新型光學(xué)對(duì)中自動(dòng)測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

張永超，趙錄懷，譚仕強(qiáng)

(1.西安交通大學(xué)城市學(xué)院，西安 710018;2.西安交通大學(xué)電氣學(xué)院，西安 710018)

0 引言

當(dāng)?shù)踯囖D(zhuǎn)運(yùn)存放大型物品的箱體模塊時(shí)，吊具與箱體對(duì)中情況決定著箱體能否安全轉(zhuǎn)運(yùn)。在進(jìn)行對(duì)中作業(yè)時(shí)，主要的方法有:人工粗瞄法、垂球?qū)χ蟹?、光學(xué)對(duì)中器對(duì)中法。當(dāng)要求測(cè)量精度高時(shí)，采用光學(xué)對(duì)中器對(duì)中法［12］。

有文獻(xiàn)提出，光學(xué)對(duì)中器的圖像傳感器采用面陣電荷耦合器件［3］(Charge CoupLED Device，CCD) 或黑白線陣CCD。面陣CCD和線陣CCD相比，缺點(diǎn)是像元總數(shù)多，而每行的像元數(shù)一般較線陣少，幀幅率受到限制，而且視場(chǎng)不夠，如果采用視場(chǎng)較大的面陣CCD，不僅價(jià)格高昂，而且?guī)l不能滿足實(shí)時(shí)測(cè)量的需要。同時(shí)，由于生產(chǎn)技術(shù)的制約，單個(gè)面陣CCD的面積很難達(dá)到一般工業(yè)測(cè)量對(duì)視場(chǎng)的需求［4］。黑白線陣CCD同彩色線陣CCD相比計(jì)較，在露天環(huán)境下，反射光等強(qiáng)干擾時(shí)，黑白線陣CCD不能區(qū)分有用目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)，使得轉(zhuǎn)運(yùn)工作不可靠。彩色線陣CCD同面陣CCD和黑白線陣CCD比較都具有優(yōu)越性。同面陣CCD比較，彩色線陣CCD的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，掃描速度快，分辨率高，而且價(jià)格低廉［5］。同黑白線陣CCD比較，其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)的環(huán)境光照強(qiáng)度大時(shí)，彩色CCD獲得圖像的比黑白CCD獲得的圖像要更加清晰，光線的強(qiáng)弱對(duì)彩色線陣CCD的影響較小，同時(shí)，該CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序關(guān)系更精確，采樣速率更快，抗干擾性能更好、輸出信號(hào)更穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)［6］。

本文主要針對(duì)面陣CCD和黑白線陣CCD的不足，以及其他缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于彩色線陣CCD的光學(xué)對(duì)中自動(dòng)測(cè)量裝置，使得對(duì)中的精度更高，轉(zhuǎn)運(yùn)更安全。

1 測(cè)量裝置組成

測(cè)量裝置由“N”字形自發(fā)光目標(biāo)、光學(xué)鏡頭、彩色線陣CCD、處理電路、FPGA和電源模塊組成，用于測(cè)量目標(biāo)中心位置偏離的坐標(biāo)距離。測(cè)量裝置組成如圖1所示。

圖1 測(cè)量裝置組成

N型自發(fā)光目標(biāo)發(fā)紅光，光學(xué)鏡頭將N型目標(biāo)成像到彩色線陣CCD靶面上，彩色線陣CCD將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理電路后，再將信號(hào)傳輸給FPGA進(jìn)行偏移量的計(jì)算，最后輸出。

1.1 N型自發(fā)光目標(biāo)

N型自發(fā)光目標(biāo)的制作采用超高亮度LED。超高亮度LED具有長(zhǎng)壽命、高發(fā)光效率、高電流密度和高亮度的特點(diǎn)。超高亮度LED是一種采用新型封裝結(jié)構(gòu)的面發(fā)光光源，和普通的大功率LED相比具有更高的亮度［7］，因此N型采用超高亮度LED制作。根據(jù)某型號(hào)導(dǎo)彈箱體模塊穩(wěn)妥、安全、轉(zhuǎn)運(yùn)的技術(shù)要求，設(shè)定其尺寸為50 mm×110 mm，在長(zhǎng)方向上預(yù)留尺寸為5 mm，N字形中間線與邊線的角度值設(shè)置為α=13°，N型斜邊與豎邊相交的位置間距為5 mm，N字型的線寬為5 mm。當(dāng)對(duì)中器中心處于測(cè)量范圍最左邊時(shí)，如圖2所示。其最大視場(chǎng)為2×75 mm=150 mm，預(yù)留余量為5 mm，則最終光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)2×80 mm=160 mm。據(jù)此，對(duì)中器實(shí)際能夠達(dá)到的測(cè)量范圍應(yīng)為110 mm×160 mm。

