基于圖像處理的位移測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)

吳蓓 曾祥堉 單新治 苗玉 高秀敏

摘要：針對(duì)光柵尺、容柵尺等位移測(cè)量?jī)x器不易于現(xiàn)場(chǎng)安裝的缺點(diǎn)，提出一種基于圖像處理的位移傳感器裝置，使其在滿足分辨率與響應(yīng)速度的條件下，最大限度降低安裝要求。該傳感器基于激光鼠標(biāo)原理，通過(guò)改進(jìn)光學(xué)組件，使得傳感器與參照物可以保持比較長(zhǎng)的非接觸空間。同時(shí)根據(jù)不同場(chǎng)合的需求，換裝不同放大率的光學(xué)組件，以得到不同工作距離、分辨率的傳感器。實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器易于安裝在多數(shù)平面運(yùn)動(dòng)的待測(cè)物上，具有成本低、精度高、線性度好的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于普通機(jī)床的數(shù)顯改造、機(jī)器人的精確定位等場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：位移測(cè)量； 速度測(cè)量； 精確定位； 激光鼠標(biāo)傳感器； 機(jī)床數(shù)顯改造

中圖分類號(hào)： O 435 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005 5630.2018.03.015

Abstract： Due to the shortcoming of on site installation for grating ruler，captive scale and other displacement measurement equipment，we present a displacement measurement sensor based on image processing，which can meet the requirement of resolution and response speed and it greatly reduces installation requirements.The sensor is based on the principle of laser mouse，and can keep a longer non contact space between the reference by modifying the optical component.According to the requirements of different occasions，different optical components with different magnification can be changed to obtain sensors with different working distance and resolution.In this paper，the design of the sensor is preliminarily verified.The results show that the sensor is easy to be mounted on most planar moving objects，and has advantages of low cost，high precision and good linearity.The utility model can be widely used for the digital reconstruction of an ordinary machine tool and the precise positioning of a robot.

Keywords：displacement measurement； velocity measurement； accurate positioning； laser mouse sensor； digital transformation of machine tool

引 言

在自動(dòng)化、智能化高速發(fā)展和普及的今天，研究數(shù)字化的位移測(cè)量傳感器具有重大意義。當(dāng)前用于測(cè)量位移的方法主要有光柵、容柵等方式，而轉(zhuǎn)速測(cè)量[1]方法主要有光電式、電渦流或電磁感應(yīng)式等。在這些測(cè)量方式中，所用傳感器通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較昂貴、行程有限，且大多數(shù)都是接觸式測(cè)量[2]，而光學(xué)/激光鼠標(biāo)傳感器具有精度高、環(huán)境要求低、穩(wěn)定性和可靠性好、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，非常適合用來(lái)設(shè)計(jì)以上各種專用傳感器。

為了適用于更多的應(yīng)用場(chǎng)合，需要使用激光作為光源，其好處是可以通過(guò)更多的表面，因?yàn)榧す馐窍喔晒?，幾乎單一的波長(zhǎng)即使經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳播依然能保持其強(qiáng)度和波形。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理

圖1為位移傳感器裝置的原理圖，測(cè)試傳感系統(tǒng)主要由激光二極管、光學(xué)透鏡、光學(xué)感應(yīng)器、接口微處理器、通訊接口等組成，整個(gè)裝置置于一個(gè)可進(jìn)行x、y方向移動(dòng)的二維位移機(jī)構(gòu)上。在光電裝置內(nèi)部有一個(gè)激光二極管，該二極管發(fā)出的光線照射到工作平面，光線經(jīng)工作平面表面反射后由一組光學(xué)透鏡成像到一個(gè)光感應(yīng)器件（微成像器）上。這樣，當(dāng)裝置移動(dòng)時(shí)，其移動(dòng)軌跡便會(huì)被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。利用裝置內(nèi)部的一塊專用圖像分析芯片數(shù)字微處理器（DSP）對(duì)移動(dòng)軌跡上攝取的一系列圖像 進(jìn)行分析處理，通過(guò)對(duì)這些圖像上特征點(diǎn)位置的變化分析，來(lái)判斷裝置的移動(dòng)方向和移動(dòng)距離，從而完成裝置的定位。

當(dāng)裝置移動(dòng)時(shí)，CMOS錄得連續(xù)的圖案，通過(guò)DSP對(duì)每張圖片的前后對(duì)比分析，得到兩次采樣圖像的相同像素點(diǎn)，由此知道了裝置移動(dòng)的方向，從而得出x、y方向上的移動(dòng)數(shù)值。由于采樣頻率是固定的，裝置的移動(dòng)速度也就能計(jì)算出來(lái)了[3 4]。

