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摘要:針對傳統(tǒng)光電三維檢測系統(tǒng)存在檢測精度低的弊端，設(shè)計基于嵌入式技術(shù)的光電精密檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過激光掃描光學(xué)系統(tǒng)采集光電脈沖信號，光電脈沖信號通過輸入脈沖細(xì)分電路進(jìn)行細(xì)分轉(zhuǎn)換處理，細(xì)分后的光電脈沖信號傳輸?shù)紺PU控制器中AVR單片機(jī)進(jìn)行處理后，實(shí)現(xiàn)光電信號采集和控制，通過畸變校正方法對光學(xué)畸變進(jìn)行校正。實(shí)驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的光電檢測。

關(guān)鍵詞:嵌入式技術(shù);光電精密檢測;激光掃描光學(xué)系統(tǒng);控制器

1引言

當(dāng)代社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)與光學(xué)技術(shù)愈發(fā)成熟，隨著對光學(xué)技術(shù)和光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的深入研究，各種光電檢測設(shè)備、檢測系統(tǒng)層出不窮。以往所使用的光電三維檢測系統(tǒng)通過大視場雙目光柵測量子系統(tǒng)與小視場光柵測量子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)拼接，實(shí)現(xiàn)被測件基于光電的三維檢測，沒有對光學(xué)畸變進(jìn)行校正，無法滿足當(dāng)下光電檢測的精度要求，所以設(shè)計一種可以準(zhǔn)確檢測物體系統(tǒng)的需求變得越來越迫切，使之成為相關(guān)研究人員的研究熱點(diǎn)之一［1－3］。嵌入式系統(tǒng)具有小型化、智能化、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在控制系統(tǒng)中使用范圍最為廣泛的，設(shè)計基于嵌入式技術(shù)的光電精密檢測系統(tǒng)，并通過實(shí)驗分析其性能。

2基于嵌入式技術(shù)的光電精密檢測系統(tǒng)

2．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計

基于嵌入式技術(shù)的光電精密檢測系統(tǒng)主要包括激光掃描光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號采集模塊和CPU控制器。激光掃描光學(xué)系統(tǒng)包括發(fā)射激光掃描光學(xué)系統(tǒng)及接收激光掃描光學(xué)系統(tǒng)兩部分［4］，將激光器發(fā)射的散狀光束轉(zhuǎn)為平行光束后對被測件實(shí)施掃描，光電管對接收激光掃描光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的光信號進(jìn)行接收，利用光電轉(zhuǎn)換模塊將廣信號轉(zhuǎn)成電信號，得到的電信號與被測件尺寸呈線性關(guān)系［5－6］。系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換模塊對激光掃描光學(xué)系統(tǒng)的光電脈沖信號進(jìn)行細(xì)分處理后傳輸給信號采集模塊。CPU控制器采用嵌入式AVR單片機(jī)，利用AVR單片機(jī)控制器通過信號采集電路控制信號采集模塊，在實(shí)現(xiàn)對電信號成功獲取的同時，將獲取的電信號傳輸至AVR單片機(jī)控制器內(nèi)進(jìn)行整流、放大、濾波等處理和存儲［7］。經(jīng)過處理的電信號通過AVR單片機(jī)控制器分別實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)鏡的電機(jī)、激光器的驅(qū)動控制和計算機(jī)的人機(jī)交互功能。

