玄柳，何慶，徐華，于存貴

（1.南京理工大學(xué)江蘇南京210094；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所上海201108）

基于雙2D激光位移傳感器的空間運(yùn)動(dòng)物體位置探測(cè)

玄柳1，何慶2，徐華2，于存貴1

（1.南京理工大學(xué)江蘇南京210094；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所上海201108）

要獲得空間運(yùn)動(dòng)物體的位置，需要實(shí)時(shí)探測(cè)被測(cè)物體特征點(diǎn)在空間中的三維坐標(biāo)信息，為了解決這一問(wèn)題，提出了基于雙2D激光位移傳感器的空間運(yùn)動(dòng)物體探測(cè)系統(tǒng)。首先，對(duì)2D激光位移傳感器進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，包括2D激光位移傳感器的工作原理及傳感器的選型；其次，詳細(xì)介紹了雙2D激光位移傳感器三維定位方案，包括方案的選擇及方案的實(shí)現(xiàn)原理；最后，通過(guò)被測(cè)物體橫、縱坐標(biāo)探測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)，以及軸、縱坐標(biāo)探測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性。實(shí)驗(yàn)證明基于雙2D激光位移傳感器的空間運(yùn)動(dòng)物體位置信息探測(cè)系統(tǒng)不會(huì)受被測(cè)物體的圓弧面的影響，且探測(cè)精度高、無(wú)需通過(guò)復(fù)雜的信息處理，采樣頻率最高可達(dá)10K，有利于提高信號(hào)探測(cè)的實(shí)時(shí)性。

信號(hào)探測(cè)；2D激光位移傳感器；凸起標(biāo)志；實(shí)時(shí)性

當(dāng)物體在空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)，要實(shí)時(shí)探測(cè)被測(cè)物體在空間中的三維坐標(biāo)信息，目前方法有很多，比如利用攝像機(jī)通過(guò)對(duì)圖像處理進(jìn)行特征點(diǎn)的定位［1］。但是，若使用兩個(gè)攝像頭組成雙目立體視覺(jué)探測(cè)系統(tǒng)，就必須要對(duì)兩個(gè)攝像頭都進(jìn)行標(biāo)定，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性［2］。如果使用單目視覺(jué)進(jìn)行信號(hào)探測(cè)，則會(huì)增加圖像處理算法的復(fù)雜性，延長(zhǎng)處理時(shí)間。同時(shí)使用機(jī)器視覺(jué)要進(jìn)行大量的圖像處理，使得系統(tǒng)的采樣頻率降低，影響探測(cè)的實(shí)時(shí)性。另外，由于被測(cè)物體為不規(guī)則形狀，當(dāng)物體表面為弧面時(shí)易對(duì)攝像頭視覺(jué)定位造成干擾，產(chǎn)生較大的誤差［3］。

鑒于此提出了一種基于雙2D激光位移傳感器的空間運(yùn)動(dòng)物體位置探測(cè)方法，不需要進(jìn)行復(fù)雜的信息處理，不受物體形狀影響，定位精度高，實(shí)時(shí)性好。2D激光位移傳感器可以測(cè)量金屬、陶瓷、木材、塑料等材料的表面，具有測(cè)量范圍寬、測(cè)量精度高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1　探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.12D激光位移傳感器工作原理

2D激光位移傳感器可以用來(lái)測(cè)量被測(cè)物體表面任一點(diǎn)的二維坐標(biāo)信息，由激光發(fā)生器、透鏡、鏡片、二維數(shù)組器、信號(hào)處理器、外殼等組成，其工作原理

基于光學(xué)三角測(cè)量法［4］，工作原理示意如圖1所示。

2D激光位移傳感器工作原理：半導(dǎo)體激光發(fā)生器作為光源，其發(fā)射出的激光通過(guò)透鏡后形成激光扇面，激光扇面與被測(cè)物體相交形成輪廓線(xiàn)，被測(cè)物體將激光反射到鏡片上，鏡片將所收集的反射光投影到二維數(shù)組器上，信號(hào)處理器通過(guò)分析處理二維數(shù)組器上的圖形信號(hào)就可獲得被測(cè)物體輪廓線(xiàn)上任一點(diǎn)的縱向深度信息以及距激光扇面中心線(xiàn)的橫向信息［5］。

2D激光位移傳感器所發(fā)射出的激光扇面與被測(cè)物體相交產(chǎn)生一條交線(xiàn)，該激光交線(xiàn)由若干激光數(shù)據(jù)點(diǎn)組成［6］。2D激光位移傳感器可測(cè)出被測(cè)物體在激光交線(xiàn)上的任一特征點(diǎn)到傳感器的縱向距離y，以及到視場(chǎng)中心線(xiàn)的橫向距離x。通過(guò)一個(gè)2D激光位移傳感器可以獲得被測(cè)物體上特征點(diǎn)的二維坐標(biāo)，那么利用兩個(gè)2D激光位移傳感器就可以獲得特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)［7］。

