（机械制造及其自动化专业论文）鲁棒式融合型光纤接近觉距离方位集成传感技术研究.pdf

摘要 机器人的智能依赖于信息，信息的获取手段一一传感技术已成为智能技术的 关键。接近觉介于视觉和触觉之间，不仅可以测量距离和方位，而且可以沟通视 觉和触觉传感器的信息，在机器人基于传感信号控制中有着重要作用。本论文以 “鲁棒式融合型光纤接近觉距离方位集成传感技术研究”为题，对机器人传感理 论和技术的发展甚至推动智能机器人的应用，具有重要学术价值和实际意义。本 课题是国家自然科学基金高技术探索项目( 6 9 7 8 5 0 1 0 ) “机器人补偿型光纤接近觉 距离方位复合传感新技术研究”的一部分，同时也得到教育部光电技术及系统重 点实验室基金( c e t d 0 0 - 0 8 ) 和2 0 0 3 年度访问学者基金的资助。 本论文研究一种鲁棒式融合型机器人光纤接近觉距离方位集成传感系统，以 实现较大的测量范围、较高测量精度和可靠性为目标。主要包括：推导光纤接近 觉传感单元在任意测量姿态下的光强耦合通用计算公式，为建立光纤接近觉传感 结构的数学模型提供了理论依据；创造性地提出一种新颖的鲁棒式融合型光纤传 感头结构，实现任意测量姿态的距离方位传感集成，具有对表面反射率、光源光 强、光电器件特性漂移等参数变化的补偿能力，提供较多信息冗余；通过对融合 型接近觉传感器的补偿机理深入分析，获得传感器的实现网络补偿方法的条件， 创造性地提出最大值参比的双光路补偿法，并从数学上证明最大值参比比传统固 定参比的鲁棒性更强；提出时域下基于s s p a 的取样积分和频域下基于相关滤波 的光强检测新方法，达到很好的噪声抑制效果，这些方法对光强探测技术具有普 遍的指导意义；提出通过光源输出光功率适度控制和相关运算序列长度可变的方 法，提高光纤传感系统的测量范围；针对光纤接近觉传感器数学模型复杂难以实 时求解的问题，提出通过b p 网络分割、输入输出变量区间划分的改进b p 网络 算法，提高了传感系统的动态特性、补偿性能和测量精度；通过网络、信息冗余 的传感融合结合，改进传感融合精度；根据遗传算法的特点，将遗传算法应用于 b p 算法训练中，大大提高遗传- - b p 训练的收敛速度；设计了以d s p 为核心的智 能传感信号检测和处理系统，简化硬件结构；研制一种新颖的输出电流可调制智 能l d 驱动电源，有多种输出波形可以选择，工作频率范围为o 0 1 h z 3 0 0 k h z ， 通过键盘可以改变电源参数，提供网络接口实现电源远程控制；开拓性地提出了 一种由定时器、d m a 控制器和m c b s p 协调完成的后台信号采样方法，实现信 号采样和信号处理的并行工作，大大提高了系统的实时性。 实验结果表明，本文研制鲁棒式融合型光纤接近觉传感系统与前期研究的四 眼传感系统相比：距离测量范围从原来的05 1 83 m m 扩大为0 1 1 99 m m ；方 位测量范围为o 2 5 。；每点测量时间由原来的5 0 0 m s 缩短为9 25 m s 。在01 4 9 r a m ，- 1 0 + 1 0 。范围内，最大的测量误差分别为0 2 9m m 和0 4 8 。若对传感 系统算法和代码进一步优化，测量时间将会更短；如果有更多的样本训练，相信 会取得更好的测量效果。研究结果表明，本论文提出的鲁棒式融合型机器人光纤 接近觉距离方位集成传感技术是可行的，具有实际推广价值。 关键词：机器人：光纤传感器；接近觉传感器；b p 神经网络；数字信号处理器。 a b s t r a c t t h ei n t e l l i g e n c eo fr o b o td e p e n d so nt h ei n f o r m a t i o n ，t h es e n s i n gt e c h n o l o g y ， m e a n so fi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ，i sc r i t i c a lf o ri n t e l l i g e n t t e c h n o l o g y p r o x i m i t y s e n s i n g ，w h i c hb r i d g e sv i s u a l a n dt a c t i l e s e n s i n g ，c a nm e a s u r eb o t hd i s t a n c ea n d o r i e n t a t i o n ，p l a y sa ni m p o r t a n tr o l e si n r o b o tc o n t r o lt h a tb a s e do ns e n s i n gt h i s p a p e rs t u d i e st h et o p i co f s t u d yo nr o b u s tf u s i o no p t i c a lf i b e rd i s t a n c ea n do r i e n t a t i o n i n t e g r a t e dp r o x i m i t ys e n s i n gt e c h n o l o