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具有旋转对称特性的嵌入式光学测距系统软件实现 摘要 工业质量检测是工业界产品质量保证的关键环节，决定了企业产品的市场 及前景。而位移检测技术作为工业质量检测的基本环节，其越来越高的精度、 速度要求正成为智能检测研究领域的一个重要目标。其中，激光三角传感器作 为一种新型的位移测量传感器，在基于表面检测的工业测量领域中有着广泛的 应用前景。 本文在现有激光三角传感器的基础上，重点开展对集成嵌入式的旋转对称 激光三角测距仪研究。介绍了该测距仪的光学结构和成像原理，说明了其特有 的光学对称特性能够有效解决各种传统激光三角传感器所无法克服的检测缺失 现象。在此基础上，开发出一套基于嵌入式的高速信号处理系统，对于工业集 成和实际应用都有着重要的意义。 本文研究了集成嵌入式的旋转对称激光三角测距仪软件系统设计及开发， 主要进行了以下几个方面工作： 1 完成了集成嵌入式的旋转对称激光三角测距仪器系统的软件构架。软件 设计分为嵌入式部分和终端控制部分。 2 研究了原圆环检测算法在新的硬件平台上的修正方法，实现了新的嵌入 式标定算法。该算法依照由粗到精的过程，逐步获得一个亚像素级的中心和半 径。经过实验证明，新标定算法具有更好的可重复性。 3 针对标定条件下圆环检测算法在嵌入式系统上的实现做了各种优化工 作，改写或修正了部分硬件驱动程序。测试了新系统的运行鲁棒性。 4 对原有基于p c 端的控制软件进行了重构开发，修正了原有的软件漏洞， 并为新的实验环境增添更多功能，新终端控制软件具有更好的人机交互性及鲁 棒性。 关键词：旋转对称激光三角传感器嵌入式 圆环检测智能测量 s o f t w a r er e a l i z a t i o no fo p t i c a ld i s t a n c ed e t e c t o rw i t h r o t a t i o n a l l ys y m m e t r i ct r i a n g u l a t i o ns e n s o r a b s t r a c t a sak e ys t e pi ni n t e l l i g e n ti n d u s t r yf i e l d ，q u a l i t yi n s u r a n c e sd e t e r m i n et h e p r o s p e c to fac o m p a n yi nw h i c ha r e at h ed e m a n df o rf a s ta n dh i g ha c c u r a t er a n g e d e t e c t o ri sb e c o m i n gac r i t i c a lr e q u i r e m e n t t h et r a d i t i o n a lr a n g es e n s o r ，s u c ha s t r i a n g l es e n s o ri sw i d e l yu s e di nt h es u r f a c ed e t e c t h o w e v e r , s t e pe r r o ra n ds h a d o we f f e c tr e s t r i c tt h i sk i n do fs e n s o rd e v e l o p m e n t an e wt y p eo ft r i a n g l ew i t hr o t a t i o n a ls y m m e t r i cp r o p e r t yc o u l do v e r c o m es u c h d e f e c tb yi t su n i q u eo p t i ca r c h i t e c t u r e i nt h i sp a p e rw ea i m e dt os u p p l yas o f t w a r e s o l u t i o nf o rr o t a t i o n a ls y m m e t r i ct r i a n g u l a t i o nr a n g ed e t e c t o rw i t he m b e d d e d s y s t e mw h i c hh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n t h em a i nt a s k sa r el i s t e db e l o w ： 1 f i n i s h e dt h es o f t w a r ed e s i g no fr o t a t i o n a ls y m m e t r i ct r i a n g u l a t i o nr a n g e d e t e c t o rw i t he m b e d d e d s y s t e m t h e s o f t w a r e d