潘 曉，高虹霓，王 崴，賈 昆

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安710051)

0 引 言

隨著制造業(yè)的發(fā)展，大尺寸部件的動(dòng)態(tài)位姿監(jiān)測(cè)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛，如飛機(jī)自動(dòng)化裝配、工業(yè)機(jī)器人位姿監(jiān)控、火箭總裝等［1］。室內(nèi)全球定位系統(tǒng)(indoor global positioning system，iGPS)作為一種新型的測(cè)量系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性高、測(cè)量范圍大、并行能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為大型構(gòu)件的動(dòng)態(tài)位姿實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了有效的解決途徑［2，3］。iGPS由發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)軟件組成，其自帶的傳感器類型主要有圓柱體傳感器、平面型傳感器以及手持式測(cè)頭。圓柱體傳感器和平面?zhèn)鞲衅黧w積小，計(jì)算相對(duì)位置信息時(shí)，具有很高的測(cè)量精度。但由于其被測(cè)點(diǎn)位于傳感器的幾何中心點(diǎn)上，無法測(cè)量零件表面實(shí)際坐標(biāo)，在動(dòng)態(tài)位姿求解過程中，會(huì)產(chǎn)生不確定測(cè)量誤差。手持式組合測(cè)頭，也稱T－Probe，其被測(cè)點(diǎn)雖然是前端探頭與物體表面接觸點(diǎn)，但體積較大，不易安裝在零件表面，只適用于人工干預(yù)的靜態(tài)物體表面測(cè)量［4］。因此，iGPS 自帶傳感器在大范圍動(dòng)態(tài)測(cè)量應(yīng)用中具有局限性，而設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊、可固定在零件表面，實(shí)時(shí)測(cè)量零件表面坐標(biāo)的光電傳感器在位姿監(jiān)控等場(chǎng)合具有實(shí)際意義。

1 傳感器設(shè)計(jì)方案

1.1 測(cè)量原理

iGPS 由多個(gè)測(cè)站和傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，每臺(tái)測(cè)站發(fā)出兩扇高速旋轉(zhuǎn)激光平面，通過傳感器準(zhǔn)確提取電壓峰值點(diǎn)時(shí)刻Tik作為特征參數(shù)，以及激光平面相對(duì)初始位置的旋轉(zhuǎn)角度θ，得到激光平面方程

其中，Hθ為系統(tǒng)內(nèi)參數(shù);S 為被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo);O 為測(cè)站坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)。根據(jù)空間平面前方交匯原理，由多臺(tái)發(fā)射機(jī)激光平面方程得到傳感器三維坐標(biāo)S(x，y，z)。

本文在原有的平面?zhèn)鞲衅骰A(chǔ)上，利用環(huán)形硅光電池組上的多點(diǎn)位置坐標(biāo)(xi，xj，zj)和硅光電池圓心到測(cè)頭球心坐標(biāo)(x，y，z)固定距離的dj，得到空間距離公式

其中，dj為傳感器結(jié)構(gòu)內(nèi)參數(shù)，通過標(biāo)定得到。測(cè)頭球心坐標(biāo)(x，y，z)則需要經(jīng)過半徑補(bǔ)償(ΔX，ΔY，ΔZ)得到傳感器與部件接觸點(diǎn)坐標(biāo)

1.2 傳感器總體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，陣列式光電傳感器主要由傳感器本體、放大器以及前端處理器三部分組成。放大器需要對(duì)傳感器本體上的硅光電池組輸出的電流信號(hào)進(jìn)行I/V 轉(zhuǎn)換、選通、調(diào)理與放大，并傳輸?shù)角岸颂幚砥髦泄㏒TM2 采集。在同一周期內(nèi)，輸出的電壓信號(hào)中包含多臺(tái)不同轉(zhuǎn)速測(cè)站的時(shí)間信息，前端處理器主要完成對(duì)這些混合信息進(jìn)行采集、識(shí)別與計(jì)算和數(shù)據(jù)輸出等功能。

圖1 傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of sensor system

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 I/V 轉(zhuǎn)換電路

為了保證時(shí)間特征參數(shù)提取的正確性，降低時(shí)間延遲［5］，選用德國(guó)First Sensor 公司的PC5—6—TOP5 型硅光電池作為接收端，其響應(yīng)速度為5 ns，暗電流僅0.1 nA。如圖2所示，為保證將光電池輸出的電流量不失真地轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，本文設(shè)計(jì)具有頻帶寬、噪聲低、輸入阻抗高的跨阻型放大器作為I/V 轉(zhuǎn)換電路，由Rf 和Cf 組成的RC 反饋網(wǎng)路輸出電壓信號(hào)幅值為0～500 mV。

圖2 I/V 轉(zhuǎn)換電路Fig 2 I/V conversion circuit

2.2 選通電路

選通電路主要作用是將多路信號(hào)選通為雙路信號(hào)，經(jīng)過差分補(bǔ)償后變?yōu)閱温沸盘?hào)供STM32 的ADC 采集。電路如圖3 所示，該選通電路通過STM32 的PB3—7 口輸出的選通信號(hào)控制多路模擬開關(guān)，當(dāng)I/O 輸出為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)的兩路信號(hào)導(dǎo)通。為了盡可能地提高開關(guān)響應(yīng)速度和減小傳感器體積，本文選擇歐姆龍公司的G6K—2F超小型信號(hào)用繼電器，其頻率特性為1 GHz，體積為10.3 mm×6.9 mm×5.4 mm［6］。

圖3 信號(hào)選通電路Fig 3 Signal gate circuit

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

I/V 轉(zhuǎn)換后的信號(hào)中含有大量的環(huán)境噪聲，因此，本文設(shè)計(jì)了差分補(bǔ)償電路和100 Hz 濾波電路對(duì)單個(gè)光電池輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以降低環(huán)境光干擾，如圖4 所示。

