基于數(shù)字信號處理技術(shù)的激光傳感器測量誤差校準(zhǔn)系統(tǒng)

摘要：在高端制造中，利用激光傳感器對工件進行測量．可以達到校準(zhǔn)精度的目的?；诖耍恼乱詳?shù)字信號處理技術(shù)為主要理論支撐，首先分析了激光傳感器誤差校準(zhǔn)系統(tǒng)的需求，并對其進行總體設(shè)計；其次，分別從硬件設(shè)計、軟件設(shè)計兩個維度進行了開發(fā)與實現(xiàn)；最后，利用實物構(gòu)建的方式對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度以及抗噪聲性進行檢測。結(jié)果表明，該系統(tǒng)對于誤差的校準(zhǔn)能力較強，具有較高的實踐與推廣價值。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號；激光傳感期；誤差校準(zhǔn)

中圖法分類號：TP212 文獻標(biāo)識碼：A

１ 功能需求與總體設(shè)計

利用數(shù)字信號處理技術(shù)對激光傳感器進行校準(zhǔn)，主要實現(xiàn)傳感器的自動校準(zhǔn)，達到降低復(fù)雜度、提高效能、提高校準(zhǔn)精度的根本目的［１］ 。從這一角度出發(fā)該系統(tǒng)的功能與總體的框架設(shè)計如下。

１．１ 系統(tǒng)功能需求

激光傳感器誤差校準(zhǔn)在工業(yè)中的實際價值毋庸置疑，但針對當(dāng)前傳感器的校準(zhǔn)流程與精度中存在的問題，有必要對其進行系統(tǒng)性開發(fā)，以達到提升效能的目的［２～３］ 。因此，本研究中基于數(shù)字信號處理技術(shù)的激光傳感器校準(zhǔn)需要具有如下功能：（１）需要滿足連續(xù)測試功能，可以進行單獨校準(zhǔn)與聯(lián)合校準(zhǔn)；（２）具有數(shù)據(jù)信息收集功能，能夠?qū)す鈧鞲衅鞯臄?shù)字信號進行收集與轉(zhuǎn)化；（３）具有后臺數(shù)據(jù)計算功能，能夠在數(shù)字信號的基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)間的碰撞與轉(zhuǎn)換，以及為激光傳感器提供可靠的誤差校準(zhǔn)，同時進行迭代修正計算；（４）能夠?qū)?shù)據(jù)信息進行保留與提醒，數(shù)據(jù)信息需要在后臺數(shù)據(jù)庫內(nèi)與傳感器編號對應(yīng)，以供查詢，需要在數(shù)字信號處理完畢后發(fā)出指令信息，以供工作人員判斷校準(zhǔn)是否完成。

１．２ 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于上述的功能需求以及激光傳感器校準(zhǔn)的具體流程，在數(shù)字信號處理技術(shù)參與下，系統(tǒng)主要的總體結(jié)構(gòu)如圖１ 所示。

由圖１ 可知，激光傳感器測量誤差自動校準(zhǔn)系統(tǒng)包括３ 個基本模塊，其一是測量工作平臺，該平臺主要對被測試傳感器提供安裝固定卡點，同時提供測試條件。在實際測試中，可以同時安裝多個激光傳感器并進行統(tǒng)一測量，本文以雙傳感器系統(tǒng)作為展示，后續(xù)功能可以支持更多的數(shù)據(jù)通道。其二是數(shù)據(jù)采集模塊，該模塊主要對激光傳感器的精度校準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)收集功能，包括數(shù)據(jù)采集卡、測量誤差校準(zhǔn)模塊２ 個主要部分，前者利用多種手段對激光傳感器的相關(guān)反饋數(shù)據(jù)進行收集，并對數(shù)字信號進行統(tǒng)一轉(zhuǎn)化，以供后續(xù)分析與校準(zhǔn)所用［４］ ；后者則按照經(jīng)驗誤差對激光傳感器進行初步校準(zhǔn)，并通過校準(zhǔn)后的修訂反饋值實現(xiàn)自動的初級校準(zhǔn)，從而降低后續(xù)數(shù)據(jù)處理的計算量，提高校準(zhǔn)的總體效能。其三是數(shù)據(jù)處理模塊，此部分是本文研究的核心模塊，主要通過求解平移適量及旋轉(zhuǎn)矩陣對激光傳感器的數(shù)字信號進行處理，從而建立誤差校準(zhǔn)的目標(biāo)函數(shù)，實現(xiàn)校準(zhǔn)功能。