影響系統(tǒng)性能的主要因素有以下三點(diǎn)：（1） 成像傳感器。成像質(zhì)量的高低，直接影響下面數(shù)據(jù)的進(jìn)一步加工處理。（2） DSP處理器。DSP輸出的x、y軸數(shù)據(jù)流，影響裝置的移動(dòng)和定位性能。（3） 通訊協(xié)議（SPI）與微型控制單元（MCU）之間的配合。數(shù)據(jù)的傳輸具有一定的時(shí)間周期性（數(shù)據(jù)回報(bào)率），而且他們之間的周期也有所不同，SPI有四種工作模式，另外裝置采用不同的MCU，數(shù)據(jù)傳輸頻率也會(huì)有所不同，因此數(shù)據(jù)從SPI傳輸?shù)組CU以及從MCU傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備，傳輸時(shí)間上的配合尤為重要。

1.2 光學(xué)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)之前，要先確定光學(xué)系統(tǒng)的初始參數(shù)。為了達(dá)到較長(zhǎng)的工作距離，設(shè)計(jì)光學(xué)鏡頭的工作距離為20 mm；考慮到傳感器要滿足足夠的安裝公差容忍度，要求光學(xué)系統(tǒng)的景深至少達(dá)到±1.0 mm； 由景深與工作距離的限定要求，以及考慮激光器輸出能量、CMOS的感光度參數(shù)，可確定系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA為0.03；光學(xué)系統(tǒng)的波長(zhǎng)采用激光器的波長(zhǎng)為（650±5）nm；系統(tǒng)放大率為0.8。

由于CMOS的每個(gè)像素單元所對(duì)應(yīng)的實(shí)際位移量與光學(xué)系統(tǒng)的放大率有關(guān)，因此光學(xué)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)為物方遠(yuǎn)心光路。物方遠(yuǎn)心光路是將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的像方焦平面上，物方主光線平行于光軸且主光線的會(huì)聚中心位于物方無(wú)限遠(yuǎn)，稱之為物方遠(yuǎn)心光路。其作用是可以消除物方由于調(diào)焦不準(zhǔn)確帶來(lái)的讀數(shù)誤差。為了降低此類傳感器的校準(zhǔn)難度以及裝配精度，光學(xué)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)為像方遠(yuǎn)心光路。

像方遠(yuǎn)心光路是將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的物方焦平面上，像方主光線平行于光軸且主光線的會(huì)聚中心位于像方無(wú)限遠(yuǎn)，稱之為像方遠(yuǎn)心光路，其作用是可以消除像方調(diào)焦不準(zhǔn)引入的測(cè)量誤差。因此整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)為兩側(cè)遠(yuǎn)心光路光學(xué)系統(tǒng)。

由光學(xué)系統(tǒng)的初始參數(shù)可判斷此系統(tǒng)為小視場(chǎng)、小孔徑、單波長(zhǎng)、兩側(cè)遠(yuǎn)心光路光學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)像差理論，此類小視場(chǎng)、小孔徑、單波長(zhǎng)系統(tǒng)的像差校正不會(huì)太難。但是，考慮到兩側(cè)遠(yuǎn)心光路及體積的限制，在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要使用多片非球面透鏡來(lái)解決。

非球面透鏡的種類非常多，其面型有擴(kuò)展多項(xiàng)式、超環(huán)面、偶次非球面、奇次非球面等等。在同軸光學(xué)系統(tǒng)里，使用得最多的是偶次非球面。偶次非球面具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的特性，因此使用超精密數(shù)控車床可以非常方便地直接進(jìn)行加工或者對(duì)其模具的模芯進(jìn)行加工。設(shè)非球面透鏡的光軸為z軸，則偶次非球面通用的表達(dá)式為

式中：c為頂點(diǎn)曲率；k為conic常量；r為半徑；A～G為高階系數(shù)。當(dāng)k=0時(shí)，表示為球面，否則為非球面。從式（1）中可以看出，非球面在設(shè)計(jì)中可以提供更多的自由度，以便更好地校正像差。

初步采用兩片材料為PMMA（聚甲基丙烯酸酯，俗稱亞克力）的非球面透鏡，光闌位于系統(tǒng)中心。為了更好地平衡各種像差，透鏡采用彎月透鏡，且兩片透鏡關(guān)于光闌基本對(duì)稱，通過(guò)高斯公式算出球面光學(xué)系統(tǒng)的一階參數(shù)后，輸入到光學(xué)軟件里進(jìn)行優(yōu)化。把透鏡的球面改為偶次非球面，并把頂點(diǎn)曲率、conic常量，非球面參數(shù)A、B設(shè)置為變量。在軟件的系統(tǒng)中設(shè)置物方為遠(yuǎn)心光路，在自動(dòng)優(yōu)化的特定約束中限制各視場(chǎng)主光線與像面的入射角、限制系統(tǒng)放大率等。經(jīng)過(guò)數(shù)十次迭代后，得出符合要求的結(jié)果，系統(tǒng)的光路圖如圖2所示。

