基于數字信號處理技術的激光傳感器測量誤差校準系統

摘要：在高端制造中，利用激光傳感器對工件進行測量．可以達到校準精度的目的?；诖耍恼乱詳底中盘柼幚砑夹g為主要理論支撐，首先分析了激光傳感器誤差校準系統的需求，并對其進行總體設計；其次，分別從硬件設計、軟件設計兩個維度進行了開發與實現；最后，利用實物構建的方式對系統的穩定性、精度以及抗噪聲性進行檢測。結果表明，該系統對于誤差的校準能力較強，具有較高的實踐與推廣價值。

關鍵詞：數字信號；激光傳感期；誤差校準

中圖法分類號：TP212 文獻標識碼：A

１ 功能需求與總體設計

利用數字信號處理技術對激光傳感器進行校準，主要實現傳感器的自動校準，達到降低復雜度、提高效能、提高校準精度的根本目的［１］ 。從這一角度出發該系統的功能與總體的框架設計如下。

１．１ 系統功能需求

激光傳感器誤差校準在工業中的實際價值毋庸置疑，但針對當前傳感器的校準流程與精度中存在的問題，有必要對其進行系統性開發，以達到提升效能的目的［２～３］ 。因此，本研究中基于數字信號處理技術的激光傳感器校準需要具有如下功能：（１）需要滿足連續測試功能，可以進行單獨校準與聯合校準；（２）具有數據信息收集功能，能夠對激光傳感器的數字信號進行收集與轉化；（３）具有后臺數據計算功能，能夠在數字信號的基礎上進行數據間的碰撞與轉換，以及為激光傳感器提供可靠的誤差校準，同時進行迭代修正計算；（４）能夠對數據信息進行保留與提醒，數據信息需要在后臺數據庫內與傳感器編號對應，以供查詢，需要在數字信號處理完畢后發出指令信息，以供工作人員判斷校準是否完成。

１．２ 系統總體設計

基于上述的功能需求以及激光傳感器校準的具體流程，在數字信號處理技術參與下，系統主要的總體結構如圖１ 所示。

由圖１ 可知，激光傳感器測量誤差自動校準系統包括３ 個基本模塊，其一是測量工作平臺，該平臺主要對被測試傳感器提供安裝固定卡點，同時提供測試條件。在實際測試中，可以同時安裝多個激光傳感器并進行統一測量，本文以雙傳感器系統作為展示，后續功能可以支持更多的數據通道。其二是數據采集模塊，該模塊主要對激光傳感器的精度校準提供數據收集功能，包括數據采集卡、測量誤差校準模塊２ 個主要部分，前者利用多種手段對激光傳感器的相關反饋數據進行收集，并對數字信號進行統一轉化，以供后續分析與校準所用［４］ ；后者則按照經驗誤差對激光傳感器進行初步校準，并通過校準后的修訂反饋值實現自動的初級校準，從而降低后續數據處理的計算量，提高校準的總體效能。其三是數據處理模塊，此部分是本文研究的核心模塊，主要通過求解平移適量及旋轉矩陣對激光傳感器的數字信號進行處理，從而建立誤差校準的目標函數，實現校準功能。

２ 數字信號處理技術下激光傳感器校準系統的設計與實現

在具體功能和總體框架設計的指導下，系統設計與實現主要分為硬件設計與軟件設計，其中硬件設計主要包括測量系統和數據采集模塊，軟件設計的重點在于誤差校準算法的設計。

２．１ 硬件設計

硬件設計主要包括數據采集模塊以及誤差校準信號處理２ 個基本部分。在數據采集模塊的設計過程中，主要以ＣＸ３Ｓ５００Ｅ 單片機為核心，以Ｒｓ４８５ 為原型光柵編碼，使編碼后的數據進入數據采集模塊中，實現對激光傳感器數據的實時獲取，同時該模塊需要整合外接電源與電源管理模塊，可以直接對現有電源單片機進行調用，供電邏輯為全時段供電，電壓與電流分別為３．２ Ｖ 和０．５ Ａ。具體模塊設計示意圖如圖２ 所示。

在處理誤差校準信號時，在整合必要算法的基礎上，需要對其進行一般硬件設計。設計中需要保障數據采集的時間標定，進而確定相同時空范圍內圖像與采集數據之間的一一對應。同時，需要對獲取的數字信號進行濾波處理，以消除雜波與噪聲的干擾。然后，將校準處理后的信號通過串口模塊傳輸至ＰＣ 端，無論是在開發與實現的實驗階段還是在激光傳感器的具體應用環節，基于數字信號處理技術的激光傳感器校準均在ＰＣ 端的后臺自動完成，同時輸出傳感器校正后的結果。具體的誤差校準信號處理模塊硬件設計如圖３ 所示。