e s i g n c o n s i s to ft w op a r t s ： e m b e d d e ds o f t w a r ea n dc l i e n tc o n t r o ls o f t w a r ew h i c hc o m m u n i c a t ew i t ht c p i p n e t w o r k 2 m a k ei n v e s t i g a t i o no nn e wr a d i u sd e t e c ta l g o r i t h mw h i c hh a sb e e nt i n y m o d i f i e dt oa d a p to nn e wh a r d w a r e r e a l i z et h er i n gd e t e c ta l g o r i t h mw h i c hf o l l o w t h ec o a r s et of i n e s t e pt oo b t a i n as u b - p i x e ll e v e lc e n t e ra n dr a d i u su s e di n c a l i b r a t i o ns i t u a t i o n a c c o r d i n gt o e x p e r i m e n t ，t h en e wc a l i b r a t i o na l g o r i t h m i s m o r er e p e a t a b le 3 o p t i m i z et h er e a l i z a t i o no fc a l i b r a t i o na l g o r i t h mo nd s ps y s t e m r e w r i t eo r m o d i f ys o m eh a r d w a r ed r i v e r t e s tt h er o b u s t n e s so fn e we m b e d d e ds y s t e m 4 u p d a t et h ep cb a s e dc o n t r o lc l i e n t ，a d d i n gs o m en e wm o d u l e sa n df i x e d s o m eb u g s t h en e wv e r s i o nh a sam o r ef r i e n d l yu s e ri n t e r f a c ea n dm o r er o b u s t k e yw o r d s ：r o t a t i o n a l l ys y m m e t r i ct r i a n g u l a t i o ns e n s o r ；e m b e d d e d ；r a d i u sd e t e c t ；i n t e l l i g e n t 插图清单 图1 1 平台整体软件设计5 图2 1 激光三角传感器原理图及实物图6 图2 2 遮挡阻碍了测量7 图2 3 德国w o l f & b e c k 公司o t m 传感器8 图2 - 4 具有旋转对称特性的激光三角传感器光学原理9 图2 1 旋转激光三角传感器实物图及成像图。9 图2 6 新一代旋转对称激光三角传感器光学原理l o 图2 7 系统处理单元硬件组成结构1 2 图2 8 嵌入式软件层次结构1 2 图2 9 终端软件模块13 图3 1 不同圆环检测算法及应用场合【2 1 1 4 图3 2 嵌入式圆环检测算法基本流程【4 1 1 5 图3 3 索引矩阵【4 j l5 图3 4 利用噪声向量挑选r o i 行【4 1 1 6 图3 5 圆环定义1 7 图3 - 6 嵌入式标定算法基本流程1 8 图3 7 圆环图像二值化前后对比( 图片已截去外围部分) 1 8 图3 8 嵌入式标定算法粗检测结果2 0 图3 - 9r o i 提取方法2 1 图3 1 0 标准圆环及其半径方向灰度投影2 l 图3 1 l 三次平滑滤波结果2 2 图3 12 观测峰值掩盖了真实峰值2 2 图3 1 3 算法集成为标准算法c e l l 后在通道内运行顺序2 3 图4 1 嵌入式设计各部分关系2 5 图4 2d s p b i o s 图形配置界面2 7 图4 3 嵌入式检测线程流程图2 8 图4 4 半径检测算法通道执行过程2 9 图4 5 标定算法通道执行流程2 9 图4 6b a y e r 格式色彩分布31 图4 7d s p 指令执行各个阶段3 2 图4 8 循环流水示意3 2 图4 9 新的用户界面3 4 图4 1 0 终端模块划分3 4 图4 1 1 数据协议包格式3 5 图4 12 采用简单工厂模式的相机驱动3 6 图4 1 3 采用s t r a t e g y 设计模式的新算法示意图3 7 图5 1 圆环采集时界面4 0 图5 2 两种不同表面性质的待测物体4 0 图5 3 简单突起物体表面建模结果( 点、线、面、高度彩色) 4 1 图5 