1.2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在被測(cè)物體上放置水平、豎直兩個(gè)凸起標(biāo)志，通過(guò)兩個(gè)2D激光位移傳感器檢測(cè)兩個(gè)凸起標(biāo)志的二維信息（橫向與縱向、軸向與縱向）就可以實(shí)現(xiàn)物體在空間坐標(biāo)系中的三維定位?；陔p2D激光位移傳感器的運(yùn)動(dòng)物體空間位置探測(cè)系統(tǒng)的主要構(gòu)成如圖2所示。

圖1　2D激光位移傳感器工作原理示意圖

圖2　探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

要探測(cè)的特征點(diǎn)位于被測(cè)物體的表面上，在被測(cè)物體的表面有兩個(gè)凸起標(biāo)志，其中一個(gè)凸起標(biāo)志呈豎直方向，為豎直凸起標(biāo)志，另一個(gè)凸起標(biāo)志呈水平方向，為水平凸起標(biāo)志，兩凸起標(biāo)志相互垂直，且豎直凸起標(biāo)志的延長(zhǎng)線(xiàn)穿過(guò)特征點(diǎn)。在兩凸起標(biāo)志相對(duì)應(yīng)的位置分別設(shè)置有兩個(gè)位置固定的2D激光位移傳感器。

初始狀態(tài)下，兩2D激光位移傳感器的激光扇面垂直于相應(yīng)的凸起標(biāo)志，視場(chǎng)中心線(xiàn)穿過(guò)相應(yīng)的凸起標(biāo)志。兩2D激光位移傳感器與相應(yīng)的凸起標(biāo)志的安裝距離為d，且兩2D激光位移傳感器的連線(xiàn)平行于豎直凸起標(biāo)志。

被測(cè)物體沿3個(gè)方向平動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)范圍在2D激光位移傳感器的探測(cè)范圍內(nèi)，并保證被測(cè)物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，兩凸起標(biāo)志與相應(yīng)的2D激光位移傳感器的激光扇面存在交點(diǎn)［8-9］。

在被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，水平凸起標(biāo)志與相對(duì)應(yīng)的2D激光位移傳感器的激光扇面交點(diǎn)為A，A到視場(chǎng)中心線(xiàn)的距離為x1（軸向），A到2D激光位移傳感器的距離為y1（縱向）；豎直凸起標(biāo)志與相對(duì)應(yīng)的2D激光位移傳感器的激光扇面交點(diǎn)為B，B到視場(chǎng)中心線(xiàn)的距離為x2（橫向），B到2D激光位移傳感器的距離為y2（縱向）。

設(shè)初始狀態(tài)下，被測(cè)物體的特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)為（0，0，0），則被測(cè)物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)為（x1，（y1+y2）/2-d，x2）。這樣通過(guò)兩個(gè)2D激光位移傳感器即可獲得空間運(yùn)動(dòng)物體的位置信息。

2　實(shí)驗(yàn)及分析

本實(shí)驗(yàn)所用信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)的傳感器為上海思信科學(xué)儀器公司的2D激光位移傳感器，其型號(hào)為GOCATOR 2350，其實(shí)物如圖3所示。

圖3　2D激光位移傳感器實(shí)物圖

2D激光位移傳感器參數(shù)如表1所示。

2D激光位移傳感器的MR為沿y方向的測(cè)量范圍，F(xiàn)OV為沿x方向的測(cè)量范圍，CD為安裝凈距離。2D激光位移傳感器與被測(cè)物體之間的安裝距離要考慮CD的影響［10］。

2.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在雙2D激光位移傳感器三維定位實(shí)驗(yàn)中，2D激光位移傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)被測(cè)物體兩個(gè)凸起標(biāo)志在傳感器坐標(biāo)系中的二維坐標(biāo)信息，然后將探測(cè)到的坐標(biāo)信息反饋給上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示被測(cè)物體凸起標(biāo)志的二維坐標(biāo)信息。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所使用的實(shí)驗(yàn)器材包括被測(cè)物體、2D激光位移傳感器、同步觸發(fā)器、上位機(jī)及軟件［11］。