關(guān)于成像質(zhì)量的評(píng)價(jià)，本文采用考察彌散斑半徑的方式，圖3為分析結(jié)果。

從圖3可看出在物距為20 mm時(shí)，各視場(chǎng)的彌散斑半徑的均方根（RMS）均為0.003 mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)預(yù)期效果。另外分析了物距為19 mm和21 mm時(shí)的彌散斑，各視場(chǎng)的RMS最大值為0.008 mm，盡管不能充分發(fā)揮CMOS的性能，但不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生太大影響。

1.3 電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期采用了PXI公司生產(chǎn)的PMW3360DM T2QU光學(xué)導(dǎo)航傳感器，該傳感器集成了LD、成像傳感器、DSP等器件，采用16引腳的雙列直插式封裝，最高可以達(dá)到12000CPI的可調(diào)節(jié)采樣率（最高精度0.002 mm），分辨誤差為1%，最高可以檢測(cè)到50g的加速度，采用SPI通訊接口。在很大程度上減少了硬件電路的數(shù)量和體積，利于裝置的穩(wěn)定性和小型化。

圖4為PMW3360的供電電路，供電電路采用了兩片TPS7360穩(wěn)壓芯片，用于為PMW3360提供3.3 V和1.9 V工作電壓。

圖5是確保PMW3360正常工作的外圍電路，與系統(tǒng)控制芯片采用SPI協(xié)議進(jìn)行通訊。

控制芯片采用了ST公司生產(chǎn)的STM32F10X系列單片機(jī)，該型號(hào)單片機(jī)集成度高，接口豐富，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、快捷。

圖6是STM32的供電電路，采用了AMS1117 3.3穩(wěn)壓芯片為其提供3.3 V工作電壓。圖7是STM32的最小系統(tǒng)，確保其正常工作。

裝置中通過(guò)STM32讀取PMW3360寄存器中的相關(guān)數(shù)據(jù)（包括x方向增量、y方向增量、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等），對(duì)該部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷裝置的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)量[5]。將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)液晶屏進(jìn)行顯示，同時(shí)這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)通訊接口輸出給外部設(shè)備。

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程或本地調(diào)零設(shè)置（即設(shè)置坐標(biāo)原點(diǎn)），本地設(shè)置采取按鍵的方式進(jìn)行設(shè)置，遠(yuǎn)程預(yù)留通信接口。

2 實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

以海德漢LIC4113光柵尺為標(biāo)準(zhǔn)，其精度等級(jí)為±0.003 mm，每10 mm局部誤差≤±0.275 μm，細(xì)分誤差±20 nm，量程200 mm。將所設(shè)計(jì)的傳感器（本節(jié)均簡(jiǎn)稱傳感器）固定于海德漢光柵尺的滑塊上，并使鏡頭前端距離導(dǎo)軌20 mm±0.8 mm。

實(shí)驗(yàn)共分3組，每組測(cè)4個(gè)不同的長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)步驟為：

（1） 把滑塊移動(dòng)至導(dǎo)軌左端，靠近機(jī)械原點(diǎn)位置。

（2） 把光柵尺和傳感器均作歸零處理。

（3） 把滑塊移動(dòng)至距機(jī)械原點(diǎn)ΔS（此處取光柵尺讀數(shù)為1 mm處，由于光柵尺的測(cè)量精度已經(jīng)非常高，故在此實(shí)驗(yàn)中將光柵尺的讀數(shù)作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定）的地方，此時(shí)從傳感器直接讀出Δx與Δy，并自動(dòng)計(jì)算出傳感器的移動(dòng)距離ΔL= （Δx）2+（Δy）2 。

根據(jù)ΔS和ΔL可算出光柵尺讀數(shù)與傳感器測(cè)得的移動(dòng)距離的比值k=ΔS/ΔL，將k用作傳感器的標(biāo)定系數(shù)。

（4） 重復(fù)第1與第2步。

（5） 任意滑動(dòng)滑塊，讀取光柵尺讀數(shù)與傳感器顯示的位移距離，重復(fù)此步驟4次。

2.2 測(cè)量結(jié)果及分析

根據(jù)2.1過(guò)程得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，在200 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)，光柵尺和傳感器的實(shí)際測(cè)量誤差小于0.02 mm。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)光柵尺等傳統(tǒng)位移測(cè)量傳感器的不足，設(shè)計(jì)了一種基于圖像處理的位移測(cè)量傳感器，說(shuō)明了測(cè)量原理，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的光路及采集電路進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。該傳感器使用激光二極管為光源，可使用大多數(shù)平面固體作為反射介質(zhì)；具有20 mm的非接觸工作距離，可應(yīng)用于比較惡劣的環(huán)境；具有±1.0 mm的景深，使得現(xiàn)場(chǎng)安裝極為簡(jiǎn)單；具有0.002 1 mm的分辨率、0.02 mm的精度及50g的加速度，可滿足多數(shù)設(shè)備對(duì)精度和響應(yīng)速度的要求。

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（編輯：劉鐵英）