张爱琳;李璐
【摘 要】Robot arm can be more accurate to complete the tasks of the space;the normal work of the premise is to accurately detect the target location.When the distance far from the target ,radar,vision,sensors and other methods were needed to be used to detect the target .However ,the accuracy and stability of the traditional measurement methods are poor when the distance to the tar -get is near .A kind of laser sensor with high precision was designed .And the three point laser range sensor was used to measure the position and orientation of the robot arm .The research shows that the laser distance sensor designed in this paper can finish the task with high precision ,and can meet the requirements of the robot arm to detect the target .%机械臂可以较准确地完成各项空间任务,其正常工作的前提是精确检测到目标位置.当距离目标较远时,就需要采用雷达、视觉、传感器等方式对目标进行检测.但距离目标较近时,传统测量方法的精度和稳定性较差.设计了一种精度较高的近距离实时测距激光传感器.并利用机械臂末端三点激光测距传感器对平面位姿进行测量.研究表明,设计的激光测距传感器可以高精度的完成任务,满足机械臂对目标进行检测的要求. 【期刊名称】《仪表技术与传感器》 【年(卷),期】2017(000)001 【总页数】4页(P42-45)
【关键词】激光测距传感器;机械臂;平面位姿;测量 【作 者】张爱琳;李璐
【作者单位】内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头 014010 【正文语种】中 文 【中图分类】TP242
当前，国外比较有代表的激光三点测距产品是美国Banner机构研发的Q50和PicoDot系列、德国Micro-Epsilon机构研发的opto-NCDT系列、日本Keyence机构研发的LB、LS以及LK-G系列[1]。最新的探讨课题集中在激光三点测距误差控制、速率提升等领域。M.V.Mohan等对激光三点测距传感器(CCD)的最小测距距离进行试验分析，提出最小测距距离的改进光路。根据仿真分析，该光路能够将最小测距距离扩大约9%[2]。P.F.Huang等通过实验，提出可以通过一种极化算法有效化解被测物的镜面反射，从而提升CCD的测量精度。此外，Alexander Konig等提出可以利用机器人进行轮廓跟踪，从而解决延时问题并提升测量速率[3]。英国工程科研小组Neptec Design Group提出可以在实时位姿估计中融入CCD，通过合理规划CCD的路径，从而获取被测物体三维信息[4]。 国内激光三点测距研究的起步较晚，相关产品的商业化程度也较低。如表1所示，为当前国内比较典型的激光三点测距传感器参数，该CCD由华中科技大学研制，该激光测距传感器已经比较成熟，但仍需要进一步改进。 1.1 总体设计方案
激光测距传感器的总体设计方案需要依据“单独设计，综合考量”的逻辑，充分考虑光学、机械和电气等方面的因素[5-6]。如图1所示，本研究所提出的激光测距
传感器系统包括目标物、三角法光学系统以及电气系统3部分。在测量时，三角法光学系统居于核心位置。其中，激光发射系统向目标物所发射激光会以光斑信号形式被接收系统所获取；接收系统会将光斑信号转换为电信号，并通过CCD驱动电路输入电气系统作进一步处理。 1.2 传感器光学系统参数设计
激光测距传感器的测量精度受被测物面/CCD感光面与透镜之间的距离、激光轴线/CCD感光面与透镜光主轴的夹角、光斑在CCD感光面的移动距离等参数的影响。结合本研究传感器的测距、精度要求，选择ILX559G线阵激光测距传感器，其像原大小为4 μm，像元数为5 400，符合研究要求[7]。另外，本研究所选择的激光二极管为ADL-630TL系列。
直射式光路条件下，当光斑处于透镜光轴时，将其作为基准[8]。此时，被测物面在激光发射方向移动的距离(记为y，mm)为0。在设计时，y在区间[-30,320]上取值；测距范围350 mm，其中有50 mm预留裕量[9]。计算光斑在CCD感光面的移动距离(记为x，mm)的最小值、最大值时，可按式(1)进行：
式中：ymin为y的最小值；a0为被测物面与透镜之间的距离；b0为CCD感光面与透镜之间的距离；α为激光轴线与透镜光主轴的夹角；β为CCD感光面与透镜光主轴的夹角；ymax为y的最大值。
设计参数包括距离值分布范围、测量精度以及尺寸宽度等，分别按式(2)计算: 式中：R为x分布范围；Smax为测量精度指标；L为激光测距传感器系统的尺寸宽度。
忽略像元细分，CCD系统的分辨能力取决于其像元大小。事实上，CCD系统分辨能力并非固定的。本研究中，将测量基准最近处像元的实际移动距离视为评估CCD系统分辨能力的指标并记为F，则F可按式(3)计算：
由式(3)可知，F值越小，表明CCD系统分辨能力越可靠。为有效控制测量系统宽
度以及传感器体积，需要选择适当的系统参数。然而，CCD系统测量精度又与CCD感光面大小相关。因此，选择参数需要平衡不同需求。在全程精度为0.2 F.S、CCD尺寸为21.36 mm条件下，本研究通过Matlab选取7组适当的系统参数如表2所示。 1.3 电气系统设计
