基于激光測(cè)距的手持式厚度測(cè)量?jī)x系統(tǒng)設(shè)計(jì)

牟向偉，葛 鵬，梁國(guó)健

(廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西 桂林541004)

0 引言

隨著生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)游標(biāo)卡尺等機(jī)械厚度測(cè)量方式由于其效率低在工業(yè)生產(chǎn)中逐漸被淘汰。取而代之的是超聲波測(cè)厚、紅外測(cè)厚、渦流測(cè)厚等測(cè)厚技術(shù)。

在厚度測(cè)量技術(shù)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)取得較大進(jìn)展，主要測(cè)量方法有超聲波、紅外線和激光等[1-3]。劉琳等[4]使用脈沖反射以高性能ARM8、FPGA為控制核心，利用超聲波檢測(cè)電路，結(jié)合高速A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)出基于ARM的便攜式超聲測(cè)厚儀。石振香[5]使用β射線研制出一種數(shù)字式在線厚度測(cè)量?jī)x并基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳感器溫度誤差補(bǔ)償。李文濤等[6]利用β射線設(shè)計(jì)出新型β射線背散射測(cè)厚儀，測(cè)量最大偏差為0.47μm，但射線測(cè)厚的方法成本昂貴，一般用于材料的高精度測(cè)量。李俐等[7]研究一種基于非勻速修正圓錐指數(shù)的土層厚度測(cè)量方法，能有效獲取土層厚度信息，但受用面窄，無(wú)法應(yīng)用于其他工業(yè)領(lǐng)域。王曉娜等[8]設(shè)計(jì)了一種用于玻璃厚度測(cè)量的空間相位調(diào)制型激光干涉儀。吳南壽等[9]設(shè)計(jì)了一種基于邁克遜干涉儀原理高速、高精度的非接觸式玻璃厚度測(cè)量系統(tǒng)，但只能實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃等透光性強(qiáng)的物體厚度測(cè)量。目前的激光測(cè)厚主要原理是利用激光三角法結(jié)合CCD相機(jī)利用圖像處理得出被測(cè)物體厚度，對(duì)光學(xué)結(jié)構(gòu)部分的激光器和工業(yè)相機(jī)位置固定要求嚴(yán)格[10-12]。

在工業(yè)生產(chǎn)中，基于激光的厚度測(cè)量方法尤其適用于金屬、木材等非透明材料的厚度測(cè)量，且安全可靠，有極高的應(yīng)用價(jià)值，但其依賴圖像處理技術(shù)，且對(duì)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建有要求。針對(duì)我國(guó)在竹板或竹筒的加工現(xiàn)狀，如何在保障精度的情況下高效測(cè)量出竹筒壁厚并對(duì)不同厚度竹筒進(jìn)行分揀成為加工生產(chǎn)中的關(guān)鍵，以此確保不同厚度的竹板用于不同的生產(chǎn)中[13-15]。

通過(guò)分析激光測(cè)距傳感器的原理，以STM32微控制器為主控模塊，使用多個(gè)激光測(cè)距傳感器模塊，通過(guò)計(jì)算模塊中激光發(fā)射器與紅外接收器接收到光子的時(shí)間測(cè)量出距離，并搭建系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，分析其測(cè)量精度與靈敏度，實(shí)現(xiàn)對(duì)竹筒或竹板的厚度測(cè)量。同時(shí)也適用于金屬板、木板或筒狀板材等物體的厚度測(cè)量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

基于激光測(cè)距的厚度測(cè)量?jī)x，成本低，使用方便，能有效地保障測(cè)量的效率與質(zhì)量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在操作板上有固定的手持把手，方便測(cè)量，操作板上設(shè)計(jì)有屏顯孔，方便顯示操作板下表面PCB電路板上顯示屏的數(shù)據(jù)，操作板下方豎直固定多塊裝有激光傳感器的探測(cè)板，其中3個(gè)傳感器中，位于操作板上兩外側(cè)探測(cè)板上為外端激光測(cè)距傳感器，位于中部的探測(cè)板上則為內(nèi)端激光測(cè)距傳感器，兩外端激光測(cè)距傳感器朝向相對(duì)，內(nèi)端激光測(cè)距傳感器與靠近手持把手一端探測(cè)板上激光測(cè)距傳感器方向一致，且3塊探測(cè)板上的傳感器位于同一直線上。