２ 數(shù)字信號處理技術(shù)下激光傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

在具體功能和總體框架設(shè)計的指導(dǎo)下，系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)主要分為硬件設(shè)計與軟件設(shè)計，其中硬件設(shè)計主要包括測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集模塊，軟件設(shè)計的重點在于誤差校準(zhǔn)算法的設(shè)計。

２．１ 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集模塊以及誤差校準(zhǔn)信號處理２ 個基本部分。在數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計過程中，主要以ＣＸ３Ｓ５００Ｅ 單片機為核心，以Ｒｓ４８５ 為原型光柵編碼，使編碼后的數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)采集模塊中，實現(xiàn)對激光傳感器數(shù)據(jù)的實時獲取，同時該模塊需要整合外接電源與電源管理模塊，可以直接對現(xiàn)有電源單片機進行調(diào)用，供電邏輯為全時段供電，電壓與電流分別為３．２ Ｖ 和０．５ Ａ。具體模塊設(shè)計示意圖如圖２ 所示。

在處理誤差校準(zhǔn)信號時，在整合必要算法的基礎(chǔ)上，需要對其進行一般硬件設(shè)計。設(shè)計中需要保障數(shù)據(jù)采集的時間標(biāo)定，進而確定相同時空范圍內(nèi)圖像與采集數(shù)據(jù)之間的一一對應(yīng)。同時，需要對獲取的數(shù)字信號進行濾波處理，以消除雜波與噪聲的干擾。然后，將校準(zhǔn)處理后的信號通過串口模塊傳輸至ＰＣ 端，無論是在開發(fā)與實現(xiàn)的實驗階段還是在激光傳感器的具體應(yīng)用環(huán)節(jié)，基于數(shù)字信號處理技術(shù)的激光傳感器校準(zhǔn)均在ＰＣ 端的后臺自動完成，同時輸出傳感器校正后的結(jié)果。具體的誤差校準(zhǔn)信號處理模塊硬件設(shè)計如圖３ 所示。

在圖３ 中，首先經(jīng)過圓形光柵獲取初始的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)傳輸過程中通過時鐘管理器對其進行時間編碼。

編碼后的圖像進入高頻濾波組件中并進行濾波操作，此過程能夠有效消除系統(tǒng)噪音以及外部噪聲帶來的影響，同時對數(shù)字信號進行放大。然后，濾波獲得的數(shù)字信號通過時鐘管理器的時間校準(zhǔn)與同步，進入細(xì)粒度計數(shù)組件內(nèi)，該組件主要完成對特定點位的選取，進而減少后臺服務(wù)器的運算量。將處理后的數(shù)字信號經(jīng)由串口模塊（ＲＳ２３２）發(fā)送到ＰＣ 端服務(wù)器內(nèi)，服務(wù)器整合了具體的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)算法，對數(shù)據(jù)的誤差進行計算，并對激光傳感器產(chǎn)生的誤差進行自動修訂。

２．２ 軟件設(shè)計

數(shù)字信號處理技術(shù)使得針對激光傳感器的校正可以在數(shù)據(jù)層面上開展，避免了對傳感器內(nèi)部元器件及邏輯的修正，也不需要對其進行物理改變，進而校準(zhǔn)精度可控，且校準(zhǔn)過程較為便捷。在利用數(shù)字信號處理技術(shù)進行校準(zhǔn)的過程中， 需要構(gòu)建對應(yīng)的算法［５］ 。

