潘 曉，高虹霓，王 崴，賈 昆

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安710051)

0 引 言

隨著制造業(yè)的發(fā)展，大尺寸部件的動態(tài)位姿監(jiān)測技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛，如飛機自動化裝配、工業(yè)機器人位姿監(jiān)控、火箭總裝等［1］。室內(nèi)全球定位系統(tǒng)(indoor global positioning system，iGPS)作為一種新型的測量系統(tǒng)，具有實時性高、測量范圍大、并行能力強等優(yōu)點，為大型構(gòu)件的動態(tài)位姿實時監(jiān)控提供了有效的解決途徑［2，3］。iGPS由發(fā)射機網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)和上位機軟件組成，其自帶的傳感器類型主要有圓柱體傳感器、平面型傳感器以及手持式測頭。圓柱體傳感器和平面?zhèn)鞲衅黧w積小，計算相對位置信息時，具有很高的測量精度。但由于其被測點位于傳感器的幾何中心點上，無法測量零件表面實際坐標(biāo)，在動態(tài)位姿求解過程中，會產(chǎn)生不確定測量誤差。手持式組合測頭，也稱T－Probe，其被測點雖然是前端探頭與物體表面接觸點，但體積較大，不易安裝在零件表面，只適用于人工干預(yù)的靜態(tài)物體表面測量［4］。因此，iGPS 自帶傳感器在大范圍動態(tài)測量應(yīng)用中具有局限性，而設(shè)計一種結(jié)構(gòu)緊湊、可固定在零件表面，實時測量零件表面坐標(biāo)的光電傳感器在位姿監(jiān)控等場合具有實際意義。

1 傳感器設(shè)計方案

1.1 測量原理

iGPS 由多個測站和傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，每臺測站發(fā)出兩扇高速旋轉(zhuǎn)激光平面，通過傳感器準(zhǔn)確提取電壓峰值點時刻Tik作為特征參數(shù)，以及激光平面相對初始位置的旋轉(zhuǎn)角度θ，得到激光平面方程

其中，Hθ為系統(tǒng)內(nèi)參數(shù);S 為被測點坐標(biāo);O 為測站坐標(biāo)系原點坐標(biāo)。根據(jù)空間平面前方交匯原理，由多臺發(fā)射機激光平面方程得到傳感器三維坐標(biāo)S(x，y，z)。

本文在原有的平面?zhèn)鞲衅骰A(chǔ)上，利用環(huán)形硅光電池組上的多點位置坐標(biāo)(xi，xj，zj)和硅光電池圓心到測頭球心坐標(biāo)(x，y，z)固定距離的dj，得到空間距離公式

其中，dj為傳感器結(jié)構(gòu)內(nèi)參數(shù)，通過標(biāo)定得到。測頭球心坐標(biāo)(x，y，z)則需要經(jīng)過半徑補償(ΔX，ΔY，ΔZ)得到傳感器與部件接觸點坐標(biāo)

1.2 傳感器總體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，陣列式光電傳感器主要由傳感器本體、放大器以及前端處理器三部分組成。放大器需要對傳感器本體上的硅光電池組輸出的電流信號進行I/V 轉(zhuǎn)換、選通、調(diào)理與放大，并傳輸?shù)角岸颂幚砥髦泄㏒TM2 采集。在同一周期內(nèi)，輸出的電壓信號中包含多臺不同轉(zhuǎn)速測站的時間信息，前端處理器主要完成對這些混合信息進行采集、識別與計算和數(shù)據(jù)輸出等功能。

圖1 傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of sensor system

2 硬件電路設(shè)計

2.1 I/V 轉(zhuǎn)換電路

為了保證時間特征參數(shù)提取的正確性，降低時間延遲［5］，選用德國First Sensor 公司的PC5—6—TOP5 型硅光電池作為接收端，其響應(yīng)速度為5 ns，暗電流僅0.1 nA。如圖2所示，為保證將光電池輸出的電流量不失真地轉(zhuǎn)換為電壓信號，本文設(shè)計具有頻帶寬、噪聲低、輸入阻抗高的跨阻型放大器作為I/V 轉(zhuǎn)換電路，由Rf 和Cf 組成的RC 反饋網(wǎng)路輸出電壓信號幅值為0～500 mV。

圖2 I/V 轉(zhuǎn)換電路Fig 2 I/V conversion circuit

2.2 選通電路

選通電路主要作用是將多路信號選通為雙路信號，經(jīng)過差分補償后變?yōu)閱温沸盘柟㏒TM32 的ADC 采集。電路如圖3 所示，該選通電路通過STM32 的PB3—7 口輸出的選通信號控制多路模擬開關(guān)，當(dāng)I/O 輸出為高電平時，三極管導(dǎo)通，對應(yīng)的兩路信號導(dǎo)通。為了盡可能地提高開關(guān)響應(yīng)速度和減小傳感器體積，本文選擇歐姆龍公司的G6K—2F超小型信號用繼電器，其頻率特性為1 GHz，體積為10.3 mm×6.9 mm×5.4 mm［6］。

圖3 信號選通電路Fig 3 Signal gate circuit

2.3 信號調(diào)理電路

I/V 轉(zhuǎn)換后的信號中含有大量的環(huán)境噪聲，因此，本文設(shè)計了差分補償電路和100 Hz 濾波電路對單個光電池輸出信號進行調(diào)理，以降低環(huán)境光干擾，如圖4 所示。