1.操作板 2.PCB 3.屏顯孔 4.顯示屏 5.手持把手 6.竹筒 7.傳感器 8.固定螺釘 9.探測(cè)板圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

由于不同粗糙程度的物體表面使傳感器在透鏡單位時(shí)間內(nèi)接收到的光能量不同，會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響，造成一定的測(cè)量誤差。因此，擬在光澤的竹筒表面進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)激光測(cè)距的原理對(duì)竹筒厚度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 測(cè)量原理Fig.2 Measurement principle

假設(shè)竹筒厚度和外徑分別為D0和D4，2個(gè)外端激光傳感器間距為L(zhǎng)1，內(nèi)端激光傳感器與遠(yuǎn)離手持把手端激光傳感器間距為L(zhǎng)2，2個(gè)外端激光傳感器所測(cè)距離分別為D1和D3，內(nèi)端激光傳感器測(cè)量距離為D2，則可得如下公式。

L1=D3+D4+D1

(1)

L2=D3+D0+D2

(2)

因此，可以得出竹筒的厚度D0與內(nèi)徑D4有如下關(guān)系。

D0=L2-D3-D2

(3)

D4=L1-D3-D1

(4)

由于3個(gè)激光傳感器在實(shí)際裝置中存在一定的厚度分別對(duì)應(yīng)記為n1、n2和n3，因此上述2個(gè)公式中需減去傳感器自身的厚度，來(lái)糾偏測(cè)量值，故可得實(shí)際公式應(yīng)為

D0=L2-D3-D2-(n2+n3)

(5)

D4=L1-D3-D1-(n1+n3)

(6)

2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由系統(tǒng)硬件與軟件兩部分組成(圖3)。系統(tǒng)硬件部分主要由STM32主控電路、電源電路、無(wú)線通信電路、傳感器模塊及屏顯模塊端口電路組成。

圖3 系統(tǒng)總電路Fig.3 System general circuit diagram

2.1 主控電路

采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的內(nèi)核為Cortex-M3的STM32F105RBT6型微控制器，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置Flash大小為256 kB，SRAM為64 kB，該控制器共有5個(gè)串口，在本設(shè)計(jì)中，無(wú)線通信與下載調(diào)試各占用1個(gè)串口，3個(gè)激光傳感器占用3個(gè)串口，剛好滿足設(shè)計(jì)需求。主控電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 主控芯片電路Fig.4 Circuit of main control chip

2.2 電源電路

電源電路部分使用ME6203A33M3G壓差線性穩(wěn)壓芯片，將外接型號(hào)為18650的3.9 V鋰電池電壓穩(wěn)壓至3.3 V，為整個(gè)系統(tǒng)提供能源。ME6203A33M3G低壓差線性穩(wěn)壓芯片使用sot-23封裝，價(jià)格便宜且波紋小。本設(shè)計(jì)中使用兩路DC-DC線性穩(wěn)壓方案，可達(dá)到高精度的電源性能，實(shí)用性強(qiáng)。電源電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 電源電路Fig.5 Power supply circuit

2.3 無(wú)線通信電路

系統(tǒng)利用WiFi對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，使用ESP8266模組，可對(duì)ESP8266模組燒錄相應(yīng)的AT指令對(duì)模組進(jìn)行基礎(chǔ)的配置，且其內(nèi)部嵌有32位低功耗CPU可做額外的處理器。整體而言，ESP8266操作簡(jiǎn)單，傳輸效率高，占用控制器IO口資源少，適合數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 無(wú)線通信電路Fig.6 Wireless communication circuit

2.4 傳感器模塊

傳感器模塊使用RCWL-0810 VL53L01型激光測(cè)距傳感器，該模塊通過(guò)串口與主控進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有精度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，其精度范圍如表1所示。

表1 RCWL-0810 VL53L01型激光測(cè)距傳感器精度范圍Tab.1 Accuracy range of RCWL-0810 VL53L01 laser ranging sensor

從表1可以看出，當(dāng)設(shè)置其工作在高精度模式下時(shí)，可滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 顯示模塊

