ii，Si）值。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與靜態(tài)標(biāo)定所得激光測距儀測量模型之間的直線擬合優(yōu)度判定系數(shù)R2為

可得R2=0.9946

說明系統(tǒng)動態(tài)測量時(shí)有較高的測試精度和可重復(fù)性。

5.2.2 被測目標(biāo)沿與激光方向垂直的方向運(yùn)動

以新下線車輛為被測目標(biāo)，駕駛車輛沿著與激光測距儀的激光發(fā)射方向相垂直的方向以某一速度行駛，得到的電流曲線（提取中間較為穩(wěn)定的50個(gè)電流數(shù)據(jù)）如圖10所示。

圖10 動態(tài)測量結(jié)果ⅡFig.10 ResultⅡ of dynamic measurement

由圖可見，車輛沿著與激光發(fā)射方向相垂直的方向駛過時(shí)，車身的中間部分比較平整，采集到的電流數(shù)據(jù)波動也比較小，采集到的電流平均值為5.60023 mA，被測車輛駛過時(shí)距離激光測距儀3180.43 mm。

6 實(shí)際應(yīng)用

該激光測距系統(tǒng)在室外工作的數(shù)據(jù)采集箱如圖11所示。在跑道兩側(cè)分別布置2對該數(shù)據(jù)采集箱，即可用于新下線車輛跑偏量自動檢測。

圖11 數(shù)據(jù)采集箱Fig.11 Data acquisition box

如圖12所示，2組數(shù)據(jù)采集箱間隔一定距離分置于跑道兩側(cè)，形成 2組測點(diǎn)，即 A（1）和 A（2），B（1）和B（2）。以道路中心線為x軸建立坐標(biāo)系yOx，由于數(shù)據(jù)采集箱在實(shí)際安裝過程中，很難保證其相對位置準(zhǔn)確無誤，所以需對2組測點(diǎn)分別進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，測量出各測點(diǎn)距道路中心線（即x軸）的實(shí)際距離，其分別為L1，L2，L3，L4。當(dāng)被測車輛依次通過2組測點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會自動測量得到2組距離值，即S1，S2，S3，S4。

圖12 跑偏檢測原理Fig.12 Principle of wandering test

以被測車輛中心線，作為計(jì)算被測車輛在y軸上坐標(biāo)的基準(zhǔn)，則被測車輛通過2組測點(diǎn)時(shí)，其在y軸上的坐標(biāo)分別為

利用上述算法，在某汽車廠搭建好基于激光測距儀的車輛跑偏自動檢測系統(tǒng)，記為“系統(tǒng)1”，對新下線車輛進(jìn)行測試。同時(shí)，使用該汽車廠已投入使用多年并得到較高評價(jià)的，基于CCD相機(jī)的車輛跑偏檢測系統(tǒng)[11-12]，記為“系統(tǒng)2”，對同一被測車輛進(jìn)行測試，測試結(jié)果的對比如表2所示（僅列舉10組數(shù)據(jù)）。

由表可知，將激光測距系統(tǒng)（系統(tǒng)1）應(yīng)用于車輛跑偏檢測中，測量結(jié)果與已有的基于CCD相機(jī)的車輛跑偏檢測系統(tǒng)（系統(tǒng)2）相比，誤差＜1.5 cm，而且成本較低，穩(wěn)定性好，設(shè)備安裝、調(diào)試也更方便。

7 結(jié)語

借助于虛擬儀器的諸多優(yōu)點(diǎn)，完成了基于虛擬儀器技術(shù)激光測距系統(tǒng)的搭建，實(shí)現(xiàn)了對被測距離的高精度自動測量。利用基于最小二乘法的線性擬合對激光測距儀的測量模型進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定，并通過計(jì)算動態(tài)測量所得數(shù)據(jù)與測量模型之間的擬合優(yōu)度判定系數(shù)，說明該系統(tǒng)具有較高的測量精度和可重復(fù)性。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，與基于CCD相機(jī)的車輛跑偏檢測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)誤差＜1.5 cm，且穩(wěn)定性更好，響應(yīng)更快，開發(fā)和維護(hù)成本較低，設(shè)備安裝、調(diào)試也更方便。

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