首先，需要按照采集的信息對交點空間距離進行求解。在數(shù)據(jù)采集階段，需要將傳感器光條的中心線在數(shù)據(jù)處理單元中進行擬合，形成中心支線與靶向標(biāo)點之間的交叉特征方程，該方程的影響指標(biāo)包括兩方面因素。一是對光條中心點的提取，在此過程中需要考慮在數(shù)據(jù)采集中是否形成畸變；二是需要對傳感器拍攝圖像進行函數(shù)構(gòu)建，具體以４ 個隨機相交直線作為參考，構(gòu)建有效的空間函數(shù)，公式為：

３．４ 抗噪聲結(jié)果

激光傳感器在實際的應(yīng)用中會受到一定的干擾，

其測量條件無法達到實驗條件。在實際工況情況下是否能夠發(fā)揮應(yīng)有的效能尚未可知。因此，本文采用外源添加干擾源的方式對系統(tǒng)施加了２ 種干擾方式，從而對其抗噪性能進行評價。具體而言，第１ 種方式是在實驗過程中將激光傳感器放置于測試平臺后，在二者之間放置高斯噪聲發(fā)射源，噪聲區(qū)間在０．０１ ～０．１０ ｍｍ（ｌ２）；第２ 種方式是將外源噪聲源放置在檢測臺邊緣位置，置于激光傳感器測試范圍之外（ｌ３ ）。

當(dāng)激光傳感器位置發(fā)生變動后，外源噪聲源隨之變化，保持相對位置不變。對不同模式下的平移矢量系數(shù)進行測定，與無干擾源工況（ｌ１ ）進行對比，其結(jié)果如圖６ 所示。

由圖６ 可以看出，２ 種外源噪聲的引入對于誤差校正均具有一定的影響，其中處于中間干擾位的干擾源擾動效果最為明顯，造成的平移矢量平均超過８０％（ｌ２）；而處于檢測范圍外的干擾源干擾效果較弱，平均干擾幅度在４０％左右（ｌ３）。另外，隨著高斯噪聲波長的提升，干擾效果得到了有效的抑制，在達到０．１后，ｌ３ 的干擾可以忽略，ｌ２ 的干擾也降低到１０％以下。

上述結(jié)果說明本文設(shè)計的濾波裝置抗干擾效果相對較好，尤其是在大波長干擾時表現(xiàn)突出。

４ 結(jié)束語

本文以數(shù)字信號處理技術(shù)為主要理論支撐，在分析激光傳感器誤差校準(zhǔn)系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，對其總體設(shè)計、硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計進行規(guī)劃與實現(xiàn)。同時，利用實物構(gòu)建的方式對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度以及抗噪聲性進行檢測。結(jié)果表明，本文系統(tǒng)對于誤差的校準(zhǔn)能力較強，具有較高的實踐價值，但在抗噪聲性上還需改善。

參考文獻：

［１］ 周澄，許勝，曹健，等．?dāng)?shù)字信號處理技術(shù)的激光傳感器測量誤差校準(zhǔn)系統(tǒng)［Ｊ］．激光雜志，２０２２，４３（１１）：４１?４６．

［２］ 王丹，李磊，李小燕，等．基于誤差校正模型的高精度測量機控制策略［Ｊ］．中國測試，２０２２，４８（３）：１３６?１４１＋１５６．

［３］ 鄧世祥，呂彥明，王康，等．線激光測量點云數(shù)據(jù)誤差的預(yù)測與補償［Ｊ］．激光與光電子學(xué)進展，２０２２，５９（１６）：４５８?４６５．

［４］ 張旭，陳愛軍，沈小燕，等．基于線激光傳感器的工件尺寸測量系統(tǒng)的誤差補償方法［Ｊ］．計量學(xué)報，２０２０，４１（１２）：１４４９?１４５５．

［５］ 任紀(jì)穎．基于圖優(yōu)化的差速移動機器人激光ＳＬＡＭ 研究［Ｄ］．濟南：山東大學(xué)，２０２０．

作者簡介：姬曉穎（１９８４—），大專，助理工程師，研究方向：電子信息工程研究。