屏幕顯示選用2.44 cm(0.96英寸)OLED模塊，支持顯示漢字、ASCII和圖案等內(nèi)容，能將需顯示的數(shù)據(jù)清晰地呈現(xiàn)，功耗低，穩(wěn)定性強(qiáng)，被廣泛使用在各種設(shè)備中。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要包括對(duì)激光測(cè)距傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、消抖等程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)將最后測(cè)量的厚度值清晰地呈現(xiàn)在顯示屏上。

3.1 開發(fā)環(huán)境及系統(tǒng)流程

使用成熟穩(wěn)定的MDK-ARM開發(fā)平臺(tái)對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試，確保調(diào)試過(guò)程數(shù)據(jù)的處理準(zhǔn)確、有效。厚度測(cè)量?jī)x軟件總體工作流程如圖7所示。系統(tǒng)上電后進(jìn)入初始化，當(dāng)測(cè)量按鍵按下后，傳感器開始采集數(shù)據(jù)，接著通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至stm32微控制器，經(jīng)由卡爾曼濾波法算法優(yōu)化、防抖等處理后通過(guò)屏幕顯示出來(lái)。

圖7 厚度測(cè)量流程Fig.7 Flow of thickness measurement

3.2 系統(tǒng)濾波優(yōu)化程序設(shè)計(jì)

在手持測(cè)量物體厚度過(guò)程中，難以避免因手抖動(dòng)造成數(shù)據(jù)抖動(dòng)的問題，因此，需要程序中加入濾波等程序算法消除數(shù)據(jù)抖動(dòng)，常見的濾波算法有中值平均濾波算法、加權(quán)遞推平均濾波算法、卡爾曼濾波算法及其改進(jìn)變形的一系列算法等[16-18]。為提高程序?yàn)V波效果，采用基于軟件模擬的方式對(duì)多種濾波算法組合進(jìn)行比較，最終確定了先用卡爾曼濾波算法再對(duì)數(shù)據(jù)使用平滑修正算法處理。

3.2.1 卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)

在觀測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)，通常有2種手段：一是通過(guò)系統(tǒng)的狀態(tài)方程與前一時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)，推算出下一時(shí)刻的狀態(tài)；二是用輔助的方式通過(guò)量測(cè)系統(tǒng)得到系統(tǒng)測(cè)量值。卡爾曼濾波則是將二者結(jié)合分配不同權(quán)重達(dá)到最優(yōu)的結(jié)合。

對(duì)于線性離散的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，狀態(tài)方程為

xk=Axk-1+Wk-1

(7)

系統(tǒng)量測(cè)方程為

yk=Cxk-1+vk-1

(8)

式中xk——系統(tǒng)狀態(tài)

yk——量測(cè)輸出

wk——系統(tǒng)過(guò)程噪聲

vk——量測(cè)噪聲

k——離散時(shí)刻下標(biāo)

根據(jù)狀態(tài)方程和量測(cè)方程，典型的卡爾曼濾波器是通過(guò)比較濾波器的輸入與輸出間殘差，調(diào)整濾波器的參數(shù)，修正后驗(yàn)分布達(dá)到最優(yōu)分布的效果。計(jì)算主要分為2組：一種時(shí)間更新方程用于預(yù)測(cè)，利用上一時(shí)刻值計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)與誤差協(xié)方差矩陣的估計(jì)值，為下一狀態(tài)提高先驗(yàn)估計(jì)；另一種量測(cè)方程用于校正，將測(cè)量值與先驗(yàn)估計(jì)值結(jié)合，為下一狀態(tài)提供優(yōu)化后的后驗(yàn)估計(jì)。

根據(jù)觀測(cè)誤差最小且狀態(tài)無(wú)偏的原則求出卡爾曼增益，對(duì)先驗(yàn)估計(jì)值優(yōu)化，得到當(dāng)前最優(yōu)估計(jì)值，并求出最優(yōu)估計(jì)方差矩陣。

實(shí)現(xiàn)思路首先是利用系統(tǒng)的過(guò)程模型，通過(guò)根據(jù)系統(tǒng)上一次的狀態(tài)預(yù)測(cè)出當(dāng)前狀態(tài)，即

X(K│K-1)=A(K-1│K-1)

(9)