4 复杂物体表面建模结果( 点、线、面、高度彩色) 4 1 表格清单 表1 1 现有几种激光三角传感器2 表3 1 两种检测算法运用条件比较1 4 表5 1 嵌入式标定算法与原有算法比较一3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导，卜进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金月巴工些态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同上作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 仇辫 签字嗍岬私月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴1 ：些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部i j 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权佥目墨= ：些厶 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权j b ) 学位论文者签名：彳- - r e 签字日期井p 月，多日 ， 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 专秘) 签字日期：厂年p 月f 牛日 电话： 邮编： 致谢 时光倏忽，三年研究生生涯，转瞬即逝。回想一路走来，不禁感慨颇多。 回首三年前，刚进实验室的时候，高老师曾说过，将来毕业论文的致谢一 定要不愧于自己。至今日动笔时方发觉，原来就是这样的想法鼓励着我一直前 进。 三年间有过消沉，有过荣耀，有过欢喜，也有过沉重。更重要的是，我学 到了理性的思考问题，有效的解决问题的能力。 在此，首先我要感谢我的导师张旭东老师，您孜孜不倦的教诲，耐心的培 养，无一不是我宝贵的精神支持，多少次技术上的难题都是在您的帮助下才得 以顺利解决。还有高隽教授，在您的学术理念熏陶下，竞争促进发展，形成结 构已经融入了我的学习生涯。对二位恩师的教诲，不管在校，还是日后走上工 作岗位，我都将铭记于心。 此外，最早对我产生深刻影响的是王晓嘉师兄和陈果师兄，与他们交流和 协作，极大的开拓了我的见解和钻研能力。在程序设计和研究方向上的很多问 题，都是在他俩的指导下才得以顺利开展的。他们严谨的学术态度，刻苦钻研 的精神，都促进我端正自己的学习态度，并在之后的学习中以他们为榜样。 三年时光，我们“九连环的感情越来越深，我很感谢凌虎、冯文刚、叶 之金、胡翊、张翼、薛艳、范瑾瑾、吴克伟，是你们让我的研究生生活更有意 义，你们给我许多帮助，不管生活上学习上都越来越有默契。且不论我们何时 去工作岗位，就算斗转星移，我们依然是“九连环 。 还有我的师弟师妹们，谢谢你们对我的支持和帮助。也祝愿你们可以在一 年或二年之后，找到自己满意的工作，自信而饱含激情的走上工作岗位。 我还要感谢我的父母，你们二十多年如一日的付出，让我知晓了做人的道 理，让我学得什么是宽容，让我学得什么是付出，我的奋斗里满含了你们的含 辛茹苦，再次诚挚的感谢你们。还有我的女友朱士蓉，感谢你对我学习上的支 持和精神上的鼓励。愿我们在以后的日子里，相互鼓励相互支持，一起奋斗， 一起在那片属于自己的天空下打拼。 此刻，在毕业到来之际，心潮澎湃，纵然千言也难以名状，虽此寥寥数言， 却饱含了我对那些曾经帮助过我的人的真诚感激。但愿我们在以后的日子里， 依然风雨同舟，协同奋进。 作者：任溯 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 研究背景 随着现代工业技术发展，国际竞争加剧，高精度质量检测成为工业发展的 关键一员。工业产品的几何参数是产品质量检测的重点，一般包括尺寸、表面 平整、表面曲率等。这些参数的获得依赖于位移测量技术 9 1 。 如今的位移测量技术正处于发展过渡阶段，检测精度由原来的毫米级、微 米级向纳米级过渡，检测方式从直接接触式测量转变为非接触式测量，检测装 置也由机械控制升级为智能微电子设备。视觉测量技术，作为其中的代表，也 不断向高速、高精、高效、高智能化方向发展。尤其在智能相机传感器领域， 最近几年更是有着突飞猛进的发展。0 8 年在京召开的第五届中国国际机器视觉 展览会上，多款智能相机在工业在线检测、模式匹配、交通管理控制等方面的 优异表现引起了众多专家学者的一致好评。 然而，在传统领域向智能化过渡阶段，现有设备如何平滑升级、视觉算法 移植的有效性、处理场景复杂多变等诸多难题制约着其前进步伐。其设计方式 也起了较大变化，从信号处理电路、补偿矫正、a d 转换等硬件设计步入多种 信息交换、处理等软件设计为主体。而且软件对象不再是以前的单个对象，而 是整个系统，符合特定系统协议格式，从而实现传感器与传感器之间，传感器 与执行器之间，传感器与系统间的数据交换和共享。因此智能网络化是传感器 未来发展的趋势【2 1 1 。 