1.2 光學(xué)鏡頭

1.2.1 放大倍率的確定

光學(xué)鏡頭的作用不僅滿足將N型自發(fā)光目標(biāo)成像到CCD的要求，還需保證成像到CCD上的光學(xué)圖像的大小不能超過(guò)CCD接收?qǐng)D像的范圍，所以放大倍率是一個(gè)非常重要的物理量。

圖2 N型自發(fā)光目標(biāo)

由圖2可知，在設(shè)計(jì)N型自發(fā)光目標(biāo)的三條線段中，每條線段的大小是5 mm，光學(xué)圖像到N型自發(fā)光目標(biāo)的距離是900 mm，假設(shè)N型自發(fā)光目標(biāo)的三條線段成像到在CCD中，占據(jù)的像元的數(shù)量分別為36個(gè)、24個(gè)和15個(gè)，每個(gè)像元的寬度為4 μm，給根據(jù)垂軸放大倍率公式［8］:

式中，l'為像距;l為物距;y'為像高;y為物高。

代入數(shù)據(jù)，求得放大倍率為:

β3比較三個(gè)放大倍率，結(jié)合實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用放大倍率β=0.0288的光學(xué)透鏡。

1.2.2 焦距的確定

N型的豎線與斜線的距離為5 mm，如圖2所示，當(dāng)工作距離為900 mm，放大倍率β=0.0288時(shí)，5 mm在CCD上占據(jù)的像元為42個(gè)。因此，光學(xué)系統(tǒng)的成像光斑不大于42×4 μm=168 μm。

當(dāng)工作距離為900 mm，放大倍率為0.0192時(shí)，根據(jù)式1，得出像高:

因?yàn)槲锔遹=5 mm，放大倍率β=0.0192根據(jù)式1，得出像距:

根據(jù)高斯公式:

代入數(shù)據(jù)，可知焦距:

1.2.3 像方視場(chǎng)角的確定

根據(jù)像方視場(chǎng)角的計(jì)算公式［8］:

代入l'=900 mm，求得視場(chǎng)角w'=5.9°。

1.2.4 分辨率

在本設(shè)計(jì)中，焦距f'=26.69 mm，像方視場(chǎng)角w=5.9°，則像高y'=－f'tan珔w=－2.77 mm。選擇三通道單邊輸出二相驅(qū)動(dòng)的線陣CCD器件，每個(gè)通道共有5340個(gè)光敏元，像元尺寸為4 μm×4 μm的線陣CCD，則遠(yuǎn)距時(shí)分辨率可達(dá)(275×0.004)/(2×2.77)=0.20 mm/像元。

1.3 彩色線陣CCD

ILX558K是日本SONY公司生產(chǎn)的具有較好的分辨率和性能品質(zhì)，在價(jià)格上也有優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)選用ILX558K作為彩色線陣CCD傳感器，保證具有較高的釆樣速率及精度，還可以實(shí)現(xiàn)三通道RGB同時(shí)輸出［10］。

ILX558K每個(gè)通道共有5340個(gè)光敏元，具有三通道單邊輸出二相驅(qū)動(dòng)的線陣CCD器件。對(duì)于RGB中的任何一個(gè)通道來(lái)說(shuō)，光敏元直接與每個(gè)移位寄存器相連接，且移位寄存器的像素?cái)?shù)量與光敏元數(shù)量相等。內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。ILX558K直流12 V電源供電。

圖3 ILX558K結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 信號(hào)處理電路

信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)的三個(gè)功能有:①模擬信號(hào)處理，主要完成彩色線陣CCD輸出信號(hào)的放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換;②數(shù)字信號(hào)處理，主要完成數(shù)字信號(hào)濾波以及三個(gè)像點(diǎn)的偏移量計(jì)算;③發(fā)送數(shù)據(jù)，主要將計(jì)算所得的偏移量輸出。