式中X(K│K-1)——上一狀態(tài)預(yù)測(cè)的結(jié)果

A——系統(tǒng)參數(shù)

A(K-1|K-1)——上一狀態(tài)最優(yōu)的結(jié)果

接著通過(guò)計(jì)算X(K│K-1)的協(xié)方差計(jì)算卡爾曼增益，計(jì)算公式為

P(K│K-1)=A×P(K-1│K-1)AT+Q

(10)

(11)

式中P(K│K-1)——X(K│K-1)對(duì)應(yīng)的協(xié)方差

P(K-1│K-1)——X(K-1│K-1)對(duì)應(yīng)的協(xié)方差

AT——A的轉(zhuǎn)置矩陣

Q——系統(tǒng)過(guò)程的協(xié)方差

H——測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)

由估計(jì)值與測(cè)量值更新出當(dāng)前最優(yōu)值及其協(xié)方差讓卡爾曼濾波器不斷運(yùn)行下去直至系統(tǒng)結(jié)束，實(shí)現(xiàn)算法的自回歸。

在了解卡爾曼算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程之后，還需估計(jì)出該算法的大致效果，因此，在MATLAB中對(duì)其進(jìn)行仿真，MATLAB仿真流程如圖8所示。

圖8 MATLAB仿真流程Fig.8 MATLAB simulation flow

3.2.2 平滑修正算法

使用平滑修正算法減小卡爾曼濾波后數(shù)據(jù)出現(xiàn)的突變誤差，在程序設(shè)計(jì)上，采用先進(jìn)先出的方式計(jì)算并返回均值，程序設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9 滑動(dòng)均值算法流程Fig.9 Moving mean algorithm flow

4 結(jié)果與分析

4.1 系統(tǒng)精度試驗(yàn)分析

試驗(yàn)在室溫下，選用了6種不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)鋁合金板材(6.00、8.11、10.17、12.08、14.26和16.22 mm)，使用5點(diǎn)采樣法對(duì)6種不同厚度的鋁材進(jìn)行6組測(cè)量，每組測(cè)量進(jìn)行5次，最后將手持厚度測(cè)量?jī)x與千分尺測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析其精度，5點(diǎn)采樣法如圖10所示。

圖10 5點(diǎn)采樣法Fig.10 Five-point sampling method

每1次測(cè)量時(shí)測(cè)量5點(diǎn)的厚度值，將千分尺5次數(shù)據(jù)的均值取平均得到的標(biāo)準(zhǔn)值記為H，厚度測(cè)量?jī)x得到的5次數(shù)據(jù)均值記為h，一般情況下，精度是指測(cè)量值與真實(shí)值之間的差，記為Δδ，二者相對(duì)誤差記為δ[19-20]。其計(jì)算公式為

(12)

在數(shù)據(jù)分析中，還計(jì)算了每組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差S，公式為

(13)

千分尺測(cè)數(shù)均值、厚度測(cè)量?jī)x測(cè)數(shù)均值、平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)誤差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 厚度測(cè)量?jī)x誤差統(tǒng)計(jì)Tab.2 Error statistics of thickness measuring instrument

4.2 系統(tǒng)靈敏度分析

當(dāng)以千分尺所測(cè)數(shù)據(jù)作為輸入量x，厚度測(cè)量?jī)x測(cè)量的數(shù)據(jù)作為輸出量y時(shí)，理想情況下，輸入與輸出值應(yīng)滿足直線方程y=1.00x，激光傳感器靈敏度為1.00，實(shí)際情況下，由于對(duì)竹筒厚度的測(cè)量精確度不高，厚度測(cè)量?jī)x測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，一般靈敏度在0.90～1.10可滿足要求。輸入量與輸出量的關(guān)系如圖11所示。

圖11 手持式厚度測(cè)量?jī)x特性曲線Fig.11 Characteristic curve of handheld thickness measuring instrument

從圖11中可以分析得出，輸入與輸出的關(guān)系可擬合成一條直線，方程為

y=0.993 66x-0.085 627

(14)