g y ”，w i l lp u s hf o r w a r dt h ed e v e l o p m e n to fr o b o t s e n s i n gt h e o r ya n dt e c h n o l o g ya sf o rt h ea p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n tr o b o t ，a n dh a v e i m p o r t a n tl e a r n i n gv a l u ea n dp r a c t i c a lm e a n i n g s t h i st o p i ci sp a r to ft h ep r o j e c t “s t u d y o fr o b o t c o m p e n s a t i o no p t i c a l f i b e rd i s t a n c ea n do r i e n t a t i o n i n t e g r a t e d p r o x i m i t yn e ws e n s i n gt e c h n o l o g y ”，w h i c hi ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no f c h i n a ( 6 9 7 8 5 0 1 0 ) t h i st o p i ci sa l s os u p p o r t e da n dt h ek e yl a b o r a t o r y f o u n d a t i o n ( c e t d 0 0 0 8 ) f o ro p t o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y s y s t e m o ft h e m i n i s t r y o f e d u c a t i o na n dt h ev i s i t i n gs c h o l a rf o u n d a t i o ni n2 0 0 3 s t h i s p a p e rs t u d i e s ar o b u s tf u s i o nf i b e r p r o x i m i t y d i s t a n c ea n do r i e n t a t i o n i n t e g r a t e ds e n s i n gs y s t e m ，t h ea i mo fr e s e a r c hi st oe n l a r g et h em e a s u r e m e n tr a n g e a n de n h a n c et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y d e d u c e dt h eg e n e r a ll i g h t i n t e n s i t yc o u p l i n ge q u a t i o n f o r o p t i c a l f i b e r p r o x i m i t ys e n s i n g u n i tu n d e ra n y m e a s u r e m e n tp o s e ，w h i c hp r o v i d e st h e o r yb a s ef o re s t a b l i s h i n gt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo f o p t i c a lf i b e rp r o x i m i t ys e n s i n gs t r u c t u r e c r e a t i v e l yb r o u g h tf o r w a r dan e w r o b u s tf u s i o n o p t i c a l f i b e r s e n s i n gs t r u c t u r e ，w h i c hc a nr e a l i z et h ed i s t a n c ea n d o r i e n t a t i o n i n t e g r a t e ds e n s m g i n a n y m e a s u r e m e n t p o s e ，a n d c a n c o m p e n s a t e p a r a m e t e r sf l u c t u a t i o nc a u s e db yt a r g e ts u r f a c er e f l e c t i v i t y ，i n t e n s i t yo fe m i t t e ra n d c h a r a c t e rs h i f t i n go fp h o t o e l e c t r i cc o m p o n e n t ，a n do f f e rm u c hm o r er e d u