1.5 信號(hào)處理器

本設(shè)計(jì)使用CycloneⅡ系列的FPGA，它是ALTERA公司生產(chǎn)的，它具有彩色線陣CCD驅(qū)動(dòng)、CCD數(shù)字信號(hào)處理及偏移量計(jì)算等功能。優(yōu)點(diǎn)是:新增加了嵌入式乘法器，DSP處理能力得到了很大的加強(qiáng);支持DDR2內(nèi)存的高速存儲(chǔ)器接口和高速差分接口，高速差分接口其LVDS;可以達(dá)到622 Mbit/s發(fā)送端數(shù)據(jù)速率，可以達(dá)到805 Mbit/s接收端數(shù)據(jù)速率，集成更大的片上存儲(chǔ)器;CYCLONEⅡ系列FPGA有關(guān)時(shí)鐘資源部分主要包括全局時(shí)鐘樹和鎖相環(huán)兩部分。

本設(shè)計(jì)選用CYCLONEⅡ系列型號(hào)為EP2C8T144C8的芯片。EP2C8采用3.3 V外部供電，采用1.2 V電壓內(nèi)核供電，采用TQFP44封裝形式。

1.6 電源模塊

FPGA內(nèi)核電壓、I/O電壓、內(nèi)部鎖相環(huán)電壓和CCD圖像傳感器電壓，分別是1.2 V、3.3 V、模擬1.2 V和模擬12 V，運(yùn)算放大器正常工作所需電壓為正負(fù)12 V，模數(shù)轉(zhuǎn)換器正常工作電壓為模擬5 V、數(shù)字5 V;晶振、FPGA配置芯片等均可采用3.3 V供電。

2 測(cè)量原理

根據(jù)系統(tǒng)測(cè)量原理，結(jié)合光學(xué)對(duì)中原理圖，如圖4(a)所示，采用靶面板上刻畫N字形目標(biāo)的方法，如圖4(b)，N字形發(fā)射紅光，靶面N字形周圍涂成黑色，以增加目標(biāo)與背景的對(duì)比度。由于光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)范圍大于靶面，為了便于安裝，靶面的大小需要恰當(dāng)，因此靶面周圍的自然光反射也會(huì)在彩色CCD上成像。采用彩色線陣CCD，N字形目標(biāo)與反射干擾光在紅色感光區(qū)成像，CCD同幀輸出信號(hào)如圖5所示，1、2、3表示N型自發(fā)光目標(biāo)成像，如圖5(a)，如圖5(b)所示，4表示干擾光成像，如圖5(c)所示，因此根據(jù)三色成像的區(qū)別就可以在有干擾光的情況下，提取有效的目標(biāo)圖像，計(jì)算測(cè)量結(jié)果，提高系統(tǒng)的可靠性。為了確認(rèn)彩色線陣CCD比黑白線陣CCD性能優(yōu)越，本課題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，綠色感光的波形圖如圖6所示，紅色感光的波形圖如圖7所示，通過(guò)比較兩個(gè)信號(hào)，去掉干擾光，可以計(jì)算X、Y軸坐標(biāo)。因此，可以得出結(jié)論彩色線陣CCD比黑白線陣CCD抗干擾能力更強(qiáng)。

圖4 光學(xué)對(duì)中原理圖

圖5 CCD同幀輸出信號(hào)示意圖

圖6 綠色感光輸出波形圖

結(jié)合圖4和圖8坐標(biāo)位置計(jì)算圖推算出X軸、Y軸位置坐標(biāo)，根據(jù)波峰1和波峰3在CCD中的位置，可以計(jì)算物像比例當(dāng)量:

圖7 紅色感光輸出波形圖

圖8 坐標(biāo)位置計(jì)算圖

該當(dāng)量的物理含義是線陣CCD上的每一個(gè)像元對(duì)應(yīng)在合作目標(biāo)即物面的尺寸大小，單位為 mm/pixel。則正常情況下可得出位置偏移量:

X 方向:d×x(mm) Y 方向:d×y(mm)