本课题来源于具有旋转对称特性的位移测量装置，研究其在自动测量方面 的实现及集成，既是对智能视觉测量领域的一个最新研究，又是对工业检测融 合嵌入式技术的一个摸索。在非接触式位移测量方面，引入智能化测试方法、 集成嵌入式手段，对于工业智能检测有着十分重要的意义。 1 2 研究领域发展现状 1 2 1非接触式表面测量技术 测量技术最原始的方式是接触式测量【9 】，如我们经常使用的游标卡尺、螺 旋测微器、探针测头等，他们都直接与被测物件相接触。这种测量方式在过去 测量史中一直占有重要地位，然而在现代工业生产条件下，在线检测依靠这种 直接接触式测量方式已达不到流水线作业强度要求，使用这种方式只能用抽样 检测代替全局检测；另一方面，一些工业检测对象并非可直接接触，如流体表 面、柔性表面等。接触式测量破坏了原有测量对象性质，致使测量缺乏有效性。 一种更有效的方式就是将被测物体与检测装置分割，检测装置不直接与被 测物体接触，而是利用物体某些可测特征对其校验，这就是非接触式测量初衷。 非接式触测量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体表面的情 况下，得到物体表面参数信息的测量方法【l0 1 。典型的非接触测量方法如激光三 角法、电涡流法、超声测量法、机器视觉测量等等。 本文重点讨论的是视觉测量范畴的激光三角测距法【l 引，它的名字来源是由 于入射光和反射光构成一个三角形。激光三角测距法主要分为直射式和斜射式 两类。在商业上使用的非接触式激光三角传感器有三种：标准激光三角传感器、 双激光传感器、环形激光三角传感器。后面两种传感器是最近几年发展起来的， 他们很好的弥补了标准激光三角传感器的不足之处，如：鬼影、阶跃遮挡、非 连续表面检测失败等。不过环形激光传感器的价格比普通激光三角传感器贵了 2 至3 倍 2 7 】。 目前国内外有很多公司都有这方面的产品，直射式激光位移传感器有我国 深圳真尚科技有限公司的z l d s 系列，l a p 公司生产的c a l i x 系列，德国 m i e r o e p s i l o n 公司的o p t o n c d t 系列，美国m t i 公司的s t a n d a l o n e 系列等多 种型号；斜射式激光位移传感器有日本k e y e n c e 公司的l d 系列等。表卜1 中 列出了目前市场可购的几种激光三角位移传感器的技术指标。 表1 1 现有几种激光三角传感器 1 2 3 智能传感器 智能传感器【1 9 艺o 】( i n t e l l i g e n ts e n s o r 或s m a r ts e n s o r ) 简单的理解是具有信 息处理功能的传感器。它具有信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双 向通讯的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。据h o n e y w e l l 工业 测量与控制部产品经理t o mg r i f f i t h s 的定义：“一个良好的智能传感器是 由微处理器驱动的传感器与仪表套装，并且具有通信与板载诊断等功能，为监 控系统和或操作员提供相关信息，以提高工作效率及减少维护成本。 一般智能机器人的感觉系统由多个传感器集合而成，采集的信息需要计算 机进行处理，而使用智能传感器就可将这些信息分散处理，从而降低成本。与 一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度 的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。 智能传感器系统如今已是一门综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新 技术，属于多门学科的交叉领域。如机器视觉、人工智能、决策最优化等。新 一代的智能传感器具有如下几个方面特征【2 l j ： ( 1 ) 复合敏感功能：智能传感器具有复合功能，能够同时测量多种物理量 和化学量，给出能够较全面反映物质运动规律的信息。如美国加利弗尼亚大学 研制的复合液体传感器，可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。美国e g & g i cs e n s o r s 公司研制的复合力学传感器，可同时测量物体某一点的三维振动加 速度、速度、位移等等。 ( 2 ) 自补偿和计算功能：智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度 漂移和非线性补偿开辟了新的道路。这样，放宽传感器加工精密度要求，只要 能保证传感器的重复性好，利用微处理器对测试的信号通过软件计算，采用多 次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿，从而能获得较精确的测量结 果。 ( 3 ) 自检、自校、自诊断功能：普通传感器需要定期检验和标定，以保证 它在正常使用时具有足够的准确度，这些工作一般要求将传感器从使用现场拆 卸送到实验室或检验部门进行。