n d a n c y i n f o r m a t i o n b yd e e p l ya n a l y z i n gt h ec o m p e n s a t i o nm e c h a n i s mo ff u s i o np r o x i m i t y s e n s o r ，t h en e t w o r kc o m p e n s a t i o nc o n d i t i o nf o rs e n s o ri s a c h i e v e d ；am a x i m u m v a l u er e f e r e n c em e t h o df o rd o u b l eb e a mw a y l i g h tc o m p e n s a t i o ni sp r o p o s e d ，a n d t h ec o n c l u s i o nt h a tt h em e t h o di sm o r er o b u s tt h a nt h et r a d i t i o n a if i x e dr e f e r e n e e m e t h o di s t e s t i f yi nm a t h e m a t i c ；t w on e wl i g h ti n t e n s i t yd e t e c t i n gm e t h o d sa r e p r e s e n t e d ，o n eb a s e do ns s p as a m p l i n ga n di n t e g r a t i o ni nt i m ed o m a i n t h eo t h e r b a s e do nc o r r e l a t i o nf i l t e r i n gi n f r e q u e n c yd o m a i n ，t h e s em e t h o d sc a ne f f e c t i v e l y r e s t r a i nn o i s ea n db e a p p l i e d i nc o m m o nl i g h t i n t e n s i t yd e t e c t i n gt e c h n o l o g y m e t h o do fm o d e r a t e l yc o n t r o l l i n gt h eo u t p u tp o w e ro fl i g h ts o u r c ea n da d j u s t i n g c o r r e l a t i v ec a l c u l a t i o ns e r i e sl e n g t hi s p r o p o s e dt oe n l a r g et h eo p t i c a lf i b e rs e n s i n g s y s t e m sm e a s u r i n gr a n g e t h eo p t i c a lf i b e rm a t h e m a t i cm o d e lo f p r o x i m i t ys e n s o r i sv e r yc o m p l e xa n dh a r dt os o l v eo nl i n e a nr e a lt i m ed a t a p r o c e s s i n gm e t h o db a s e d o ni m p r o v e db pn e t w o r ka r i t h m e t i ci sp r o p o s e d ，w h i c h p a r t i t i o n st h et w oo u t p u tb p n e t w o r ki n t ot w os i n g l e o u t p u to n e ，a n dd i v i d e st h ec o m p l e t en e t w o r ko p e r a t i o n r a n g e i n t os e v e r o v e r l a p p e ds u b r a n g e s ，t h u s t h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ， r l l c o m p e n s a t i o nc a p a b i l i t ya n dm e a s u r i n ga c c u r a c yo fs e n s i n gs y s t e m i se n h a n c e d ，a n d b yu s i n gr e d u n d a n t n e t w o r ka n di n f o r m a t i o n ，t h ea c c u r a c yo fs e n s i n gf u s i o ni s i m p r o v e d ；a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fg