王飛 陳飛 謝啟 劉繼成

摘? 要：誤差理論與數(shù)據(jù)處理作為測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課程有著理論性和工程實(shí)踐需求性強(qiáng)的特點(diǎn)，這迫切需要針對(duì)性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)來(lái)增強(qiáng)本專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)誤差與數(shù)據(jù)處理知識(shí)的理解及其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用認(rèn)識(shí)。針對(duì)這樣的需求，設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用對(duì)圖像數(shù)據(jù)的處理來(lái)反饋控制多電機(jī)協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)清晰圖像的獲取，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將誤差的基本認(rèn)識(shí)、分析和數(shù)據(jù)處理知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，提高學(xué)生對(duì)誤差和數(shù)據(jù)處理的認(rèn)識(shí)同時(shí)強(qiáng)化理論與實(shí)踐的結(jié)合。

關(guān)鍵詞：誤差理論與數(shù)據(jù)處理;工程實(shí)踐;理實(shí)結(jié)合

中圖分類(lèi)號(hào)：TH70? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）09-0184-03

Abstract： "Error Theory and Data Processing"， as a professional course of measurement and control technology and instrument， has the characteristics of strong theoretical and demand of engineering practice， which urgently needs certain experiments to enhance the students' understanding of error and data processing and their application in engineering practice. In order to meet this demand. For this purpose， an experimental system based on virtual instrument is designed， which uses image data processing to control multi-motor to achieve clear image acquisition. Through this experimental system， the basic knowledge， analysis and data processing knowledge of error are combined with practical application， so as to improve students' understanding of error and data processing and strengthen theory and practice at the same time.

Keywords： Error Theory and Data Processing; engineering practice; combination of theory and practice

誤差理論與數(shù)據(jù)處理作為測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)的核心課程之一，是電子測(cè)量技術(shù)、智能儀器技術(shù)等課程的重要基礎(chǔ)，是開(kāi)展科學(xué)研究和工程實(shí)踐的重要支撐[1-4]。本課程知識(shí)的掌握情況直接影響學(xué)生后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)，并將對(duì)其今后從事的電子測(cè)量、智能儀器測(cè)試、精密檢測(cè)等工作產(chǎn)生持續(xù)深遠(yuǎn)的影響[5]。作為重要的專(zhuān)業(yè)課之一本課程有著課程理論性強(qiáng)和課程對(duì)工程實(shí)踐需求性高的特點(diǎn)，課程的特點(diǎn)使得學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中理解上存在較多的困難，同時(shí)缺少針對(duì)性強(qiáng)的工程案例結(jié)合理解，從而極大地影響了教學(xué)效果，限制著學(xué)生在實(shí)際工程應(yīng)用中的誤差分析和數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)而影響學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前背景下新工科建設(shè)對(duì)人才能力的需求。因此迫切需要在課程專(zhuān)業(yè)知識(shí)開(kāi)展學(xué)習(xí)的同時(shí)進(jìn)行針對(duì)性強(qiáng)的實(shí)踐性項(xiàng)目強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，深入結(jié)合理論知識(shí)與工程實(shí)踐。

誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通常是在假定測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上利用課程里介紹的相關(guān)知識(shí)開(kāi)展誤差分析和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)以實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合地教學(xué)[6]，這種做法主要在仿真層面上讓學(xué)生認(rèn)識(shí)了誤差和數(shù)據(jù)處理方法，但難以從工程需求實(shí)際入手，從數(shù)據(jù)采集、誤差分析和處理層面讓學(xué)生有工程性的認(rèn)識(shí)，針對(duì)這種不足，設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)應(yīng)用極為廣泛的LabVIEW軟件引入作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)圖像的采集和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一種滿(mǎn)足特定清晰度成像的系統(tǒng)。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)采集、誤差分析和數(shù)據(jù)處理的認(rèn)識(shí)以及鍛煉學(xué)生理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的能力。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以鍛煉學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)采集、誤差和數(shù)據(jù)處理和強(qiáng)化理論與工程應(yīng)用能力為目的，設(shè)計(jì)了一種虛擬儀器平臺(tái)下在電機(jī)帶動(dòng)鏡頭運(yùn)動(dòng)下，利用圖像數(shù)據(jù)采集和對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并反饋控制電機(jī)最終獲得清晰圖像的試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)初始校準(zhǔn)確定并消除（減?。┫到y(tǒng)誤差的影響，然后對(duì)采集到的圖像進(jìn)行均值計(jì)算得到圖像的平均值以消除隨機(jī)性帶來(lái)的誤差，進(jìn)一步利用圖像清晰度函數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)位置圖像的清晰度信息，利用清晰度信息反饋控制電機(jī)，進(jìn)一步使得鏡頭向清晰度高的位置運(yùn)動(dòng)，消除或進(jìn)一步減小誤差。系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖如圖1。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括上位機(jī)的LabVIEW軟件設(shè)計(jì)和硬件平臺(tái)構(gòu)建，通過(guò)軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)鍛煉學(xué)生系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)誤差以及數(shù)據(jù)處理在工程實(shí)踐中的應(yīng)用理解。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分包括整體框架、傳動(dòng)、電機(jī)等，采用如下的方案：

