摘要：在高端制造中，利用激光傳感器對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量．可以達(dá)到校準(zhǔn)精度的目的?；诖耍恼乱詳?shù)字信號(hào)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(duì)其進(jìn)行總體設(shè)計(jì)；其次，分別從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)維度進(jìn)行了開發(fā)與實(shí)現(xiàn)；最后，利用實(shí)物構(gòu)建的方式對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度以及抗噪聲性進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)于誤差的校準(zhǔn)能力較強(qiáng)，具有較高的實(shí)踐與推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)；激光傳感期；誤差校準(zhǔn)

中圖法分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

１ 功能需求與總體設(shè)計(jì)

利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)激光傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，主要實(shí)現(xiàn)傳感器的自動(dòng)校準(zhǔn)，達(dá)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(jì)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(shí)際價(jià)值毋庸置疑，但針對(duì)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(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性開發(fā)，以達(dá)到提升效能的目的［２～３］ 。因此，本研究中基于數(shù)字信號(hào)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(cè)試功能，可以進(jìn)行單獨(dú)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(hào)進(jìn)行收集與轉(zhuǎn)化；（３）具有后臺(tái)數(shù)據(jù)計(jì)算功能，能夠在數(shù)字信號(hào)的基礎(chǔ)上進(jìn)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(shí)進(jìn)行迭代修正計(jì)算；（４）能夠?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行保留與提醒，數(shù)據(jù)信息需要在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫內(nèi)與傳感器編號(hào)對(duì)應(yīng)，以供查詢，需要在數(shù)字信號(hào)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(jì)

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(hào)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(cè)量誤差自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)包括３ 個(gè)基本模塊，其一是測(cè)量工作平臺(tái)，該平臺(tái)主要對(duì)被測(cè)試傳感器提供安裝固定卡點(diǎn)，同時(shí)提供測(cè)試條件。在實(shí)際測(cè)試中，可以同時(shí)安裝多個(gè)激光傳感器并進(jìn)行統(tǒng)一測(cè)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(duì)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(cè)量誤差校準(zhǔn)模塊２ 個(gè)主要部分，前者利用多種手段對(duì)激光傳感器的相關(guān)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)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(yàn)誤差對(duì)激光傳感器進(jìn)行初步校準(zhǔn)，并通過校準(zhǔn)后的修訂反饋值實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的初級(jí)校準(zhǔn)，從而降低后續(xù)數(shù)據(jù)處理的計(jì)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(duì)激光傳感器的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，從而建立誤差校準(zhǔn)的目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)功能。

２ 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)下激光傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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

２．１ 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊以及誤差校準(zhǔn)信號(hào)處理２ 個(gè)基本部分。在數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)過程中，主要以ＣＸ３Ｓ５００Ｅ 單片機(jī)為核心，以Ｒｓ４８５ 為原型光柵編碼，使編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊中，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，同時(shí)該模塊需要整合外接電源與電源管理模塊，可以直接對(duì)現(xiàn)有電源單片機(jī)進(jìn)行調(diào)用，供電邏輯為全時(shí)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(jì)示意圖如圖２ 所示。

在處理誤差校準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，在整合必要算法的基礎(chǔ)上，需要對(duì)其進(jìn)行一般硬件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中需要保障數(shù)據(jù)采集的時(shí)間標(biāo)定，進(jìn)而確定相同時(shí)空范圍內(nèi)圖像與采集數(shù)據(jù)之間的一一對(duì)應(yīng)。同時(shí)，需要對(duì)獲取的數(shù)字信號(hào)進(jìn)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(hào)通過串口模塊傳輸至ＰＣ 端，無論是在開發(fā)與實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)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(hào)處理技術(shù)的激光傳感器校準(zhǔn)均在ＰＣ 端的后臺(tái)自動(dòng)完成，同時(shí)輸出傳感器校正后的結(jié)果。具體的誤差校準(zhǔn)信號(hào)處理模塊硬件設(shè)計(jì)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(shí)鐘管理器對(duì)其進(jìn)行時(shí)間編碼。