e n e t i ca r i t h m e t i c ，t h i sp a p e ra p p l y i n g t h eg e n e t i ca r i t h m e t i ct ot h eb pn e t w o r kt r a i n i n ga n ds o i m p r o v e dt h e g a - b p t r a i n i n g sc o n v e r g e n c es p e e dg r e a t l y a ni n t e l l i g e n ts i g n a ld e t e c t i n ga n dp r o c e s s i n g s y s t e mb a s e do nd s p i s d e s i g n e d ，t h es t r o n gd i g i td a t ap r o c e s s i n gp o w e ro fd s p m a k et h es y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r es i m p l i f y an o v e li n t e l l i g e n tl a s e rd i o d e ( l d ) d r i v e rt h a tc a ng e n e r a t em u l t i - w a v e f o r m sf o r t h em o d u l a t i o no fd r i v ec u r r e n ti sd e v e l o p e d ，t h ew o r k i n gf r e q u e n c yo fd r i v e rr a n g e f r o mo0 1 h zt o3 0 0 k l - i z ，t h r o u g hk e y b o a r di n p u t ，t h ep a r a m e t e ro fd r i v e rc a nb es e t a n dt h en e t w o r ki n t e r f a c em a k e si tp o s s i b l et oc o n t r o lr e m o t e l y ；ab a c k g r o u n ds i g n a l s a m p l i n g m e t h o d ，w h i c hc o o r d i n a t e st i m e r , d m ac o n t r o l l e ra n dm c b s p , i s c r e a t i v e l yp r o p o s e d ，i nt h i sw a yr e a lt i m ec h a r a c t e r i s t i co f t h es y s t e mi s i m p r o v e d g r e a t l yb ym a k i n gs i g n a ls a m p l i n ga n dp r o c e s s i n gc o n c u r r e n t l y t h ee x p e r i m e n t a t i o nr e s u l ts h o w st h a t ，c o m p a r e dt o q u a d - e y es e n s i n gs y s t e m s t u d i e d p r i o r ，t h em e a s u r i n gr a n g eo ft h e r o b u s tf u s i o n o p t i c a l f i b e r p r o x i m i t y d i s t a n c ea n do r i e n t a t i o ni n t e g r a t e ds e n s i n gs y s t e ms t u d i e di nt h i sp a p e ri s e n l a r g e d f r o mo 5 1 8 3 m mt o01 1 9 9 m m ，t h eo r i e n t a t i o nm e a s u r i n gr a n g eo f t h es y s t e m i s 0 - 2 5 。，a n dt h em e a s u r i n gt i m ei s s h o r t e n e df r o m5 0 0 m st o9 2 5 m s w i t h i nt h e r a n g eo f0 1 - - 4 9 m m ，一l o + 1 0 。t h em a x i m u mm e a s u r i n ge r r o ri s 0 2 9m ma n d o 4 8 。