基于数字信号处理技术的激光传感器测量误差校准系统

摘要：在高端制造中，利用激光传感器对工件进行测量．可以达到校准精度的目的。基于此．文章以数字信号处理技术为主要理论支撑，首先分析了激光传感器误差校准系统的需求，并对其进行总体设计；其次，分别从硬件设计、软件设计两个维度进行了开发与实现；最后，利用实物构建的方式对系统的稳定性、精度以及抗噪声性进行检测。结果表明，该系统对于误差的校准能力较强，具有较高的实践与推广价值。

关键词：数字信号；激光传感期；误差校准

中图法分类号：TP212 文献标识码：A

１ 功能需求与总体设计

利用数字信号处理技术对激光传感器进行校准，主要实现传感器的自动校准，达到降低复杂度、提高效能、提高校准精度的根本目的［１］ 。从这一角度出发该系统的功能与总体的框架设计如下。

１．１ 系统功能需求

激光传感器误差校准在工业中的实际价值毋庸置疑，但针对当前传感器的校准流程与精度中存在的问题，有必要对其进行系统性开发，以达到提升效能的目的［２～３］ 。因此，本研究中基于数字信号处理技术的激光传感器校准需要具有如下功能：（１）需要满足连续测试功能，可以进行单独校准与联合校准；（２）具有数据信息收集功能，能够对激光传感器的数字信号进行收集与转化；（３）具有后台数据计算功能，能够在数字信号的基础上进行数据间的碰撞与转换，以及为激光传感器提供可靠的误差校准，同时进行迭代修正计算；（４）能够对数据信息进行保留与提醒，数据信息需要在后台数据库内与传感器编号对应，以供查询，需要在数字信号处理完毕后发出指令信息，以供工作人员判断校准是否完成。

１．２ 系统总体设计

基于上述的功能需求以及激光传感器校准的具体流程，在数字信号处理技术参与下，系统主要的总体结构如图１ 所示。

由图１ 可知，激光传感器测量误差自动校准系统包括３ 个基本模块，其一是测量工作平台，该平台主要对被测试传感器提供安装固定卡点，同时提供测试条件。在实际测试中，可以同时安装多个激光传感器并进行统一测量，本文以双传感器系统作为展示，后续功能可以支持更多的数据通道。其二是数据采集模块，该模块主要对激光传感器的精度校准提供数据收集功能，包括数据采集卡、测量误差校准模块２ 个主要部分，前者利用多种手段对激光传感器的相关反馈数据进行收集，并对数字信号进行统一转化，以供后续分析与校准所用［４］ ；后者则按照经验误差对激光传感器进行初步校准，并通过校准后的修订反馈值实现自动的初级校准，从而降低后续数据处理的计算量，提高校准的总体效能。其三是数据处理模块，此部分是本文研究的核心模块，主要通过求解平移适量及旋转矩阵对激光传感器的数字信号进行处理，从而建立误差校准的目标函数，实现校准功能。

２ 数字信号处理技术下激光传感器校准系统的设计与实现

在具体功能和总体框架设计的指导下，系统设计与实现主要分为硬件设计与软件设计，其中硬件设计主要包括测量系统和数据采集模块，软件设计的重点在于误差校准算法的设计。

２．１ 硬件设计

硬件设计主要包括数据采集模块以及误差校准信号处理２ 个基本部分。在数据采集模块的设计过程中，主要以ＣＸ３Ｓ５００Ｅ 单片机为核心，以Ｒｓ４８５ 为原型光栅编码，使编码后的数据进入数据采集模块中，实现对激光传感器数据的实时获取，同时该模块需要整合外接电源与电源管理模块，可以直接对现有电源单片机进行调用，供电逻辑为全时段供电，电压与电流分别为３．２ Ｖ 和０．５ Ａ。具体模块设计示意图如图２ 所示。

在处理误差校准信号时，在整合必要算法的基础上，需要对其进行一般硬件设计。设计中需要保障数据采集的时间标定，进而确定相同时空范围内图像与采集数据之间的一一对应。同时，需要对获取的数字信号进行滤波处理，以消除雜波与噪声的干扰。然后，将校准处理后的信号通过串口模块传输至ＰＣ 端，无论是在开发与实现的实验阶段还是在激光传感器的具体应用环节，基于数字信号处理技术的激光传感器校准均在ＰＣ 端的后台自动完成，同时输出传感器校正后的结果。具体的误差校准信号处理模块硬件设计如图３ 所示。