根據(jù)1、3號(hào)波峰的中點(diǎn)在CCD上的絕對(duì)像元數(shù)，結(jié)合物象比例當(dāng)量，可以計(jì)算得到靶面中點(diǎn)相對(duì)光學(xué)接收鏡頭光軸Ⅹ方向的坐標(biāo)。

根據(jù)X方向坐標(biāo)和1、2、3號(hào)波峰在CCD上的絕對(duì)值，可以得到靶面中點(diǎn)相對(duì)鏡頭光軸Y方向的坐標(biāo)。

式中，n1、n2、n3分別代表波峰1、2、3位置的絕對(duì)像元素，n0代表激光光斑在CCD上的起始像元素，α=13°為“N”字型中間線與邊線的角度值。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 N字精度實(shí)驗(yàn)測(cè)量

進(jìn)行N字形精度實(shí)驗(yàn)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)步驟如下圖所示，首先光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像后，通過(guò)數(shù)字示波器能夠找到信號(hào)，在調(diào)整CCD的位置，使得CCD剛好處于成像的位置，再進(jìn)行N字形X軸和Y軸精度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)框圖，如圖9所示。

圖9 N字形實(shí)驗(yàn)框圖

該測(cè)量實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，測(cè)量的范圍為±50 mm，利用平行導(dǎo)軌的移動(dòng)表示X軸方向的變化，其中平移導(dǎo)軌坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)值，重心算法換算值為測(cè)量值。利用升降架方向的移動(dòng)表示Y軸方向的變化，其中升降架坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)值，重心算法換算值為測(cè)量值。偏差是標(biāo)準(zhǔn)值和測(cè)量值之間的誤差，極差表示重心算法測(cè)量的最大誤的絕對(duì)值，標(biāo)準(zhǔn)差表示重心算法測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方差。圖像傳感器采用彩色線陣CCD時(shí)，進(jìn)行N字精度實(shí)驗(yàn)測(cè)量，對(duì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得表1，表1為X軸和Y軸數(shù)據(jù)處理后的極差和標(biāo)準(zhǔn)差。

表1 X軸和Y軸數(shù)據(jù)處理后的極差和標(biāo)準(zhǔn)差

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，以及數(shù)據(jù)處理，和文獻(xiàn) ［11］比對(duì)得出結(jié)論，采用彩色線陣CCD作為圖像傳感器時(shí)，測(cè)出的N字進(jìn)度更高，誤差更小，使得對(duì)中更加的精確，轉(zhuǎn)運(yùn)更加安全。

3.2 誤差分析與測(cè)量結(jié)論

測(cè)量值和真實(shí)值的偏差是測(cè)量的精度，測(cè)量的精度反應(yīng)了整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量的能力［11］。該光電對(duì)中器主要由光學(xué)系統(tǒng)部分和信號(hào)處理部分組成。因此，在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，組成系統(tǒng)的誤差主要由光學(xué)系統(tǒng)誤差和信號(hào)處理部分誤差組成。

針對(duì)本設(shè)計(jì)的光電對(duì)中器，誤差主要由①原理誤差，②A/D量化誤差，③環(huán)境誤差，④傾斜引起測(cè)量誤差，⑤旋轉(zhuǎn)引起測(cè)量誤差，⑥測(cè)量?jī)x器誤差，⑦電子線路噪聲對(duì)其的影響，⑧光學(xué)系統(tǒng)畸變?cè)斐傻恼`差組成。

4 結(jié)語(yǔ)

1)本文設(shè)計(jì)了一種基于彩色線陣CCD的光學(xué)對(duì)中自動(dòng)測(cè)量裝置，該圖像傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，掃描速度快，分辨率高，誤差小;

2)當(dāng)環(huán)境光照強(qiáng)度大時(shí)，該圖像傳感器獲得的圖像更加清晰，環(huán)境光線的強(qiáng)弱對(duì)該圖像傳感器影響較小。同時(shí)，該CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序關(guān)系更精確，采樣速率更快，抗干擾性能更好、輸出信號(hào)更穩(wěn)定;

3)本設(shè)計(jì)采用N型自發(fā)光目標(biāo)圖案進(jìn)行二維坐標(biāo)測(cè)量，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，干擾信號(hào)減少，測(cè)量誤差減小。