（1）通過(guò)步進(jìn)電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)CMOS成像的中心點(diǎn)對(duì)齊目標(biāo)板中心，以消除或減小系統(tǒng)誤差地影響。

（2）通過(guò)ELVISII采集板卡來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，獲取清晰圖像，消除或減小清晰度誤差。

（3）使用USB攝像頭進(jìn)行圖像采集，再選取合適的圖像清晰度函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于虛擬儀器框架，其控制終端利用G語(yǔ)言LabVIEW來(lái)編寫(xiě)。該軟件具可視化的圖形編程特點(diǎn)，由于虛擬儀器關(guān)鍵在于軟件，硬件的局限性較小，因此與其他儀器建立聯(lián)系比較容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)LabVIEW是測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)中應(yīng)用極為廣泛的工具軟件，所以利用其構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的上位機(jī)。上位機(jī)軟件以成像為目標(biāo)主要調(diào)焦（自動(dòng)和手動(dòng)）、參數(shù)設(shè)置以及停止功能。主界面如下圖3所示：

調(diào)焦是系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)，而自動(dòng)調(diào)焦是系統(tǒng)應(yīng)用的主要目標(biāo)，利用中心點(diǎn)對(duì)齊，即將CMOS傳感器的中心點(diǎn)與目標(biāo)板中心對(duì)齊消除或減小系統(tǒng)誤差的影響，便于同軸情況下調(diào)焦，調(diào)焦過(guò)程中對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)消除或減小隨機(jī)誤差的影響以及限制清晰度誤差來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳成像。其流程圖如下圖4：

自動(dòng)調(diào)焦環(huán)節(jié)包括了圖像采集過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理，由于采集的圖像受光源、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不均衡、采集設(shè)備采樣率和精度等隨機(jī)因素的存在引入了隨機(jī)噪聲誤差，因此需要對(duì)每組采集的圖像通過(guò)多幀圖像取均值的方法進(jìn)行隨機(jī)誤差的消除，采用公式：

其中Ii表示第i幀圖像，n表示本組采樣采集了n幀圖像。通過(guò)該處理環(huán)節(jié)鍛煉學(xué)生對(duì)隨機(jī)誤差和消除隨機(jī)誤差的方法的認(rèn)識(shí)，而系統(tǒng)誤差則在初始定位時(shí)候，通過(guò)系統(tǒng)構(gòu)建中心點(diǎn)校正的環(huán)節(jié)進(jìn)行了認(rèn)識(shí)和標(biāo)定。

在圖像采集并消除隨機(jī)誤差影響的基礎(chǔ)上，利用了清晰度函數(shù)計(jì)算的數(shù)據(jù)處理方式，得到每一組采樣對(duì)應(yīng)圖像的清晰度數(shù)值，利用清晰度數(shù)值與最佳數(shù)值的偏差來(lái)校正電機(jī)運(yùn)動(dòng)，這里的清晰度函數(shù)采用的是灰度差分絕對(duì)值之和（SMD）：

根據(jù)這個(gè)公式，使用2個(gè)while循環(huán)進(jìn)行求和編寫(xiě)了如下圖6的程序。

其自動(dòng)調(diào)焦效果如圖7。

通過(guò)以上過(guò)程簡(jiǎn)述所設(shè)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)的相關(guān)功能，并借助試驗(yàn)系統(tǒng)的工作開(kāi)展鍛煉學(xué)生對(duì)具體工程實(shí)踐中誤差存在的形式、誤差的分類(lèi)、相關(guān)處理方法以及采集的各種數(shù)據(jù)的處理方式等認(rèn)識(shí)和理解，通過(guò)本試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建強(qiáng)化學(xué)生對(duì)誤差理論與數(shù)據(jù)處理相關(guān)知識(shí)的理解和具體工程案例中誤差的各種認(rèn)識(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程理論與工程實(shí)踐相結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)誤差及數(shù)據(jù)處理認(rèn)識(shí)為目的設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器的試驗(yàn)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并討論了通過(guò)系統(tǒng)相應(yīng)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)對(duì)誤差認(rèn)識(shí)、數(shù)據(jù)處理理解以及工程實(shí)踐強(qiáng)化的作用，這一思路也可以擴(kuò)展至其它工程設(shè)計(jì)中，為那些需要復(fù)雜計(jì)算的場(chǎng)合提供了一種高效快速解決問(wèn)題的途徑，為誤差理論與數(shù)據(jù)處理這門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供思路。

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