編碼后的圖像進(jìn)入高頻濾波組件中并進(jìn)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(shí)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行放大。然后，濾波獲得的數(shù)字信號(hào)通過時(shí)鐘管理器的時(shí)間校準(zhǔn)與同步，進(jìn)入細(xì)粒度計(jì)數(shù)組件內(nèi)，該組件主要完成對(duì)特定點(diǎn)位的選取，進(jìn)而減少后臺(tái)服務(wù)器的運(yùn)算量。將處理后的數(shù)字信號(hào)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(duì)數(shù)據(jù)的誤差進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)激光傳感器產(chǎn)生的誤差進(jìn)行自動(dòng)修訂。

２．２ 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)使得針對(duì)激光傳感器的校正可以在數(shù)據(jù)層面上開展，避免了對(duì)傳感器內(nèi)部元器件及邏輯的修正，也不需要對(duì)其進(jìn)行物理改變，進(jìn)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(hào)處理技術(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)的過程中， 需要構(gòu)建對(duì)應(yīng)的算法［５］ 。

首先，需要按照采集的信息對(duì)交點(diǎn)空間距離進(jìn)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(jìn)行擬合，形成中心支線與靶向標(biāo)點(diǎn)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(duì)光條中心點(diǎn)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(duì)傳感器拍攝圖像進(jìn)行函數(shù)構(gòu)建，具體以４ 個(gè)隨機(jī)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(shí)際的應(yīng)用中會(huì)受到一定的干擾，

其測(cè)量條件無法達(dá)到實(shí)驗(yàn)條件。在實(shí)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(duì)系統(tǒng)施加了２ 種干擾方式，從而對(duì)其抗噪性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體而言，第１ 種方式是在實(shí)驗(yàn)過程中將激光傳感器放置于測(cè)試平臺(tái)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(cè)臺(tái)邊緣位置，置于激光傳感器測(cè)試范圍之外（ｌ３ ）。

當(dāng)激光傳感器位置發(fā)生變動(dòng)后，外源噪聲源隨之變化，保持相對(duì)位置不變。對(duì)不同模式下的平移矢量系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，與無干擾源工況（ｌ１ ）進(jìn)行對(duì)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(duì)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(dòng)效果最為明顯，造成的平移矢量平均超過８０％（ｌ２）；而處于檢測(cè)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(zhǎng)的提升，干擾效果得到了有效的抑制，在達(dá)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(jì)的濾波裝置抗干擾效果相對(duì)較好，尤其是在大波長(zhǎng)干擾時(shí)表現(xiàn)突出。

４ 結(jié)束語

本文以數(shù)字信號(hào)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(duì)其總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)劃與實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，利用實(shí)物構(gòu)建的方式對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度以及抗噪聲性進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明，本文系統(tǒng)對(duì)于誤差的校準(zhǔn)能力較強(qiáng)，具有較高的實(shí)踐價(jià)值，但在抗噪聲性上還需改善。

參考文獻(xiàn)：

［１］ 周澄，許勝，曹健，等．?dāng)?shù)字信號(hào)處理技術(shù)的激光傳感器測(cè)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(cè)量機(jī)控制策略［Ｊ］．中國(guó)測(cè)試，２０２２，４８（３）：１３６?１４１＋１５６．

［３］ 鄧世祥，呂彥明，王康，等．線激光測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差的預(yù)測(cè)與補(bǔ)償［Ｊ］．激光與光電子學(xué)進(jìn)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(cè)量系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償方法［Ｊ］．計(jì)量學(xué)報(bào)，２０２０，４１（１２）：１４４９?１４５５．

［５］ 任紀(jì)穎．基于圖優(yōu)化的差速移動(dòng)機(jī)器人激光ＳＬＡＭ 研究［Ｄ］．濟(jì)南：山東大學(xué)，２０２０．

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