在圖３ 中，首先經過圓形光柵獲取初始的數據，在數據傳輸過程中通過時鐘管理器對其進行時間編碼。

編碼后的圖像進入高頻濾波組件中并進行濾波操作，此過程能夠有效消除系統噪音以及外部噪聲帶來的影響，同時對數字信號進行放大。然后，濾波獲得的數字信號通過時鐘管理器的時間校準與同步，進入細粒度計數組件內，該組件主要完成對特定點位的選取，進而減少后臺服務器的運算量。將處理后的數字信號經由串口模塊（ＲＳ２３２）發送到ＰＣ 端服務器內，服務器整合了具體的數據校準算法，對數據的誤差進行計算，并對激光傳感器產生的誤差進行自動修訂。

２．２ 軟件設計

數字信號處理技術使得針對激光傳感器的校正可以在數據層面上開展，避免了對傳感器內部元器件及邏輯的修正，也不需要對其進行物理改變，進而校準精度可控，且校準過程較為便捷。在利用數字信號處理技術進行校準的過程中， 需要構建對應的算法［５］ 。

首先，需要按照采集的信息對交點空間距離進行求解。在數據采集階段，需要將傳感器光條的中心線在數據處理單元中進行擬合，形成中心支線與靶向標點之間的交叉特征方程，該方程的影響指標包括兩方面因素。一是對光條中心點的提取，在此過程中需要考慮在數據采集中是否形成畸變；二是需要對傳感器拍攝圖像進行函數構建，具體以４ 個隨機相交直線作為參考，構建有效的空間函數，公式為：

３．４ 抗噪聲結果

激光傳感器在實際的應用中會受到一定的干擾，

其測量條件無法達到實驗條件。在實際工況情況下是否能夠發揮應有的效能尚未可知。因此，本文采用外源添加干擾源的方式對系統施加了２ 種干擾方式，從而對其抗噪性能進行評價。具體而言，第１ 種方式是在實驗過程中將激光傳感器放置于測試平臺后，在二者之間放置高斯噪聲發射源，噪聲區間在０．０１ ～０．１０ ｍｍ（ｌ２）；第２ 種方式是將外源噪聲源放置在檢測臺邊緣位置，置于激光傳感器測試范圍之外（ｌ３ ）。

當激光傳感器位置發生變動后，外源噪聲源隨之變化，保持相對位置不變。對不同模式下的平移矢量系數進行測定，與無干擾源工況（ｌ１ ）進行對比，其結果如圖６ 所示。

由圖６ 可以看出，２ 種外源噪聲的引入對于誤差校正均具有一定的影響，其中處于中間干擾位的干擾源擾動效果最為明顯，造成的平移矢量平均超過８０％（ｌ２）；而處于檢測范圍外的干擾源干擾效果較弱，平均干擾幅度在４０％左右（ｌ３）。另外，隨著高斯噪聲波長的提升，干擾效果得到了有效的抑制，在達到０．１后，ｌ３ 的干擾可以忽略，ｌ２ 的干擾也降低到１０％以下。

上述結果說明本文設計的濾波裝置抗干擾效果相對較好，尤其是在大波長干擾時表現突出。

４ 結束語

本文以數字信號處理技術為主要理論支撐，在分析激光傳感器誤差校準系統需求的基礎上，對其總體設計、硬件設計以及軟件設計進行規劃與實現。同時，利用實物構建的方式對系統的穩定性、精度以及抗噪聲性進行檢測。結果表明，本文系統對于誤差的校準能力較強，具有較高的實踐價值，但在抗噪聲性上還需改善。

參考文獻：

［１］ 周澄，許勝，曹健，等．數字信號處理技術的激光傳感器測量誤差校準系統［Ｊ］．激光雜志，２０２２，４３（１１）：４１?４６．

［２］ 王丹，李磊，李小燕，等．基于誤差校正模型的高精度測量機控制策略［Ｊ］．中國測試，２０２２，４８（３）：１３６?１４１＋１５６．

［３］ 鄧世祥，呂彥明，王康，等．線激光測量點云數據誤差的預測與補償［Ｊ］．激光與光電子學進展，２０２２，５９（１６）：４５８?４６５．

［４］ 張旭，陳愛軍，沈小燕，等．基于線激光傳感器的工件尺寸測量系統的誤差補償方法［Ｊ］．計量學報，２０２０，４１（１２）：１４４９?１４５５．

［５］ 任紀穎．基于圖優化的差速移動機器人激光ＳＬＡＭ 研究［Ｄ］．濟南：山東大學，２０２０．

作者簡介：姬曉穎（１９８４—），大專，助理工程師，研究方向：電子信息工程研究。