r e s p e c t i v e l y i ff u r t h e r o p t i m i z i n g o f s y s t e m a r i t h m e t i ca n d c o d e t h e m e a s u r i n gt i m ew i l lb es h o r t e r , a n dt h em e a s u r i n ge f f e c tw i l lm u c hb e r e ri fu s i n g m o r es a m p l ed a t at ot r a i nt h en e t w o r k ，t h es t u d y i n gr e s u l t sp r o v e dt h a tt h er o b u s t f u s i o no p t i c a lf i b e rp r o x i m i t yd i s t a n c ea n do r i e n t a t i o ni n t e g r a t e ds e n s i n g t e c h n o l o g y i sf e a s i b l ea n dh a s p r a c t i c a lp o p u l a r i z e d v a l u e k e yw o r d s ：r o b o t ；o p t i c a lf i b e rs e n s o r ；p r o x i m i t ys e n s o r ；b pn e u r a ln e t w o r k ； d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特j j ) j l l 以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：了、p 荡婚聚日期：蠢阳3 年衫月? 日日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分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和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密瞰 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：7 、p 乡永幂、 导师签名：湃，订移眨 1 日期：文闻b 年月1 9 日 e t 期：扣吣弭月。日 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 随着机器人技术的发展。其应用范围日益广泛，要求它能从事越来越复杂的 工作，对变化的环境有更强的适应能力，能进行更精确的定位和控制，按照其功 能已经发展到了第三代机器人( 即智能机器人) 。智能机器人具有自学习、自判断 和自决策等智能，机器人所需的各种信息，必须要通过各种传感器来获取，因而 这一代机器人需要有更多的、性能更好的、功能更强的、集成度更高的传感器。 近年来国内外对机器人感觉的研究，重点集中在机器人视觉、接近觉和触觉 三个领域。虽然视觉提供周围环境信息的广度较高，但会由于环境照度不足或 视觉被操作手挡住等原因而难以得到所有信息。触觉虽然能弥补其不足，且能提 供视觉无法获得的力反馈信息，但在不允许或无法接触目标物体的情况下，它就 无法发挥作用。接近觉传感器作为机器人感知外部环境的非视觉和非接触感官， 晃于视觉和触觉之间，可部分代替视觉和触觉传感器在机器人获取周围环境信息 时的作用，而且可以沟通视觉和触觉传感器的信息，在机器人基于传感器信号控 制中有着特殊作用“1 。其主要功能有：在运动过程中，检测机器人手腕附近的障 碍，避免发生碰撞；获取目标的表面信息，判断其形状、大小及方位，以便确定 机器人接近或抓取目标的速度和方向；在与环境接触前获取环境信息，为机器人 对环境的判断和决策提供依据：为机器人作业提供某些特殊服务，如寻找加工位 置，测量孔深等。 由于接近觉传感器在机器人传感技术中起到不可缺少的地位。本论文研究一 种鲁棒式融合型机器人光纤接近觉距离方位集成传感系统，深入探索以d s p 为 信号处理器的一些相关技术，从而实现较大的测量范围、较高测量精度和可靠性， 这对机器人传感理论和技术的发展甚至推动智能机器人的应用，具有重要学术价 值和实际意义。本课题是国家自然科学基金高技术探索项目( 6 9 7 8 5 0 1 0 ) “机器人 补偿型光纤接近觉距离方位复合传感新技术研究”的一部分，同时也得到教育部 光电技术及系统重点实验室基金( c e t d 0 0 0 8 ) 和2 0 0 3 年度访问学者基金的资助。 1 2 论文研究的国内外现状 国内外对机器人接近觉传感器的研究，根据其传感测试的目标，主要在三个 传感方式展丌，即：距离型传感方式、方位型传感方式、距离方位集成传感f 即 复合型1 方式。 ：些查堡! ：叁耋l ：耋匡圭耋丝垒塞 一： ： 1 2 1 距离型接近觉传感方式 用于近距离测量的传感器种类繁多，如果根据它们的工作方式进行分类，可 分为气压式、电容式、超声波式、磁感应式、光电式等。表1 1 列出了不同原理 距离接近觉传感器的性能。 