圖4 末級(jí)調(diào)理電路Fig 4 Final stage conditioning circuit

2.4 前端處理器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，初始化中斷服務(wù)函數(shù)、配置相關(guān)定時(shí)器，初始化信號(hào)選通模式和A/D 轉(zhuǎn)換參數(shù)，系統(tǒng)將進(jìn)入循環(huán)運(yùn)行工作模式。首先，通過AD 采集整個(gè)周期的混合激光信號(hào)，并開啟中斷服務(wù)函數(shù)。利用每臺(tái)發(fā)射機(jī)轉(zhuǎn)速和角度信息，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分頻、識(shí)別處理，所有信號(hào)匹配成功后，最后進(jìn)行特征值計(jì)算，并由RS—232 串口通信傳到工控機(jī)上。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，選通配置位自動(dòng)加1，并開啟下一次循環(huán)，流程圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig 5 Flow chart of system software

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定與誤差補(bǔ)償

陣列式傳感器不同于傳統(tǒng)的光電傳感器，在使用前必須對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)dj進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)，傳感器探針頭的球心位置與高精度圓錐標(biāo)定臺(tái)的球心位置重合并固定不變，以順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器，增加約束方程個(gè)數(shù)。設(shè)每個(gè)傳感器上有m 個(gè)測(cè)量特征點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)為n，標(biāo)定結(jié)構(gòu)參數(shù)為dj，標(biāo)定模型如下

其中，測(cè)點(diǎn)在不同測(cè)頭位置時(shí)的坐標(biāo)(xij，yij，zij)(i=1，2，3，…，n;j=1，2，3，…，m)為已知量，測(cè)頭坐標(biāo)(x，y，z)和結(jié)構(gòu)參數(shù)dj(j=1，2，3，…，m)共3+m 個(gè)未知量。在標(biāo)定算法中，將模型利用LM 優(yōu)化算法轉(zhuǎn)化為無約束求解問題，選取評(píng)價(jià)函數(shù)J

當(dāng)J ＜1×10－7時(shí)停止迭代，得到參數(shù)最優(yōu)解。

通過Matlab 仿真，得到位置變動(dòng)次數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差關(guān)系，從圖6 可以看出，當(dāng)次數(shù)小于15 次時(shí)，會(huì)帶入較大的參數(shù)誤差，當(dāng)標(biāo)定接近30 次時(shí)，帶入誤差約為0.02 mm，并趨于穩(wěn)定，所以，標(biāo)定傳感器至少變動(dòng)位置30 次才能將結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差降到最低。

圖6 測(cè)頭位置變動(dòng)次數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定誤差關(guān)系圖Fig 6 Diagram of relationship between probe position changing times with structure parameter calibration error

當(dāng)標(biāo)定完傳感器后，所求點(diǎn)坐標(biāo)其實(shí)是紅寶石測(cè)頭圓心坐標(biāo)，為了得到傳感器與被測(cè)零件接觸點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)，避免傳感器自身制造和裝配誤差，需要對(duì)傳感器進(jìn)行半徑誤差補(bǔ)償。任取三個(gè)光電池的圓心點(diǎn)A，B，C;求出矩陣傳感器位姿向量

其中，α，β，γ 為傳感器空間姿態(tài)角，半徑補(bǔ)償后，接觸點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)(X，Y，Z)=(x+d cos α，y+dcos β，z+dcos γ)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證傳感器的可靠性和準(zhǔn)確性，以Leica AT901—LR 型激光跟蹤儀和T—probe 手持測(cè)頭作為傳感器精度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試，其中，T—probe 手持測(cè)頭10 m 范圍內(nèi)，誤差為60μm。為了保證每次測(cè)量T—probe 手持測(cè)頭與傳感器測(cè)量點(diǎn)相同，兩者探頭與高精度圓錐標(biāo)定臺(tái)上的球心接觸，保證兩球心坐標(biāo)重合。實(shí)驗(yàn)中，傳感器結(jié)構(gòu)內(nèi)參數(shù)經(jīng)過準(zhǔn)確標(biāo)定，即轉(zhuǎn)動(dòng)位置次數(shù)為33 次，并在4～10 m 范圍內(nèi)隨機(jī)測(cè)量33 個(gè)位置點(diǎn)，每次測(cè)量結(jié)果與激光跟蹤儀結(jié)果比較，并計(jì)算合成誤差，如圖7。從圖中可以看出:在10 m范圍內(nèi)，測(cè)量誤差小于0.5 mm，測(cè)量誤差主要分布在±0.4 mm之間，并且對(duì)測(cè)量位置不敏感，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)量要求。

圖7 傳感器合成測(cè)量誤差圖Fig 7 Diagram of sensor synthesizing measurement error

5 結(jié) 論

本文分析了當(dāng)前iGPS 自帶傳感器在動(dòng)態(tài)測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用上的不足，設(shè)計(jì)了一種安裝簡(jiǎn)單、可測(cè)接觸點(diǎn)坐標(biāo)的陣列式光電傳感器，并提出了結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定和誤差補(bǔ)償方法。分析了傳感器信號(hào)噪聲來源，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的前端處理電路，并以STM32 作為MCU，完成信號(hào)分頻、識(shí)別和數(shù)據(jù)發(fā)送功能。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到標(biāo)定次數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在10 m×10 m 范圍內(nèi)，當(dāng)標(biāo)定位置轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)大于30 次，使用該傳感器，系統(tǒng)測(cè)量精度為0.5 mm，滿足大范圍動(dòng)態(tài)位姿測(cè)量的應(yīng)用要求。

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