郭 慶，張文斌，景亞鵬，覃 暢，蘇海濤

(1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西桂林 541004；2.廣西自動檢測技術與儀器重點實驗室，廣西桂林 541004)

0 引言

揚聲器是一種直接把電能轉(zhuǎn)化成為聲音的換能器件[1]。隨著國內(nèi)電聲行業(yè)的飛速發(fā)展，揚聲器也取得了長足的發(fā)展，但在揚聲器設計、優(yōu)化等方面還與國外的揚聲器生產(chǎn)廠商存在著一定差距[2]。這就要求揚聲器生產(chǎn)廠商加強揚聲器的出廠品控管理，在揚聲器出廠前對其進行標準化測量[3]。

國內(nèi)相關企業(yè)對揚聲器數(shù)字測量技術上的研究起步尚晚。目前國內(nèi)揚聲器企業(yè)中最常采用的揚聲器檢測方法是人工試聽，并且依靠人工搬運揚聲器至檢測工位進行檢測及分類，工人勞動強度大，企業(yè)生產(chǎn)成本高[4-6]。因此實現(xiàn)揚聲器的智能化檢測與自動分類對揚聲器生產(chǎn)廠家有著重要作用。

針對上述存在的問題，本文提出將機器視覺技術與機械裝置相結合，實現(xiàn)揚聲器自動化檢測與分類，并與揚聲器電聲參數(shù)測量軟件共同搭建了揚聲器的智能檢測與自動分類系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)主要分為揚聲器焊點定位模塊、揚聲器位置調(diào)整與分類模塊和電聲參數(shù)測量模塊，如圖1所示，揚聲器焊點定位模塊由工業(yè)相機與圖像處理算法組成，用于識別揚聲器焊點的準確位置；揚聲器位置調(diào)整與分類模塊由機械裝置和主控電路等組成，其作用是調(diào)整揚聲器焊點的位置，并根據(jù)檢測結果分類揚聲器；電聲參數(shù)測量模塊是用來測量揚聲器電聲參數(shù)，由聲電轉(zhuǎn)化設備、信號調(diào)理電路和電聲參數(shù)測量軟件構成。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)的工作流程如圖2所示，由各個模塊相互配合完成，分為以下4步：

(1)揚聲器焊點定位模塊進行揚聲器的焊點定位，通過工業(yè)相機對待測揚聲器拍照，接著利用圖像算法，識別與定位揚聲器焊點相對位置，計算揚聲器所需旋轉(zhuǎn)角度β；

(2)旋轉(zhuǎn)角度β傳輸至揚聲器位置調(diào)整與分類模塊，主控電路控制機械裝置將待測揚聲器焊點與測試探針接觸；

(3)揚聲器發(fā)聲，電聲參數(shù)測量模塊工作，處理揚聲器的電聲信號，得出各類電聲參數(shù)；

(4)將檢測完成的揚聲器通過揚聲器位置調(diào)整與分類模塊進行揚聲器的分類工作，送至目標位置。

圖2 系統(tǒng)工作流程

2 揚聲器焊點定位模塊設計

揚聲器焊點定位模塊的工業(yè)相機的像素為1 000萬，已知相機選型公式為

F=FOV/D

(1)

式中：FOV為視野范圍；D為視覺模塊的識別精度；F為工業(yè)相機的像素[7]。

該相機拍攝區(qū)域為210 mm×297 mm，可得出識別精度D為0.006 237 mm，充分滿足了揚聲器焊點的識別精度。

利用工業(yè)相機識別揚聲器焊點，及定位其中心點位置，根據(jù)反三角函數(shù)，計算出揚聲器所需旋轉(zhuǎn)的角度β值，從而實現(xiàn)探針與焊點的對接，示意圖如圖3所示。

圖3 焊點與探針位置關系示意圖

對圖像建立像素坐標系，揚聲器所需旋轉(zhuǎn)的角度β值共有4種情況，假設揚聲器中心a點像素坐標為(m，n)，焊點中心b點像素坐標為(x，y)，各情況對應不同β值，如圖4所示。

系統(tǒng)采用LabVIEW軟件處理捕獲圖像，主要分為2個部分，圖像預處理與焊點定位信息的提取，圖像處理流程圖如圖5所示。

圖5 揚聲器焊點的圖像處理流程圖

圖像預處理部分主要是提取焊點圖像。對圖像進行ROI區(qū)域選擇，以避免其他無關圖像對目標圖像干擾；對目標圖像進行灰度化處理，方便后續(xù)的分析與處理工作；在一定光強變化范圍內(nèi)，采用自適應最大類間方差法來確定最佳閾值，并消除圖像噪聲，使焊點圖像識別無誤。

完成目標和背景分離后，對焊點圖像進行最小外接矩陣，獲取焊點中心定位信息，并根據(jù)焊點坐標數(shù)值，計算揚聲器所需調(diào)整角度β。圖6所示為圖像的算法實現(xiàn)過程。

3 揚聲器位置調(diào)整與分類模塊設計

揚聲器位置調(diào)整與分類模塊的結構框圖，如圖7所示。通過RS232串口，將圖像處理結果與揚聲器分類結果傳至MCU處理，以控制機械裝置完成揚聲器焊點接入測試端口及結果分類。

圖7 揚聲器位置調(diào)整與分類模塊結構框圖

根據(jù)合作企業(yè)的要求，設計了揚聲器位置調(diào)整與分類模塊的布局方案，如圖8所示，圖中可旋轉(zhuǎn)的連桿將揚聲器從待檢測位置送至檢測位置檢測，根據(jù)檢測結果，將揚聲器放置在不同等級(A、B、C)的對應位置，從而實現(xiàn)了待測對象的分類。