表i i 不叫原理距离接近觉传感器的性能对比 t a b1 - it h ep e r f o r m a n c e so f p r o x i m i t ys e n s o r sb a s e do nv a r i e dp r i n c i p l e 种类气雕式电容式磁感戍式超声波式光电式 测量范 伺 1 0 4 0 5 0 3 0 0 ( m m l 测量精度 l - 0 5 卜05 0 l - 00 5 i 05 气压式”1 的传感原理是使压缩空气通过喷嘴向外喷发，当靠近物体时由于气 流的减速将产生一个逆气流反压，通过检测逆流反压来获得距离信息。其特点是 原理简单，易于实现，尤其适用于测量微小距离( o 1 1 0 m m ) ，对象物可以不是 金属物体，但传感器结构复杂，不适合于小物体的测量。 电容式”“1 可分成平行板和边缘电容原理两种基本类型，它能对多种金属、非 金属及人体等生物组织进行测量，使用范围较广。不足之处是易受周围环境的影 响，测量范围较小，当距离变化稍大时，灵敏度将急剧下降( 文献 9 】对边缘型电 容接近觉传感器结构进行改进，利用微机电技术，使传感器具有柔性的尺寸、柔 性的传感模式，其尺寸甚至可降低几个数量级，测量范围可从微米到几厘米1 。 超声波式”o 的传感原理是将超声波以脉冲的形式朝着对象物发射，根据接 收信号的滞后时间，就可测出距离。这种传感器特别适用于水下机器人稍长距离 几十毫米到几十米的测量，在空气中如果提高超声波的频率，则会加剧衰减，难 以提高分辨率，并且空气的温度、湿度、被测对象表面的反射率等都会影响传感 器的性能”“。( 日本东京大学的s a s a r k i ，d a k e r o 等学者研制了一种改进后的超声 波距离传感器，该传感器由步进电机带动，可进行9 0 0 旋转扫描，得到二维图 象，实现位置探测，在最小探测距离和精度上均有所突破) 。 磁感应式”“”1 传感器包括舌簧开关、基于霍尔效应的磁敏开关和利用涡流现 象的电涡流传感器。这种传感器的特点是不受热、光、对象物体表面的影响，能 够实现小型化、轻量化，精度较高，但只能用于金属材料( 材料种类的影响很大) ， 并且有效作用距离只有几十毫米。以金属表面为对象的焊接机器人大多采用磁感 应式。文献【1 3 介绍了一种利用涡流效应的接近觉传感器，在2 0 0 0 c 以下时，其 测量范围为o 8 r a m ，精度小于4 。北京理工大学研制的一种电涡流传感器”1 ， 从精度上看，已达到接近觉传感器要求。 光电式”。1 主要有以下三种测距方法： 基于三角法测距德国达姆斯达 特控制系统理论实验室的学者e e r s u e 和 g k e g e l 研制了一种基于三角原理的接近觉传 感器，用于智能机器人手爪上，能够进行距离 探测”。三角测量原理如图1 1 所示，测得目 标距离z 为： z = b h x ( 1 1 ) 距离灵敏度为：豳1 - 1 三角测距原理 s ：竺：娑( 1 2 ) n 8 1 1 强“印1 蜘衄吣 缸z 2 j 由( 1 2 ) 式可见，基于三角测量原理的主要问题是距离灵敏度与距离z 的平方成反 比，这将限制传感器的动态范围，否则传感器的尺寸会很大”。2 。2 ”。 基于相位法测距基于相位法测距的基本原理是调制光源发出频率很高 的调制波，根据接收器接收到的反射光的相位变化来计算距离。光源多采用红外 光，具有价格便宜，受目标反射特性的影响较小等特点。但电路复杂，精度不如 三角法测距高，并且在较大距离时其精度相当低。 基于光强法测距基于光强法测距的基本原理是把一束具有一定光强的 光照射到被测物体表面，通过测量被河表面的反射光的强度来确定接近距离。英 国威尔士大学的y f l i 研制的一种基于光强调制原理的接近觉传感器”9 圳，其光 强调制公式为： y = 籍( 1 一c o s 6 屈) + b( 1 3 ) 其中，y 为发射光和接收光信号之间的调制函数，d 为传感器与被测表面的距离， y ，为取决于传感器和被测表面光度特性的参数，屈为传感器结构参数，b 为传感 输出的补偿参量。 在y 。，屈，b 确定的情况下，调制函数为d 的函数。实际上，如果被测表面 的颜色、方位和光源信号强弱不同，几，屈，b 要相应地改变。在知道y 。，声。， b 的情况下，传感器可以达n 0 ，0 2 m m 的精度，但这会给传感器增加附加条件。 基于光强调制原理的接近觉传感器，容易受表面反射特性变化及光源光功率 变化的影响，通常在较大距离其测量精度相当低”4 “1 。 1 2 2 方位型接近觉传感方式 方位传感器可以测量物体表面相对于操作手的相对倾角，方位型传感器主要 为光电式。日本长崎大学的m a s a f u m oi i o 等人设计的方位传感器包括激光光源、 衍射镜、分光镜、扫描仪和图象探测器等组件1 。激光经过衍射镜形成两柬垂直 光束，经过分光镜，一束照到物体上，一束照 到操作手反射镜上，再经调整光路，当探测器 获得最大光强时，即可测得操作手相对于物体 的方位。对其加以改进还可测量三维位姿。 加拿大多伦多大学o p a r t a a t m a d j a 等人 研制的一种光电式方位传感器”2 1 ”1 ，采用“个” 字型结构，如图1 2 所示，光束沿发射光纤发 出，由左右两根接收光纤接收，其原理是接收 接收光纤 入射光纤 接收光期 图1 2 方位传感嚣 f i g i - 2t h eo r i e n t a t i o ns e n s o r 极的输出电压与倾角y 近似成线性关系。