2．2系統(tǒng)的工作原理

發(fā)射激光掃描光學(xué)系統(tǒng)采用凸透鏡在將散狀光束轉(zhuǎn)為平行光束的同時，能夠降低多面體轉(zhuǎn)鏡導(dǎo)致的反射光束焦距移動的影響［8］，使被測件在進(jìn)行激光掃描時是以勻速進(jìn)行的，確保被測件的檢測精度。通過光電轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行細(xì)分處理的電信號，由信號采集模塊傳輸給CPU控制器中AVR單片機(jī)進(jìn)行處理后，輸出的方波信號的脈沖時間通過信號采集電路檢測進(jìn)行確定。假設(shè)T和t分別表示CPU控制器采集到的方波信號的脈沖時間和被測件遮攔掃描光束的時間［9］，那么有:t=T。因此，可以用式(1)對被測件的直徑D進(jìn)行描述:D=vt=vT(1)式中，v為激光掃描平行光束掃描被測件的速度。設(shè)wz、vz分別描述轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)的角速度和轉(zhuǎn)速，那么有:wz=2πvz(2)轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)角速度是激光掃描平行光束的轉(zhuǎn)速wl的二分之一，則有:wl=2wz=4πvz(3)f為發(fā)射激光掃描光學(xué)系統(tǒng)的焦距，那么有:v=4πvzf(4)將式(4)與式(1)相結(jié)合，得到:D=4πvzfT(5)m表示高頻脈沖數(shù)量，則:m=T/T0(6)式中，T0表示震蕩周期。T0=1/f0(7)式中，f0為震蕩頻率。將式(5)與式(6)相結(jié)合能夠得到:Dm=4πwzff0若分頻比為Q=f0/wz，與式(8)相結(jié)合能夠得到:D=4πmf/Q(9)

2．3光電精密檢測系統(tǒng)的硬

2．3．1光電轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)中光電轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)圖，其包括脈沖細(xì)分電路，脈沖采集計數(shù)電路，單片機(jī)Atmeg16和顯示電路［10］。光電轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)處理中心是AVR單片機(jī)Atmeg16，通過脈沖細(xì)分電路，脈沖采集計數(shù)電路，顯示電路的控制，光電轉(zhuǎn)換模塊將激光掃描光學(xué)系統(tǒng)中的光電脈沖信號進(jìn)行細(xì)分轉(zhuǎn)換處理，過濾掉其中的噪聲因素，獲取更加準(zhǔn)確的光電脈沖信號，提高光電檢測系統(tǒng)的檢測精度。

2．3．2輸入脈沖細(xì)分電路

激光掃描光學(xué)系統(tǒng)中不同的光電輸出脈沖中，每個脈沖都對應(yīng)真實(shí)位移及角度［11］，為提升基于嵌入式技術(shù)的光電檢測系統(tǒng)的精密度，在進(jìn)行系統(tǒng)倍頻電路設(shè)計時，利用四上升沿D觸發(fā)器芯片74HC175及雙4選1數(shù)據(jù)選擇器芯片74HC153把單個脈沖分為4個，實(shí)現(xiàn)輸入脈沖的細(xì)分，進(jìn)而提高系統(tǒng)檢測精度。

2．4光電精密檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2．4．1系統(tǒng)軟件整體流程設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括AVR單片機(jī)控制及計算機(jī)數(shù)據(jù)處理兩部分［12－13］。數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和同計算機(jī)的串行通信控制等是AVR單片機(jī)控制部分的功能，對數(shù)據(jù)處理結(jié)果實(shí)施整合、線性處理和誤差分析處理功能。

2．4．2光電畸變校正

光電精密檢測系統(tǒng)利用重心法可以對獲取的被測件中心位置予以確定［14］。f、h、h'、R、t表示激光掃描光學(xué)系統(tǒng)的標(biāo)定焦距、被測件高、被測件的真實(shí)成像高度、被測件與激光掃描光學(xué)系統(tǒng)中心的距離以及最佳像高與真實(shí)像高的比值(即畸變參數(shù))。那么可能得到:通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理能夠得到，在不知道輸入層同輸出層間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系的情況下，可利用對樣本數(shù)據(jù)實(shí)施訓(xùn)練的方法對輸入層同輸出層間的映射關(guān)系進(jìn)行構(gòu)建［15－16］。對被測件在激光掃描光學(xué)系統(tǒng)中真實(shí)成像與理論成像間的非線性光學(xué)畸變進(jìn)行校正的主要目的是構(gòu)建真實(shí)檢測值同校正結(jié)果(即理論檢測值)間的映射關(guān)系。基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的畸變校正中將真實(shí)光電信號檢測值看成輸入，將光電信號校正結(jié)果看成輸出，對光電畸變校正設(shè)備采集的信號樣本數(shù)據(jù)實(shí)施訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)基于嵌入式技術(shù)的光電精密檢測系統(tǒng)的光電畸變校正模型的構(gòu)建，以提升系統(tǒng)檢測精密度。構(gòu)建基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［17］的光電畸變校正模型的基礎(chǔ)是校正結(jié)果(即理論檢測值)的獲取。按照理論光電信號畸變系數(shù)與被測件真實(shí)檢測的物距、標(biāo)高情況，對基于嵌入式技術(shù)的光電精密檢測系統(tǒng)的理論畸變系數(shù)實(shí)施計算，按照激光掃描光學(xué)系統(tǒng)成像公式獲取被測件平面與激光掃描光學(xué)系統(tǒng)中心的距離:R=h°fh'°t=h°fn°I°t(11)式中，n、I分別表示光電畸變校正系數(shù)、像高所占的像元數(shù)目以及像元尺寸。將式(11)中得到的R帶入式(10)內(nèi)，能夠?qū)ζ渌麡?biāo)定點(diǎn)的畸變校正系數(shù)實(shí)施獲取，從而獲取被測件的校正結(jié)果。

