車用攝像頭鎖緊裝置姿態調整系統設計

曹群，于信

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

1 系統工作原理

車載攝像頭如圖1所示，圖左側為鎖緊裝置，右側為攝像頭，裝配時，需將鎖緊裝置從小端面方向旋入攝像頭凹槽內完成鎖緊。鎖緊裝置自動安裝系統原理如圖2所示，主要由傳送帶、姿態識別裝置、姿態調整裝置、機械手等組成。

車載攝像頭鎖緊裝置由傳送帶運送至姿態識別裝置，當鎖緊裝置小端面向上時，認為其姿態錯誤，姿態調整裝置對其進行調整后送往返回區，再次進行姿態識別，直至姿態正確；當鎖緊裝置的大端面向上，認為其姿態正確，直接運送至拾取區域，由機械手進行拾取并完成安裝。

圖1 鎖緊裝置與攝像頭實物圖

圖2 系統工作原理圖

2 識別及調整系統設計

2.1 姿態識別裝置

采用紅外激光照明配合PIN-FET混合集成光電接收器和定時器對其進行識別。如圖3所示，當鎖緊裝置在A位置時，將對激光進行遮擋；而當鎖緊裝置運行至B位置時，將結束對激光的遮擋。在整個擋光過程中鎖緊裝置前進路程為S，令鎖緊裝置大端面朝上時前進的路程為Sd，鎖緊裝置小端面朝上時前進的路程為Sx，根據式（1）分別計算Sd和Sx：

圖3 識別原理圖

式中，S—光源被遮擋時前進的距離（mm）；h—鎖緊裝置自身高度（mm）；l—鎖緊裝置端面寬度（mm）；a―激光入射角度（°）；T―鎖緊裝置遮擋光源的時間（ms）；v—鎖緊裝置傳送速度（m/s）。

通過對式（1）的分析，發現影響路程S的因素有兩個，首要因素為激光光線的入射角度a，次要因素為鎖緊裝置的端面寬度l，而鎖緊裝置的端面寬度為定值，因此可以通過調整光線的入射角度a，間接調整前進路程S的大小。在0°到90°的區間范圍內，余弦函數為減函數，隨著a值的增大而減小，當a值取值越小時，相對而言其前進的路程S也就就越大，而在速度一定的情況下，路程越大，運動時間也就越長，適當選取激光光線的入射角度，可有效增大遮光時間，有利于對時間信號的采集。

設a=30°，h=3.5mm，鎖緊裝置大端面寬度l=1.75mm，則Sd=7.812mm，當取小端面寬度l=1mm時，可得出Sx=6.812mm。

令Td為大端面朝上時遮擋光源時間，Tx為小端面朝上時遮擋光源的時間，取v=0.05m/s時，根據式（2）可分別計算出，Td=156.24ms，Tx=136.24ms。說明鎖緊裝置在不同姿態下其遮光時間不同，所以定時器設定時間為T0=146ms，當鎖緊裝置遮擋光源時，光電接收器發出信號，定時器開始工作，若光源被遮擋的時間T大于T0時，此時鎖緊裝置大端面朝上，判斷其姿態正確；而當T小于T0時，判定鎖緊裝置姿態需要調整。

2.2 姿態調整裝置

姿態調整裝置如圖4所示，施力裝置推動鎖緊裝置由A通道口進入，上升至B處，同時已將鎖緊裝置調整為大端面向上，然后從C出口輸出，進入返回區。

圖4 姿態調整機構

圖5 施力機構

施力裝置如圖5所示，初始狀態時，彈簧處于壓縮狀態，電磁鐵導通，將施力滑塊吸附在電磁鐵表面，當電磁鐵斷開時，施力滑塊在彈簧力的作用下快速彈出，將鎖緊裝置彈入姿態調整裝置A口。

根據動能守恒定理可知，在忽略摩擦力和空氣阻力的情況下，鎖緊裝置的初速度可以根據公式（3）進行計算：

其中，m—物體質量（kg）；v末—物體的末速度（m/s）；v初―物體的初速度（m/s）；g—常數（N/kg）；h—物體上升高度（m）。

設 h=0.1m，v末=0m/s，根據式（3）可計算得鎖緊裝置的初速度v初=1.4m/s，施力滑塊1與鎖緊裝置發生碰撞時遵循動量守恒定律，取滑塊1的質量m2=40g，鎖緊裝置質量m1=5g，令鎖緊裝置在發生碰撞后的速度v1=v初=1.4m/s，根據式（4）

可計算出施力滑塊1在發生碰撞前的速度v2=0.175m/s，根據能量守恒可知彈簧的彈力對滑塊所做的功轉化為滑塊的動能，即

式中，F―彈力（N）；S―路程（m）。

而彈簧所提供的彈力隨彈簧壓縮量的變小而減小，公式可轉化為：

取 v末=v2=0.175m/s，S=0.01m，S為施力滑塊前行的距離，則可計算出彈簧提供的彈力F=0.1225N?？紤]空氣阻力和摩擦力對鎖緊裝置運動狀態的影響，所以根據以往經驗和實際情況以彈簧提供的彈力F=1N完成彈簧設計，既可完成翻轉。

經姿態調整裝置持續調整后，大端面朝上的鎖緊裝置數量明顯增多，有效的提高供給速度，使整個系統的工作效率有所提高。

3 識別準確率分析

在正常工作中由于傳送速度的變化，對識別裝置影響較大。假設傳送速度在±5%的范圍內變動，則取最小速度為vmin=0.0475m/s，最大速度vmax=0.0525m/s，分別計算Td和Tx。計算結果如表1所示，結果表明在兩種極限速度下，均滿足識別裝置的工作條件，即Tx＜T0＜Td成立，識別裝置均能正常工作。

表1 不同速度下求得的時間值

經驗證，傳送速度在±5%的范圍內變動，定時器正常工作，識別裝置仍然可以完成識別。識別準確率可以達到95%以上。

識別裝置主要由光源和接收器以及定時器構成，光源采用激光二極管即可滿足要求，接收器型號為L20型PIN-FET型光電接收器，其光敏面大小為Φ75μm，脈沖上升時間≤17.5ns，響應度≥35mV/uW，定時器選用時鐘脈沖為1ms的定時器，即可準確完成識別任務。

4 結束語

本文對鎖緊裝置的自動安裝系統進行設計，采用激光照明和PIN-FET混合集成光電接收器配合定時器聯合工作對鎖緊裝置的姿態進行識別，這種識別方法識別速度快、正確率高，鎖緊裝置在運送過程中即可完成識別，調整裝置對鎖緊裝置的調整速度快，有效提高鎖緊裝置的供給速度，由機械手完成鎖緊裝置的安裝，可有效提高攝像頭的安裝效率，降低生產成本。

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