機械裝置包括底座、揚聲器位置調(diào)整裝置、揚聲器探針通訊裝置。如圖9所示，揚聲器位置調(diào)整裝置由一號電機、二號電機、三號絲桿電機和吸盤等組成，揚聲器探針通訊裝置由探針與四號絲桿電機組成。各電機與硬件系統(tǒng)內(nèi)的主控電路連接，探針與硬件系統(tǒng)內(nèi)的信號調(diào)理電路連接[8-9]。

其工作原理主要為3部分。首先，主控電路驅(qū)動一號步進電機，帶動同步輪與皮帶轉(zhuǎn)動，從而使連桿旋轉(zhuǎn)到目標位置，實現(xiàn)揚聲器位置的準確調(diào)整。其次，當連桿帶動吸盤轉(zhuǎn)至待檢測位置正上方時，三號絲桿電機正向工作，促使吸盤向下運動，直至吸盤貼合揚聲器的中心位置。啟動氣泵，吸盤吸住揚聲器后，

(a)揚聲器位置調(diào)整與分類模塊工作臺俯視圖

(b)揚聲器位置調(diào)整與分類模塊各部分連接示意圖圖8 揚聲器位置調(diào)整與分類模塊整體布局示意圖

圖9 機械裝置示意圖

三號絲桿電機反向工作，揚聲器與吸盤向上運動，即揚聲器被拾取。然后驅(qū)動一號電機工作，將揚聲器懸空于仿真耳上，二號步進電機控制揚聲器轉(zhuǎn)動，使揚聲器的焊點位置對準探針；在三號絲桿電機正向工作時，揚聲器放置在仿真耳上，此時揚聲器與探針處于同一平面。最后，啟動四號絲桿步進電機，使探針向前運動，從而觸碰揚聲器的焊點，實現(xiàn)揚聲器位置調(diào)整與分類模塊和電聲參數(shù)測量模塊的無縫對接。最后根據(jù)電聲參數(shù)測量模塊的檢測結果，一號電機工作，將揚聲器送至目標位置。

4 揚聲器電聲參數(shù)測量模塊設計

揚聲器電聲參數(shù)測量模塊的結構框圖，如圖10所示。聲卡的LINE OUT L接口發(fā)出連續(xù)對數(shù)掃頻信號，信號經(jīng)過功率放大模塊后，分為2路信號：第1路信號通過電流檢測模塊，再通過LINE IN R返回，即為電學信號；第2路信號激勵待測電動揚聲器，并通過聲電轉(zhuǎn)化設備采集揚聲器的聲音響應，通過LINE IN L返回，即為聲學信號[10]。對采集的電聲信號進行預處理，經(jīng)測量算法[11-13]計算后，得到所需要的電聲參數(shù)。

圖10 電聲參數(shù)測量模塊結構框圖

為了使廠家方便使用測量系統(tǒng)，設計了如圖11所示的測量軟件界面，界面由菜單欄、測量模式選擇、相機與串口選擇、測量參數(shù)結果顯示等組成，界面簡潔，操作簡單，并且用戶可以根據(jù)需求設置測試信號參數(shù)與靈敏度分檔數(shù)值區(qū)間，如圖12所示。

圖11 揚聲器電聲參數(shù)測量軟件界面

圖12 測量軟件設置界面

5 實驗結果

為檢驗整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，搭建了電動揚聲器智能檢測與自動分類系統(tǒng)，并進行多次實驗，圖13為系統(tǒng)現(xiàn)場布置圖。

圖13 系統(tǒng)現(xiàn)場布置圖

為了驗證圖像算法的可靠性，在不同光強度下，對多角度擺放的揚聲器進行拍照及圖像處理，獲取其焊點中心像素并與理論值進行比較。表1為揚聲器焊點定位誤差測試結果，最大誤差為-0.068 61 mm，滿足焊點定位精度要求，表明圖像算法穩(wěn)定可靠。

表1 揚聲器焊點定位誤差測試結果

揚聲器焊點的轉(zhuǎn)動誤差直接影響揚聲器焊點能否與探針接觸，因此需要對二號步進電機旋轉(zhuǎn)角度與圖像處理所得角度進行對比測試。測量設備使用ZKP3808-001G-2000BZ1-12-24C半空增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和其配套的ECC3810編碼器采集卡。測量方法是將編碼器與步進電機進行同軸連接，步進電機帶動編碼器同步轉(zhuǎn)動，最后編碼器采集卡采集步進電機轉(zhuǎn)過的角度并發(fā)送給計算機。經(jīng)實驗得出焊點轉(zhuǎn)動誤差在±1°內(nèi)，焊點與探針即可接觸無誤。表2為部分揚聲器焊點轉(zhuǎn)動誤差測試結果。

6 結束語

本文完成了各功能模塊設計，給出了焊點定位模塊、揚聲器位置調(diào)整與分類模塊和電聲參數(shù)測量模塊的軟硬件設計方案。實驗數(shù)據(jù)表明，揚聲器焊點定位最大誤差為-0.068 61 mm，焊點轉(zhuǎn)動誤差在±1°內(nèi)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高，測量軟件操作簡單，使用方便，為揚聲器自動化檢測提供了切實可行的方案。

表2 揚聲器焊點轉(zhuǎn)動誤差測試結果