在图３ 中，首先经过圆形光栅获取初始的数据，在数据传输过程中通过时钟管理器对其进行时间编码。

编码后的图像进入高频滤波组件中并进行滤波操作，此过程能够有效消除系统噪音以及外部噪声带来的影响，同时对数字信号进行放大。然后，滤波获得的数字信号通过时钟管理器的时间校准与同步，进入细粒度计数组件内，该组件主要完成对特定点位的选取，进而减少后台服务器的运算量。将处理后的数字信号经由串口模块（ＲＳ２３２）发送到ＰＣ 端服务器内，服务器整合了具体的数据校准算法，对数据的误差进行计算，并对激光传感器产生的误差进行自动修订。

２．２ 软件设计

数字信号处理技术使得针对激光传感器的校正可以在数据层面上开展，避免了对传感器内部元器件及逻辑的修正，也不需要对其进行物理改变，进而校准精度可控，且校准过程较为便捷。在利用数字信号处理技术进行校准的过程中， 需要构建对应的算法［５］ 。

首先，需要按照采集的信息对交点空间距离进行求解。在数据采集阶段，需要将传感器光条的中心线在数据处理单元中进行拟合，形成中心支线与靶向标点之间的交叉特征方程，该方程的影响指标包括两方面因素。一是对光条中心点的提取，在此过程中需要考虑在数据采集中是否形成畸变；二是需要对传感器拍摄图像进行函数构建，具体以４ 个随机相交直线作为参考，构建有效的空间函数，公式为：

３．４ 抗噪声结果

激光传感器在实际的应用中会受到一定的干扰，

其测量条件无法达到实验条件。在实际工况情况下是否能够发挥应有的效能尚未可知。因此，本文采用外源添加干扰源的方式对系统施加了２ 种干扰方式，从而对其抗噪性能进行评价。具体而言，第１ 种方式是在实验过程中将激光传感器放置于测试平台后，在二者之间放置高斯噪声发射源，噪声区间在０．０１ ～０．１０ ｍｍ（ｌ２）；第２ 种方式是将外源噪声源放置在检测台边缘位置，置于激光传感器测试范围之外（ｌ３ ）。

当激光传感器位置发生变动后，外源噪声源随之变化，保持相对位置不变。对不同模式下的平移矢量系数进行测定，与无干扰源工况（ｌ１ ）进行对比，其结果如图６ 所示。

由图６ 可以看出，２ 种外源噪声的引入对于误差校正均具有一定的影响，其中处于中间干扰位的干扰源扰动效果最为明显，造成的平移矢量平均超过８０％（ｌ２）；而处于检测范围外的干扰源干扰效果较弱，平均干扰幅度在４０％左右（ｌ３）。另外，随着高斯噪声波长的提升，干扰效果得到了有效的抑制，在达到０．１后，ｌ３ 的干扰可以忽略，ｌ２ 的干扰也降低到１０％以下。

上述结果说明本文设计的滤波装置抗干扰效果相对较好，尤其是在大波长干扰时表现突出。

４ 结束语

本文以数字信号处理技术为主要理论支撑，在分析激光传感器误差校准系统需求的基础上，对其总体设计、硬件设计以及软件设计进行规划与实现。同时，利用实物构建的方式对系统的稳定性、精度以及抗噪声性进行检测。结果表明，本文系统对于误差的校准能力较强，具有较高的实践价值，但在抗噪声性上还需改善。

参考文献：

［１］ 周澄，许胜，曹健，等．数字信号处理技术的激光传感器测量误差校准系统［Ｊ］．激光杂志，２０２２，４３（１１）：４１?４６．

［２］ 王丹，李磊，李小燕，等．基于误差校正模型的高精度测量机控制策略［Ｊ］．中国测试，２０２２，４８（３）：１３６?１４１＋１５６．

［３］ 邓世祥，吕彦明，王康，等．线激光测量点云数据误差的预测与补偿［Ｊ］．激光与光电子学进展，２０２２，５９（１６）：４５８?４６５．

［４］ 张旭，陈爱军，沈小燕，等．基于线激光传感器的工件尺寸测量系统的误差补偿方法［Ｊ］．计量学报，２０２０，４１（１２）：１４４９?１４５５．

［５］ 任纪颖．基于图优化的差速移动机器人激光ＳＬＡＭ 研究［Ｄ］．济南：山东大学，２０２０．

作者简介：姬晓颖（１９８４—），大专，助理工程师，研究方向：电子信息工程研究。