对于在线测量传感器出现异常则不能及时诊断。 采用智能传感器情况则大有改观，首先自诊断功能在电源接通时进行自检，诊 断测试以确定组件有无故障；其次根据使用时间可以在线进行校正，微处理器 利用存在e p r o m 内的计量特性数据进行对比校对。 ( 4 ) 信息存储和传输：随着全智能集散控制系统( s m a r td i s t r i b u t e ds y s t e m ) 的飞速发展，对智能单元要求具备通信功能，用通信网络以数字形式进行双向 通信，这也是智能传感器关键标志之一。智能传感器通过测试数据传输或接收 指令来实现各项功能。如增益的设置、补偿参数的设置、内检参数设置、测试 数据输出等。 目前国内对智能传感器的研究集中于如何将现有平台再次开发，因为过程 测量控制领域中系统设计寿命一般都有几十年，传统所使用的测量控制丰要为 模拟量传输，而符合现场总线网络标准的智能传感器虽说有很多优点，但更换 这些传感器、执行器需要花费更多的时间和增加相当的投资，因此原有设备还 会存在相当长一段时间。i e e e l 4 5 1 4 】即是为那些传统的以模拟量传输为基础 的系统而定制的一种与网络间接口标准，它能以很小的代价将普通模拟传感器 改造为智能传感器而受到青睐。对于那些传统设备来说，系统功能扩展在一定 程度上得到了简化。 1 2 3嵌入式技术 大规模集成电路、微机械加工技术和传感器的综合要求的不断发展推动着 智能传感器的前进，智能相机即是智能传感器在机器视觉领域的代表。一些典 型的嵌入式芯片，则为智能传感器的实现提供了功能强大的处理和应用平台。 这些芯片，按照体系结构划分，有a r m ，d s p ，p o w e r p c ，c p l d f p g a 等。 对于大规模图像信息处理领域，采用d s p 数字信号处理器往往有着较强的性能 优势，比如t i 公司的d a v i n c i 系列 4 2 1 、a d i 公司b l a c k f i n 系列4 0 训】，这些高 性能d s p 芯片，专门针对多媒体领域开发研制，其定点运算能力可以达到8 g m i p s ，在某些应用场合性能甚至比一般通用p c 还要高，而功耗只有后者的几 分之一，是智能传感器实现的极佳选择。最近几年，d s p 的体系结构发生了重 大改变，也出现了单芯多核型处理器，比如t i 的达芬奇系列采用d s p + a r m 构架，a d i 公司b l a c k f i n 5 6 1 4 1 】在一个芯片内集成了双b l a c k f i n 5 3 3 内核。多核 的出现改变了原有d s p 芯片处理能力强，控制手段弱的制约，给予d s p 以更 广泛的应用范畴。 对于图像视频处理，一个更理想的选择则是可编程逻辑器件，其最大优势 在于并行运算功能，而且能对时序进行精确控制，在实时性要求强的场合，是 较好的替代选择，其缺憾在于开发成本高，周期长。 从开发上讲，使用嵌入式处理器在很大程度上会受到资源限制，比如有限 的外设接口、存储空间、运行空间、定浮点、乘除法开销等。一些现有的算法 难以甚至不能移植入芯片使用。如何有效利用芯片特性，恰当精简算法是嵌入 式工作者的首要任务。 1 3论文主要工作及章节安排 本课题是中德p p p 项目( 2 0 0 7 ) “a u g m e n t e do p t i c a ld i s t a n c em e a s u r e m e n t s y s t e mb yi n t e g r a t e dv i s i o nc a p a b i l i t y ”的后续项目。该项目共分两期，由合肥 工业大学图像与智能信息处理研究室的王晓嘉、王磊两位博士完成了该项目的 基础理论研究工作【2 3 】，包括旋转对称激光三角传感器( r t s ) 的误差分析、唯 一测量不确定度极限研究、表面三维信息获取、系统标定、信号处理方法、物 体表面特性研究等工作。陈果、魏靖敏硕士完成了基于d s p 的嵌入式信号处理 平台快速算法【4 j 开发。 本项目的最终目的是为了开发出一整套集成嵌入式的测距系统，并且达到 抗遮挡、高精度、高鲁棒性等要求。第二期的传感器快速算法研究和实现为系 统的小型化、嵌入化、集成化带来了可靠保证，不仅实现了保证精度测量时的 高速要求，还弥补了目前试验系统性能低下的缺点。然而，限于时间及资源， 在第二期工程中，并没有形成一个真正意义上的闭环控制系统，同时，因为没 有完整硬件设备支持，整体软件算法仍然处于验证阶段，缺乏系统级的性能测 试；系统的终端控制和数据后期存储、处理、可视化等也未得到良好的支持。 并且，嵌入式标定算法的未完成使仪器的精确度得不到有效保证。 本文工作即是针对上期的展望部分，丰要集中于系统的软件设计方面。完 成传感器的系统级测试和标定算法，并且开发出实际可用的终端控制软件，实 现平台的数据后期存储，显示功能，为工业级的应用铺平道路。