合理选择e 和a 值，可以使传感器达到较 大的灵敏度和最大的输出电压，并且能在2 0 。+ 2 0 0 范围内有效工作，而不受传 感器与物体间距离( 5 1 0 r a m ) 影响。经标定的传感器样品，对于9 9 9 的置信区 问，测量精度为o 5 。 1 2 3 距离方位集成型接近觉传感方式 距离方位集成型传感器能同时测量操作手相对于对象物体的方向和距离。这 类传感器的按照工作方式来分主要有超 声波式和光电式两种。 瑞典l i n k o p i n g 大学的p h o l m b e r g 研制了一种超声波式距离方位集成传感 器”“，其原理如图l - 3 所示。o 点处为 一个超声波发射器，a 、b 、c 处分别为 超声波接收器，沿圆周均匀布置。通过 测量三个接收器接收反射信号的时间长 短来计算出传感器相对于物体的方向和 距离。当距离测量范围在5 o 6 0 0 m m 时，误差小于- + 0 5 m m ；但方位测量范围 只有1 0 。，误差为1 。该传感器由于需 要利用声速进行测量，所以易受温度和 气流的影响；另外传感器的整体尺寸较 大，直径达5 0 m m 。 按传感原理光电式距离方位集成传 接近觉感器与光电式距离接近觉传感器 一样，主要可以分成三类： 基于三角测量原理 图l _ 44 六眼”接近觉传感器的结构 f i g1 - 4c o n f i g u r a t i o no f h c x e y eo p t i c a l k a n a d e h 与s o m m e r ，k a n a d e 与 年。i m i t y ”8 3 ” f u h r m a n 在个光探测器的周围安装多个光源，使得在被测表面上获得多个测量 4 光点，基于三角测量方法可同时测得距离和方位”“。l e e ”“研制了“六眼”传感 器，把三角原理和高斯透镜定理结合起来，希望克服单用三角测量原理导致大尺 寸范围比的缺点，并能同时测量距离、方位和局部曲率，其结构如图l 一4 所示， 其中s k ( k = 1 ，7 ) 为传感单元，u k ( k = 1 ，6 ) 为方位测量单元( o m u ) ，一个o m u 由三个传感单元组成。每个传感单元的形状是六棱柱，由四个主要元件组成：一 个透镜，一个锥形镜，六个线状接收器均匀分布在六棱柱的每一边和个用作光 源的激光二极管。“六眼”有两种工作模式：距离测量模式和方位测量模式。在 距离测量模式中，其中一个传感单元光源在被测表面上产生一个光斑，而所有传 感单元接收该光斑的漫反射光束：在方位测量模式中，每个o m u 确定局部区域 的方位，局部区域由一个o m u 光源顺次产生的三个光斑定义。综合对应六个 o m u 的六个方位测量值，最终确定局部表面区域的方位和曲率。通过比较六个 方位测量值的相似性或连续性可检测出表面的不连续性。但这种传感器虽然对结 构的紧凑性有所改进，但仍不能避免尺寸较大的缺点，而且来自结构的光干扰大， 锥形镜的表面质量对测量精度的影响很大，结构复杂，工艺要求高，且对光亮材 料测量精度低。 t a k e ok a n a d e 开发的能测量目标表面距离、方向和曲率的非接触式多光源光 学接近觉传感器”，其传感头由一环光源、一个照相机的透镜和一个光点位置传 感芯片组成。光源的光束聚焦在位置传感芯片的光轴上的一点。每个光源轮流打 开一次，当目标表面遮断光束时，反射光经过透镜在位置传感芯片上成像。利用 光斑在芯片上的位置信息，以及透镜和各光束轨迹信息，基于三角测量法确定各 光斑在目标表面的三维坐标信息。对视野上多个点的测量，计算出表面的方位和 曲率。 相位调制法 m a s u d a “采用多个光源和一个光检测器，每个光源发出相位互不相同的调制 光束。按一定的结构方式激励光源，比较发射 光和接收光的相位，可测得被测表面的距离和 方位。种类传感器的精度依赖于光源的方向性 和光检测器的方向性，且容易受表面反射特性 变化的影响。 光强调制法 文献”“介绍了华南理工大学研制的光纤 接近觉传感模型如图l 一5 所示。该结构除传 感方位所需两斜接收光纤l 3 、l 4 外，另有两辅 助光纤l 一、l 2 。研究结果表明，它充分利用机 器人操作手术端的旋转自由度和辅助光纤， 删1 5 光纤接近觉传感义模型 f i gi - 5m o d e lo ft h eo p t i c a lpr o x i m i t y t r a n s d u c e r 实现了测量姿态的调整”1 ，解决了传感头从任意方位接近被测表面时两接收光 纤与待测点处的法线难以共面，而传感测量时必须要求其共面”的技术难题。当 传感器处于测量姿态时，对输出光纤l ( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 的输出光强信号进行处理可以 得到】： i n ( 4 ，3 ) ：一( 目，口，r 0 ，b ，k ，d ，y ) i n ( 4 ，2 ) ：j ( 臼，口，r o ，a ，b ，k ，d ，y ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 上式中k ，为光源种类常数，只日b 为传感器的结构参数，r o 、a 为发射光纤纤芯 半径和最大发射角。