3實(shí)驗結(jié)果與分析

在相同的實(shí)驗環(huán)境中，分別采用本文系統(tǒng)、三維檢測系統(tǒng)和增量式光電誤差檢測系統(tǒng)對軸徑不同的十組標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械零件實(shí)施檢測，分別將不同系統(tǒng)獲取的檢測結(jié)果與機(jī)械零件的實(shí)際軸徑向比較，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械零件軸徑測量的平均誤差值為0.0019nm，采用傳統(tǒng)的三維檢測系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械零件軸徑測量的平均誤差值為0.0088nm，采用增量式檢測系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械零件軸徑測量的平均誤差值為0.0062nm，實(shí)驗結(jié)果表明，相對于其它系統(tǒng)采用本文系統(tǒng)進(jìn)行光電檢測具有較高的準(zhǔn)確性。為了驗證本文系統(tǒng)的畸變校正性能，以某機(jī)械的零件為實(shí)驗對象，采用本文系統(tǒng)對其進(jìn)行畸變校正，與校正前2.0615pix的測量方差相比，校正值和理論值的方差更小，僅為0.1612pix。實(shí)驗結(jié)果表明，使用本文系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件畸變校正，進(jìn)行光電檢測的精密度更高。在相同的實(shí)驗環(huán)境中，從平均傳輸速度和傳輸時延兩方面，采用本文系統(tǒng)、三維檢測系統(tǒng)以及增量式檢測系統(tǒng)對某機(jī)械零件進(jìn)行檢測實(shí)驗，與其它兩個檢測系統(tǒng)相比較，本文系統(tǒng)的平均傳輸速率變化較平穩(wěn)，平均傳輸速度高;傳輸時延波動幅度小，說明使用本文系統(tǒng)進(jìn)行光電檢測具有較高的檢測效率。實(shí)驗為測試本文系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以某機(jī)械零件為試件，在相同的實(shí)驗環(huán)境中，采用本文系統(tǒng)、三維檢測系統(tǒng)以及增量式檢測系統(tǒng)對試件進(jìn)行檢測，記錄不同零件數(shù)量下不同系統(tǒng)所需的時間。在機(jī)械零件數(shù)量低于8000個的情況下，本文系統(tǒng)與其他兩個系統(tǒng)的運(yùn)行曲線均較平穩(wěn);當(dāng)機(jī)械零件數(shù)量高過8000個時，三個系統(tǒng)的運(yùn)行時間隨著零件數(shù)據(jù)量的增多而提升，但相較于其他兩個系統(tǒng)，本文系統(tǒng)的曲線變化較平緩，實(shí)驗說明采用本文系統(tǒng)進(jìn)行光電檢測的穩(wěn)定性較好。

4結(jié)束語

為了解決三維檢測系統(tǒng)在檢測精密度上的局限性，設(shè)計基于嵌入式技術(shù)的光電精密檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件方面利用輸入脈沖細(xì)分電路設(shè)計將輸入脈沖細(xì)分提升系統(tǒng)檢測精密度，軟件方面使用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的畸變校正方法提升系統(tǒng)檢測精密度，具有較高的應(yīng)用價值。

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作者:徐進(jìn) 李澤宏 單位:江蘇省光伏風(fēng)電控制工程研發(fā)中心