由于線性擬合度R2>0.990，因此，可認(rèn)為靈敏度等于該直線方程斜率為0.993 66。

4.3 優(yōu)化對(duì)比試驗(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)分析可得，所設(shè)計(jì)的厚度測(cè)量?jī)x最高誤差±1.5%，平均誤差<±1.0%，滿足設(shè)計(jì)所提出的精確度要求，且靈敏度>0.95。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所使用的平滑卡爾曼濾波算法是否對(duì)傳感器數(shù)據(jù)起到了優(yōu)化效果，提高系統(tǒng)測(cè)量精度與穩(wěn)定性，做了如下對(duì)比試驗(yàn)。

(15)

通過(guò)對(duì)6組數(shù)據(jù)分析處理，得到優(yōu)化對(duì)比試驗(yàn)精度如表3所示。

表3 優(yōu)化對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)值對(duì)比Tab.3 Statistical comparison of optimization comparison test results

通過(guò)上述對(duì)比試驗(yàn)可以看出，在經(jīng)過(guò)平滑卡爾曼濾波對(duì)數(shù)據(jù)處理后，系統(tǒng)的精度得到了顯著的改善(圖12)，在手持狀態(tài)下最大誤差±1.5%，平均誤差<±1.0%(圖13)。相對(duì)千分尺而言，手持厚度測(cè)量?jī)x穩(wěn)定性有保障，成本低，效率也大幅提高。

圖12 優(yōu)化前后測(cè)量精度對(duì)比Fig.12 Comparison of measurement accuracy before and after optimization

圖13 優(yōu)化前后測(cè)量誤差對(duì)比Fig.13 Comparison of measurement errors before and after optimization

4.4 生產(chǎn)試驗(yàn)

同樣在室溫下，以竹筒為被測(cè)物，以千分尺測(cè)量數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)參考值，使用5點(diǎn)采樣法測(cè)量竹筒端部邊沿上任意5點(diǎn)的厚度值，如圖14所示。

圖14 竹筒厚度測(cè)量Fig.14 Bamboo tube thickness measurement

分別對(duì)壁厚為7～9 mm(8.671 mm)和9～11 mm(10.170 mm)進(jìn)行5次測(cè)量，同時(shí)比較使用平滑卡爾曼濾波前后在真實(shí)生產(chǎn)中優(yōu)化效果，前2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如表4和表5所示。

由表4和表5可以看出，在對(duì)壁厚8.671 mm與10.170 mm竹筒厚度的測(cè)量中，優(yōu)化后的平均誤差分別為0.83%和0.48%，優(yōu)化后誤差降低比>90%。總之，本次設(shè)計(jì)的激光厚度測(cè)量?jī)x在手持狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)最大誤差±1.5%，平均誤差<±1.0%，使用平滑卡爾曼濾波后對(duì)誤差的降低比>90%，優(yōu)化效果明顯，具有較好的魯棒性，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)中的測(cè)量需求。

表4 生產(chǎn)試驗(yàn)第1組數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果匯總Tab.4 Calculation results summary of first group of production test data

表5 生產(chǎn)試驗(yàn)第2組數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果匯總Tab.5 Calculation results summary of second group of production test data

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種手持式厚度測(cè)量?jī)x，提出了應(yīng)用激光測(cè)距的方法對(duì)竹筒厚度進(jìn)行測(cè)量，完成了總體方案的設(shè)計(jì)，能夠完成對(duì)5～18 mm范圍內(nèi)竹筒壁厚的測(cè)量。

(2)完成了對(duì)手持式厚度測(cè)量?jī)x的基礎(chǔ)電路板設(shè)計(jì)和調(diào)試，并完成了STM32控制芯片程序代碼編寫?；A(chǔ)電路主要完成了主控電路、電源電路和無(wú)線通信電路的設(shè)計(jì)，繪制PCB板并預(yù)留了接口。軟件部分完成了程序的邏輯設(shè)計(jì)，優(yōu)化算法的編寫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的采集、濾波和處理，顯示到無(wú)線發(fā)送等過(guò)程的控制。

(3)設(shè)計(jì)的厚度測(cè)量?jī)x對(duì)不同厚度的鋁板和竹筒測(cè)量時(shí)，實(shí)現(xiàn)最高誤差±1.5%，平均誤差≤±1.0%，靈敏度>0.95的性能指標(biāo)，能夠以低成本、高效率、高精度和無(wú)接觸的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)竹筒厚度的測(cè)量。