在选择主控制器时，综合考虑稳定性、电路复杂性、集成度、处理速度以及硬件编程等标准，本研究认为现场可编程门阵列(FPGA)相对最适当。如图2所示，激光测距传感器电气系统包括FPGA、激光器光强检测模块、激光器驱动模块、CCD模块、信号采集处理及存储模块、CCD像元细分及标定模块、通信总线模块等部分。其中，FPGA通过SPI通信接口将所采集到的被测物位置信息进行处理和存储，并通过PPSe或者UART通信总线与机械臂主控或者PC机通信。最后，基于PC机及存储模块的数据，CCD像元细分及标定模块能够确定被测物三维信息。 2.1 检测方法
在检测被测物平面位姿时，采用3个单点激光测距传感器向被测物同时发生激光束，并通过综合各个传感器所测得距离计算被测物位姿。如图3所示，△ABC的3个顶点A，B，C分别对应一个激光发射点；△A1B1C1的3个顶点A1，B1，C1分别对应一个激光束在被测物上的照射点。被测物平面S与3个激光发射点的距离分别为：
为便于计算，将A点设为传感器坐标系原点，则传感器平面坐标系为
O(0)=[O;i,j,k]，i轴与直线BC垂直；将A1点设为目标平面坐标系原点，则传感器坐标系为O(1)=[O1;i1,j1,k1]，其中D1为直线B1C1的中点；被测物平面S与i1轴垂直。需注意，将坐标系O(0)先后绕i轴、j轴作θ，φ角度旋转，再沿k轴平移LA的距离，则可得坐标系O(1)。
本研究所搭建的试验平台包括机械臂、传感器控制系统、被测物、激光传感器(3
个，位于机械臂末端)、激光跟踪仪。在实验时，被测物保持相对静止，通过机械臂末端位姿的变化来调整激光传感器移动，从而完成对被测物位置信息的采集。所采用的激光跟踪仪为Tracker Cal-3系列，具有良好的稳定性、测量空间较大、分辨率高(1 μm)且测量精度可靠(±0.5 ppm，1 ppm=10-6)，能够对机械臂末端位姿、被测物平面进行检测，从而控制位移误差。 2.2 结果与分析
当机械臂末端以某角度旋转时，3个传感器与被测物的距离值会发生相应变化。经过15次测量和计算，所得值如表3所示。
如图4所示，依据表3数据，经计算可得被测物平面在传感器坐标系的位姿变化情况。
当机械臂末端转动一个角度时，传感器测得距离与激光器跟踪仪所得距离存在差异，对比二组值则为三点法测量的位姿误差。结果如图5所示。由图5可知，随着机械臂末端转动次数增加，三点距离传感器的位姿测量误差也相应增加。可见，机械臂末端旋转角度增加、测距范围扩大都可能降低传感器测量精度。不过，从15次的测量结果来看，测量距离误差在1.0 mm以内，角度误差在0.8°以内，测量结果精度可接受。
设被测物平面误差为u0，被测物距离差为up，距离值的局部分量为dL(f)，则有： 式中 为表示被测物平面与传感器的位置向量，[O,O1,LA]T。
由式(5)和式(6)可知，即使是3个传感器发射方向正确，被安装平面有偏角，也会影响位姿测量精度。此时，需要通过标定模块进行校正。当激光发射方向有误差时，位姿测量精度也会产生误差。假设激光器发射设定方向BB1与实际方向BB2之间存夹角γ，设定方向BB1与被测物平面夹角为α，则传感器测距理想值L与实际值Lr之间存在的偏差δ可按下式计算：
由式(7)可知，γ对δ的影响程度远不及Lr。可见，在控制实验测量误差时，应该
重点关注传感器安装精度。
在运用激光传感器对被测物进行测量时，被测物平面与机械臂末端平面相对位姿可能存在误差。对此，本文设计了一种精度较高的近距离实时测距激光传感器，并利用机械臂末端三点激光测距传感器对平面位姿进行测量。研究结果表明，随着机械臂末端转动次数增加，三点法下的位姿测量误差也相应增加。机械臂末端旋转角度增加、测距范围扩大都可能降低传感器测量精度。不过，测量距离误差在1.0 mm以内，角度误差在0.8°以内，测量结果精度可接受。本文设计的激光测距传感器可以高精度的完成任务，满足机械臂对目标进行检测的要求。
【相关文献】
[1] 卢金燕,徐德,覃政科,等.基于多传感器的大口径器件自动对准策略[J].自动化学报,2015,41(10):1711-1722.
[2] MOHAN M V,DEVI S A,Teena C H,et al.A method for minimum range extension with improved accuracy in triangulation laser range finder[C]//Proceedings of the 1st International Conference on Wireless Technologies for Humanitarian Relief.ACM,2011: 115 -121.
[3] HU P F，XU Y S,LIANG B.Global Minimum-Jerk Trajectory Planning of Space
Manipulator[J].International Journal of Control,Automation and Systems,2006，4(2):405-413.
[4] 庄严,王伟,王珂,等.移动机器人基于激光测距和单目视觉的室内同时定位和地图构建[J].自动化学报,2005,31(6):113-121.
[5] 刘洞波,刘国荣,胡慧,等.基于激光测距的温室移动机器人全局定位方法[J].农业机械学报,2010,41(5):158-163.
[6] 杜钊君,吴怀宇.基于激光测距与双目视觉信息融合的移动机器人SLAM研究[J].计算机测量与控制,2013,21(1):180-183.
[7] 唐骥锋,刘国栋.基于多传感器融合的机器人蒙特-卡洛定位决策[J].传感器与微系统,2012,31(3):18-21.
[8] 王史春.新型的激光测距仪设计及关键技术研究[J].仪表技术与传感器,2014(5):106-110. [9] 王辉俊,刘永涛,尤文强,等.一种基于改进插值算法的手持激光测距仪[J].仪表技术与传感器,2013(12):97-98;101.
[10] 胡坤,黎尧,纪荣祎,等.新型飞秒激光跟踪仪中飞秒激光测距研究[J].仪表技术与传感
器,2015(6):28-30.
[11] 刘娇月,杨聚庆.飞秒激光频域干涉测距相位信号分析与处理[J].仪表技术与传感器,2015(9):99-102.
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