图1 - 1 为完成 后的整体软件设计示意图： 图1 1 平台整体软件设计 本论文的章节安排如下： 第一章绪论部分，本章介绍了工业检测的要求和非接触式测量的发展现 状及其前景，简单的介绍了激光三角测距仪在工业检测中的应用，并介绍了与 此相关的领域发展现状，由此引出课题的研究背景和意义。同时给出了章节划 分。 第二章旋转对称激光三角传感器，本章介绍了传统激光三角测距仪的原 理及其缺陷。在此基础上给出了现有几款改进型激光三角测距仪，分析了旋转 对称激光三角传感器的光学结构和原理。最后从整体上介绍了该传感器图像处 理子系统的硬件组成及软件设计方案。 第三章高精度圆环检测算法，详细介绍了高精度的圆环检测算法、标定 算法。该算法的理论工作由王晓嘉博士完成，陈果硕士将其移植入d m 6 4 x 系列 d s p ，并做了大量优化工作。本文介绍了在系统级调试下对原有算法的改进工 作，以及在标定条件下的亚像素级圆环检测算法的嵌入式实现。 第四章平台软件设计与实现，阐述了软件系统的构成和各部分模块的组 成，主要分为两个部分：嵌入式软件部分，包含了驱动、算法和流程；另一个 是终端控制软件部分，主要介绍了各个系统组成模块功能，并针对二次开发对 原有系统进行的升级和改进。 第五章为了测试整个实验环境，对系统进行了各类试验。试验从算法的 精度、通讯鲁棒性和表面检测三方面展开。 第六章总结和展望，既是对本文工作的一个小结，同时也分析了现有系 统的不足，并提出了相应的改进措施和手段。 第二章旋转对称激光三角传感器 2 i 檄光三角法介绍 如绪论所述，激光i 角法以光学特征为测黾手段，是一种腆型的非接触式 位移测量技术，其 - 要优点为：具有大的测量距离和人的测量范围，测量结构 简单，测量速度快对待测表面要求低。它被广泛应用于并种几何参数检测、 表岍形貌测量、i 维建模和逆向工程等方面【2 ，2 ”。 在激光三角法基础l ，德同的o t t 教授创造性地发明了一种新j 弘的摹r 两 个镜的光学系统，进而实现了能够采用低价检测器的旋转对称光学= 角传感 器”“。这种利用通月；光学没计的新型光学结构较之原有设计方案能够提供更多 设计自由皮，并能更好的纠j f 偏差 2 1 。 2 1i 传统型激光三角传感器 传统型激光三角传感器也称为标准犁激光二角传感器9 2 02 32 ”。在传统的 激光i 角传感器中，通过像移和实际位移之间的关系式，真实的物体位移u ，以 由对像移的检测和计算得到。图2 - 1 ( b ) 详细说明了激光二三角法的测最原理。 其中，a 足投影光轴与成像物镜光轴的夹角：芦是光电探测器受光面与成像物 镜光轴的夹角；l n js 和s 分别是物距和像距；d 是化感器上的成像点的偏移； 而d 为实际的物体表面的偏移。图2 1 ( a ) 足个简要的图示，直观给出了光 斑随着被测物体移动而在c c d 上发牛成像偏移，阿2 - 1 ( c ) 是采川该原弹的 测距仪实物图。 耪 影+ 二。 - 目。 豳2 1 激光二三角传感器原理i 冬】及实物h 这种该估感器+ 要组成部分为：光学成像单元，图像采受单元和处理啦元。 光学成像单元的般构成为结构光源、激光准直系统，成像系统。结构光 源粟h j 的足激光二极管，它具有体积小、重量轻等特点。准直系统可以采用准 直透镜、光纤自准直棒等。 图像采集单兀可选类型较多，如电荷耦合成苏器什( c h a r g ec o u p l e d d e v i c e ，c c d ) 、互补性氧化金属半导体( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ，c m o s ) 抑或位置敏感器件( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e v i c e ，p s d ) 。 由于p s d 在检测两个光点时存在输出错误的情况，故一般采用c c d 或c m o s 。 c c d 的优势在于较高的成像质量，不过其输出量为模拟信号，需要单独为其配 置a d 转换电路；c m o s 的成像质量略低于c c d ，但响应速度、成像面积均优 于c c d ，并且输出已经为数字信号，为后期处理带来一定优势。当下工业检测 中实际使用的图像采集单元以线性c c d 居多。 处理单元总体上可分为两类，独立处理单元或者集成于光学系统之中，前 者典型如利用图像采集卡获取传感器数据，后期处理交由p c 机进行；后者即 采用合适的嵌入式处理器直接做算法集成，节省了单独处理带来的投入。 2 1 2 缺陷检测缺点 随着测量技术要求的不断提升，对于测量精度的要求也越来越高，位移检 测技术己开始向微米级过渡，开发出更加快速、高精度的测量系统已成为必须。 然而，传统三角测量系统已无法有效满足测量要求，它最大的缺点是方向 依赖性【1 , 2 , 1 3 , 1 4 ：当物体表面不具有各向同性的散射特性时，传感器就将无法工 作。典型的例子如图2 - 2 所示，当激光扫描到沟槽中时，由于散射光线被物体 台阶表面所遮挡，致使接收器无法检测到信号。导致传感器在某些位置上失效， 产生诸如鬼影、光带缺失等缺陷导致无法测量图形，严重影响测量效果。 