圖4 末級調(diào)理電路Fig 4 Final stage conditioning circuit

2.4 前端處理器軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，初始化中斷服務(wù)函數(shù)、配置相關(guān)定時器，初始化信號選通模式和A/D 轉(zhuǎn)換參數(shù)，系統(tǒng)將進入循環(huán)運行工作模式。首先，通過AD 采集整個周期的混合激光信號，并開啟中斷服務(wù)函數(shù)。利用每臺發(fā)射機轉(zhuǎn)速和角度信息，對信號進行分頻、識別處理，所有信號匹配成功后，最后進行特征值計算，并由RS—232 串口通信傳到工控機上。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，選通配置位自動加1，并開啟下一次循環(huán)，流程圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig 5 Flow chart of system software

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定與誤差補償

陣列式傳感器不同于傳統(tǒng)的光電傳感器，在使用前必須對結(jié)構(gòu)參數(shù)dj進行準(zhǔn)確標(biāo)定。標(biāo)定時，傳感器探針頭的球心位置與高精度圓錐標(biāo)定臺的球心位置重合并固定不變，以順時針方向轉(zhuǎn)動傳感器，增加約束方程個數(shù)。設(shè)每個傳感器上有m 個測量特征點，轉(zhuǎn)動次數(shù)為n，標(biāo)定結(jié)構(gòu)參數(shù)為dj，標(biāo)定模型如下

其中，測點在不同測頭位置時的坐標(biāo)(xij，yij，zij)(i=1，2，3，…，n;j=1，2，3，…，m)為已知量，測頭坐標(biāo)(x，y，z)和結(jié)構(gòu)參數(shù)dj(j=1，2，3，…，m)共3+m 個未知量。在標(biāo)定算法中，將模型利用LM 優(yōu)化算法轉(zhuǎn)化為無約束求解問題，選取評價函數(shù)J

當(dāng)J ＜1×10－7時停止迭代，得到參數(shù)最優(yōu)解。

通過Matlab 仿真，得到位置變動次數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差關(guān)系，從圖6 可以看出，當(dāng)次數(shù)小于15 次時，會帶入較大的參數(shù)誤差，當(dāng)標(biāo)定接近30 次時，帶入誤差約為0.02 mm，并趨于穩(wěn)定，所以，標(biāo)定傳感器至少變動位置30 次才能將結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差降到最低。

圖6 測頭位置變動次數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定誤差關(guān)系圖Fig 6 Diagram of relationship between probe position changing times with structure parameter calibration error

當(dāng)標(biāo)定完傳感器后，所求點坐標(biāo)其實是紅寶石測頭圓心坐標(biāo)，為了得到傳感器與被測零件接觸點的真實坐標(biāo)，避免傳感器自身制造和裝配誤差，需要對傳感器進行半徑誤差補償。任取三個光電池的圓心點A，B，C;求出矩陣傳感器位姿向量

其中，α，β，γ 為傳感器空間姿態(tài)角，半徑補償后，接觸點真實坐標(biāo)(X，Y，Z)=(x+d cos α，y+dcos β，z+dcos γ)。

4 實驗分析

為了驗證傳感器的可靠性和準(zhǔn)確性，以Leica AT901—LR 型激光跟蹤儀和T—probe 手持測頭作為傳感器精度評定標(biāo)準(zhǔn)對傳感器進行測試，其中，T—probe 手持測頭10 m 范圍內(nèi)，誤差為60μm。為了保證每次測量T—probe 手持測頭與傳感器測量點相同，兩者探頭與高精度圓錐標(biāo)定臺上的球心接觸，保證兩球心坐標(biāo)重合。實驗中，傳感器結(jié)構(gòu)內(nèi)參數(shù)經(jīng)過準(zhǔn)確標(biāo)定，即轉(zhuǎn)動位置次數(shù)為33 次，并在4～10 m 范圍內(nèi)隨機測量33 個位置點，每次測量結(jié)果與激光跟蹤儀結(jié)果比較，并計算合成誤差，如圖7。從圖中可以看出:在10 m范圍內(nèi)，測量誤差小于0.5 mm，測量誤差主要分布在±0.4 mm之間，并且對測量位置不敏感，滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與測量要求。

圖7 傳感器合成測量誤差圖Fig 7 Diagram of sensor synthesizing measurement error

5 結(jié) 論

本文分析了當(dāng)前iGPS 自帶傳感器在動態(tài)測量領(lǐng)域應(yīng)用上的不足，設(shè)計了一種安裝簡單、可測接觸點坐標(biāo)的陣列式光電傳感器，并提出了結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定和誤差補償方法。分析了傳感器信號噪聲來源，設(shè)計了相應(yīng)的前端處理電路，并以STM32 作為MCU，完成信號分頻、識別和數(shù)據(jù)發(fā)送功能。最后通過仿真和實驗驗證得到標(biāo)定次數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差的關(guān)系。實驗結(jié)果表明:在10 m×10 m 范圍內(nèi)，當(dāng)標(biāo)定位置轉(zhuǎn)動次數(shù)大于30 次，使用該傳感器，系統(tǒng)測量精度為0.5 mm，滿足大范圍動態(tài)位姿測量的應(yīng)用要求。

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