从上面可以看出， 、正与物体表面反射率、光源的输出功 率等因素无关，并且只有变量d ，y 未知，因 而通过解方程组得出d ，y 的值。也就是说， 借助辅助光纤，传感器不但可以同时测量操 作手相对于目标物体的距离和方位，而且具 有自我补偿功能，可以消除光源输出功率的 影响。浚传感头组成简单，结构紧凑，容易 实现小型化，具有鲁棒性。a d ib o n e n 等” 介绍的新颖光纤接近觉传感器结构( 图l 一6 ) ， 采用一根发射光纤和八根接收光纤，“冗余” 接收光纤用于获得与表面反射特性尽量无 图1 - 6a d ib o n e n 等设计的接近觉传感器 f i g l - 6t h ep r o x i m i t yt r a n s d u c e rd e s i g n e d b y a d ib o n e n 关的距离方位测量信息，并且可以扩大测量范围。 1 3光纤接近觉传感器的发展趋势 从前面有关接近觉传感器的国内外综述可知，光电式接近觉传感器在各种类 型的接近觉传感器中占有重要地位，未来技术发展仍以强度调制光纤传感机理为 主，同时具有传感功能集成化( 复合化) 、测量范围扩大化、动态性能和鲁棒性增 强等特点”。 传感器以强度调制传感机理为主 接近觉传感器要求传感头尺寸小和工作于特定的工作范围内，为了把光纤接 近觉传感器安装在机器人央持器上，采用光电方案更适合”“。光电式接近觉传感 器主要是基于几何测量原理( 包括三角测量原理和高斯透镜原理、相位调制原理 和强度调制原理等”“。三角测量方案不直接受反射光强变化的影响而比相位调制 原理及强度调制原理具有更好鲁棒性，但是它主要适合于中距离定位工作”“。 s u k h a nl e e 和j i g n e s hd e s a i ”提出的分布式传感系统，对三角测量原理改进。它 把三角测量的特点与高斯透镜原理相结合，可以使结构紧凑f 直径2 5 4 m m 、长度 3 8 1 m m ) 和灵敏度提高。相位调制方式一般来讲其传感结构较复杂、成本高，在 光纤接近觉传感器中应用不多。强度调制光纤传感器在较大距离其精度相当低， 在较小距离时则精度较高”“，适合于机器人的主动传感，靠近对象的运动过程中 进行的连续测量能提高表面位姿估计精度；基于强度调制机理的光纤接近觉传感 器在未来机器人传感器中占重要地位的原因还在于其结构简单、实现容易、技术 较为成熟1 。如精密装配中零件对准”7 “”1 、一维( 距离) 机器人末端操纵位置控 制。9 ”l 以及姿态测量”2 ”5 “所用接近觉光纤传感器都是基于强度调制原理。 传感器的传感功能集成( 复合型) 化 传感功能集成化( 复合型) ，即传感器能同时测量距离和方向，是近年来光纤 接近觉传感器研究工作的显著特点之一。图1 4 的传感器结构、图1 5 的光纤接 近觉传感结构模型和a d ib o n e n 等学者提出的新一代光纤接近觉传感结构( 图1 ，6 ) 都具有距离方位集成传感的功能集成。s p i e 报道了加拿大d a n i s c hl 等学者在 进行空1 白j 连续六自由度位置和方位功能集成光纤传感器的研究工作”。 测量范围的扩大化 前面提到，对接近觉传感器的一般要求为探测距离在零到几十毫米，连续测 距精度高，同时能够识别对象物的表面形状和方位。许多理论计算及实验研究成 果表明，若没有采用特别的措施，光纤接近觉传感器的探测范围很难满足实际要 求。所以，许多专家学者进行着传感器测量范围扩大化的研究工作。a d ib o n e n 等学者”则一方面利用所设计的传感器结构，把其“冗余”的接收光纤利用其距 离一光强特性曲线的前坡和后坡，扩大测量范围，实现自动换档：另一方面，则 在传感器的接口电路设计中采用在根据光路衰减进行“浮点”测量的动态光强控 制环节，控制光源功率，使传感器系统的动态测量范围得到加宽”“。 鲁棒性能和动态性能的增强化 r o b u s t 性( 鲁棒性) 为自动控制理论中重要概念，用来描述系统其他性质或综 合目标在参数波动条件下的保有性。近几年来，也用到鲁棒性来衡量光纤接近觉 传感器的性能，用来表达传感器抗外界干扰的能力。文献”介绍了一种解决调幅 和调相光电接近觉传感器随表面反射特性变动的鲁棒性问题的方法，包括一种新 颖的基于光偏振光滤波方法，解决背景噪声干扰和动态测量范围限制问题的独特 办法等。a d ib o n e n 等学者”采用“冗余”的接收光纤所提供的测量信息来获得 与表面反射特性尽量无关的姿态预测函数，提出一种鲁棒性和可靠性的计算机接 口，利用调制过的激光二极管和光电滤波器，使在典型的制造环境中的各种光源 噪声在可见光、近红外和紫外光域产生的干扰减小到测不出，甚至是极端明亮的 “光线汇聚”环境。文献 4 5 从传感机理及处理方式进行研究，使传感器具有自 我补偿功能，可以消除光源输出功率变化及电路放大处理特性漂移对传感器性能 的影响，同时与目标物体的表面反射特性无关，具有较好的鲁棒性。 传感器的信号处理方式直接影响传感器的性能，光电传感器的光强大小是距 离和方位的非线性函数，通常为了消除光源波动和目标表面反射率的影响，一般 有多路接收光强信息，因此接收光强