图2 2 遮挡阻碍了测量 2 2 一些改进型激光三角传感器 一种有效地解决方法即将单向点成像改为多方向成像，由于遮挡只可能发 生在某一特定位置，多方向光迹即使在某方向( 或某段范围内) 无法获得聚焦， 也可由其它方向的聚焦加以弥补。简单的说就是信息的来源由单向变为多向。 大量的实验工作集中于在同一光学系统中集成更多激光器或检测器【27 。在 文献【67 j 中介绍了一种集成4p s d 的光学传感器，可用于测量位移和倾角，在其 8 0 。测量范围内，误差为3 。；文献【6 引给出了一种5p s d 的设计，不过尚 处于构想阶段，并未做成可供测量的工程样品；拥有6 个p s d 的经济型激光三 角传感器在文献【2 4 】中有介绍，同时该文献也对比得到具有4 6 p s d s 的传感器测 量误差大致在5 0 u m ，这主要源于p s d 器件在其感光区域的非线性特性造成。 除此之外，也有使用线性c c d 作为检测器的激光三角测距设备。文献m 1 中介绍了一种用于自由表面建模的数控机床它集成，非接触式3 d 数字式激 光传感器，并采用了3 个线性c c d ( 7 u m 2 5 6 0 口& e s ) 作为图像传感器。日本 的k e y e n e e 2 2 1 公司研制出了一种超高精度激光位移测距装置l g g 1 0 g 15 它 使用的是线性c c d ，像产品已用于商业用途。 2 3 旋转对称激光三角传感器 以r 这些改进方案大多从增加光源数量，或增加信号接收设备( 如c c d 、 c m o s 、p s d ) 等方面八手。虽然测晕精度得到了很大提高，并且从定程度 上克服了传统激光二角传媾器的缺陷，但是设计成奉也有了数倍的攀升。而且 多光源、镜头的设计要求这此成像设备精确校准，安放位置达到准确的空间对 称，加大了实际测量难度。一种单光源和传感器设计方案将会有极大市场竞争 力。旋转对称式光学设训，为此带来了彻底的解决途径。如今市面上也有部分 旋转对称光学设备，如以色列n e x t e e h 公司b w e i s s 提出的折射式光学系统】， 又如w o l f & b e c k 公司摹于折射原理的o t m 系列传感器p q ( 图2 3 ) 豳2 - 3 德国w o l f & b e c k 公司o t m 专感器 该传感器使用了大面积的旋转对称p s d 作为其信号检测设备。该类型传感 器具有两个卡要问题：i 采用了大面彰 的专用耶彤检测器以搜特殊的光学器件； 2 其透镜的要求使其设计无法采用通用的光学设计。以f ：两个问题都导致，该 系统是个昂贵的系统。 针对这利叶占况，米白德园h e i l b r o n n 大学的p e t t o t t 教授提出并设计了基于 两个反射镜面的光学系统，它能够比个反射而提供更多设计自由度并更好的 纠正偏差。这种采川通用光学设计的旋转对称式激光三角传感器不但克服了原 有激光i 角法遮挡问题，同时有效降低了光学设各生产费用。 231 光学结构及上作原理 由p e t to t t 教授设计的传感器光学设计原弹相当r 在物体周围加入无数单 激光三角传感器，图2 - 4 是该传感器的光学轨迹示意图。 曩 r + t 一目# 移 七? ：f 么h 女自 幽2 - 4 具= f ；旋转别称特性的激光角传甚器光学原理 在物体表而的每缕反射光线通过反射镜组，会任检测器上得到一个被测点。 若被检测物体表发牛高度变化( 如图由蓝点变到绿点) ，则检测器上的映射点 发申水1 r 方向移动，南r 反射镜组为环形设计，故最终会在检测器上形成一个 圆环图像。利用这种方式，检测器与物体表的高度被巧妙的映射为圆环半径 i - 2 15 - 17 , 检测位移的问题也就随之转变为如何精确获收圃环半径问题。 2 32 两代传感器 以此为理论基础，在两次中德合作项月中，诞生了两代旋转对称式激光三 角传感器：基j 自由镜面的旋转对称光学距离传感器( 在本文- ，将该传感器简 称为r s t s ) 和集成视觉的增强型光学传感器( 存本文中将该传感器简称为 r s t s p r o ) 。这两个传感器的激光输出和光学设计部分是由德国h e i l b r o n n 大 学光学实验室设计并实现的，而传感器信息处理部分( 实际r 被集成到了处坤 系统这个模块上) 是由中方合肥t 业大学圈像与智能信息处理研究审设计并 实现的。 图2 - 5 所不为第代传感器原型幽及其光学成像图。 幽2 - 5 旋转激光二角传感器实物削发戚像幽 该传感器由四大部件组成： 1 激光光源：选用了o p n e x t 公司的激光二极管h l 6 3 3 1g 产牛点光源。同时 采用一个凸透镜进行激光聚焦和准直，并采用一个光阑实现对光斑大小的 控制。 2 光学系统：采用了双次反射的光学设计。 3 反射镜：半透半反的4 5 0 放置平面镜，实现光路的转折。 4 检测器：采用的是m v l 0 0 0 彩色c m o s 传感器。 其光学设计特点是，能够克服表面遮挡和具有不同反射特性的被测物体表 面对激光三角传感器的不利影响；在同样几何布局的条件下，可以得到更高的 精度，为传统激光三角测量的4 6 倍；光学系统设计简单，很容易加工。 通过大量的实验和理论验证了该旋转对称原理的可行性，并且也获取了该 套系统的设计指标和运行参数。然而，这一代的传感器毕竟是个工程样品，体 积庞大，结构松散，处理速度极为缓慢( 在p 42 0 g h zd d r l1 g 的实验用机上 只达到了5 帧秒的处理速度) ，性能无法达到工业在线检测目的。因此，在第 二期的合作中，诞生了第二代集成视觉的增强型传感器。新传感器摒弃了反射 式光学结构，并且集成了信号处理单元。本文的工作重心即是该传感器的信号 处理单元以及其上的软件系统设计。 r t sp r o 的光学设计由测量和视觉两部分组成，为了减小光学系统的体积 和重量，新的传感器采用了折射式的光学设计。系统光学结构如图2 - 6 所示。 测量系统和视觉系统采用了不同波长的可见光作为传播介质，测量系统使用红 光，而视觉系统使用蓝光。在光学系统中，使用了一片带通滤光片用于分离光 学系统中两个部分的光线，该滤光片对入射激光( 波长九= 6 3 2 8 n m ) 完全反射， 而对5 5 0 n m 以下波长的光束有很好的透射度，因而采用了蓝色的l e d 作为视 觉系统的照明光源。通过在系统周围均匀布置环形的l e d 照明可以使图像传感 器得到一个均匀明亮的图像【4 】。因此，如图2 6 所示，被物体反射的蓝光可以 通过中轴线上的镜片组从而进入成像传感器( 图2 6 中蓝色光路所示) ，而由被 测物体反射的激光只能通过视觉系统( 中轴线外围的光学系统) 进入图像传感 器( 图2 6 中红色光路所示) 。 图2 - 6 新一代旋转对称激光三角传感器光学原理 位于中轴线上的视觉系统采用了反远距式的光学设计4 1 ，其视野比第一代 传感器有所提高。在最后的实现中，将测量系统的光学设计和视觉系统光学设 计共同实现到了两片光学镜片的不同部分，两片镜片的外围环形部分为测量光 学部分，而中心部分则是视觉光学部分。虽然目前光学镜片的加工成本较高， 但由于光学系统的简单实现( 整个系统仅由两片镜片组成) ，因此从工艺上来讲， 一旦设计定型，大批量生产完全可以采用模具冲压加工，这将使光学系统的成 本大大降低，每片仅需5 0 元人民币1 4 j 。 2 4新传感器图像处理子系统结构 传感器的光学结构千差万别，然而信号处理子系统却具有相对独立性，可 以脱离于光学设计单独考虑。其核心算法旨在高速、精确的求解圆环图像参数， 同时完成数据通讯功能。 第一代光学传感器信号处理系统主要由p c 机完成数据采集、信号处理、 机械控制等任务。新一代r s t s p r o 的信号处理子系统采用了嵌入式设计方案。 考虑到实时在线检测需求，硬件平台选用美国德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ，t i ) 公司的t m s 3 2 0 c 6 4 x 处理器【4 6 】作为核心处理单元。它是c 6 0 0 0 器件平台的一员， 使用高级超长指令集( a d v a n c e dv e r yl o n gi n s t r u c t i o nw o r d ，v l i w ) 架构【4 6 1 ， 通过增加指令级并行性，在单个时钟周期执行多条指令获得比传统设计更高的 性能。以下是该处理器的特性，材料来自t i 官方文档： 2 一，1 6 7 ，1 3 9 n s 指令周期； 5 0 0 一，6 0 0 一，7 2 0 m h z 时钟频率； 每周期执行八条3 2 位指令； 4 0 0 0 5 7 6 0m i p s ； 1 2 8 k b i t ( 1 6 k b y t e ) l 1 p 程序缓存，1 2 8 k b i t ( 1 6 k b y t e ) l 1 d 数据缓 存，2 m b i t ( 2 5 6 k b y t e ) l 2 通用缓存。 同时，该处理器具有丰富的外设资源【4 6 1 ，如增强型直接内存管理( e d m a ) 、 10 10 0 m b s 以太网接口( e m a c ) 、m d i o 、多通道音频接口( m u l t i c h a n n e la u d i o s e r i a lp o r t ，m c a s p ) 、三通道视频口( d m 4 3 为双通道) 、1 2 c 总线接口、h p i 、 p c i 、u s b 等。极高的处理速度，同时具备高速的视频接口使t m s 3 2 0 c 6 4 x 成 为图像处理极佳的嵌入式平台；具有u s b 和以太网接口也为数据传输带来了极 大的便利。 本系统的硬件平台完全由实验室自主开发，以d m 6 4 3 为核心处理单元，硬 件设计由实验室另一位同学完成，这里仪简要说明一下系统硬件组成，见图2 7 ： h2 7 系统处理单元埂忭组成结构 数据采集使用的是m i c r o n 的m t 9 t 0 0 lp 1 2 s t cc m o s ，最高支持二二百万像 素b a y e r 格式采集。 s d r a m 作为程序的运行空间和数据存储地址同时兼有速度和稳定性要求。 摄终选用的是h y n i x 公司的h y 5 7 v 2 8 3 2 2 0 ( l ) t ( p )