表1　2D激光位移傳感器參數(shù)表

本實(shí)驗(yàn)中將被測(cè)物體定為一平面靶板，在該靶板上放置兩個(gè)凸起標(biāo)志，兩個(gè)凸起標(biāo)志方向分別呈水平方向、豎直方向，水平凸起標(biāo)志長(zhǎng)為260 mm、豎直凸起標(biāo)志長(zhǎng)為150 mm，凸起標(biāo)志寬3 mm、高3 mm，凸起標(biāo)志選用反光性強(qiáng)的材料，被測(cè)物體如圖4所示，通過(guò)推動(dòng)被測(cè)物體沿三個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)模擬空間物體的運(yùn)動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，必須保證凸起一直在2D激光位移傳感器的測(cè)量范圍內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，2D激光位移傳感器激光線(xiàn)與被測(cè)物體凸起標(biāo)志始終相交于一點(diǎn)，由2D激光位移傳感器測(cè)得此凸起點(diǎn)在傳感器坐標(biāo)系中的二維坐標(biāo)信息。

圖4　被測(cè)物體模擬圖

由于通過(guò)兩2D激光位移傳感器分別獲取的兩凸起標(biāo)志二維坐標(biāo)信息解算得到運(yùn)動(dòng)物體在空間坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)信息，因此，必須保證兩個(gè)2D激光位移傳感器在同一時(shí)刻的信息同步［12］。鑒于此，使用同步觸發(fā)器來(lái)使兩個(gè)2D激光位移傳感器同時(shí)觸發(fā)，從而保證所探測(cè)的兩凸起標(biāo)志的坐標(biāo)信息同步。同步觸發(fā)器［13］的實(shí)物如圖5所示。

2D激光位移傳感器所獲得的坐標(biāo)信息在上位機(jī)軟件界面里呈現(xiàn)，如圖6所示，圖中曲線(xiàn)凸起點(diǎn)為2D激光位移傳感器激光線(xiàn)與被測(cè)物體凸起標(biāo)志交點(diǎn)，其橫坐標(biāo)為2D激光位移傳感器激光線(xiàn)與被測(cè)物體凸起標(biāo)志交點(diǎn)到2D激光位移傳感器視場(chǎng)中心線(xiàn)的距離，其縱坐標(biāo)為2D激光位移傳感器激光線(xiàn)與被測(cè)物體凸起標(biāo)志交點(diǎn)到2D激光位移傳感器的距離［14］。本實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)下，2D激光位移傳感器與被測(cè)物體之間的安裝距離為500 mm，被測(cè)物體上兩凸起標(biāo)志均在2D激光位移傳感器視場(chǎng)中心線(xiàn)上，通過(guò)配置上位機(jī)軟件，將縱坐標(biāo)值減去500 mm后進(jìn)行二維曲線(xiàn)顯示，此時(shí)，曲線(xiàn)凸起點(diǎn)在傳感器坐標(biāo)系原點(diǎn)處。隨著被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)，曲線(xiàn)凸起點(diǎn)在傳感器坐標(biāo)系中作相應(yīng)變化。

圖5　同步觸發(fā)器實(shí)物圖

圖6　上位機(jī)軟件界面圖

2.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1）被測(cè)物體橫、縱坐標(biāo)探測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)（左右、前后方向）

通過(guò)2D激光位移傳感器探測(cè)豎直凸起標(biāo)志可以定位被測(cè)物體在空間坐標(biāo)系中的橫、縱坐標(biāo)［15］，其探測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)如圖7所示。

圖7　被測(cè)物體橫、縱坐標(biāo)探測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)圖

曲線(xiàn)凸起點(diǎn)橫坐標(biāo)值為被測(cè)物體在空間坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)值，曲線(xiàn)凸起點(diǎn)縱坐標(biāo)值為被測(cè)物體在空間坐標(biāo)系中的縱坐標(biāo)值。初始狀態(tài)下，曲線(xiàn)凸起點(diǎn)在坐標(biāo)系的原點(diǎn)處，代表被測(cè)物體特征點(diǎn)在空間坐標(biāo)系中橫向、縱向的位移量均為零；當(dāng)推動(dòng)被測(cè)物體沿橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲線(xiàn)凸起點(diǎn)橫坐標(biāo)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，而縱坐標(biāo)不變；當(dāng)推動(dòng)被測(cè)物體沿縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲線(xiàn)凸起點(diǎn)縱坐標(biāo)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，而橫坐標(biāo)不變；當(dāng)推動(dòng)被測(cè)物體軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲線(xiàn)凸起點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)均不變。

2）被測(cè)物體軸、縱坐標(biāo)探測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)（上下、前后方向）

通過(guò)2D激光位移傳感器探測(cè)被測(cè)物體水平凸起標(biāo)志可以定位被測(cè)物體在空間坐標(biāo)系中的軸、縱坐標(biāo)，其探測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)如圖8所示。

圖8　被測(cè)物體軸、縱坐標(biāo)探測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)圖

曲線(xiàn)凸起點(diǎn)橫坐標(biāo)值為被測(cè)物體在空間坐標(biāo)系中的軸坐標(biāo)值，曲線(xiàn)凸起點(diǎn)縱坐標(biāo)值為被測(cè)物體在空間坐標(biāo)系中的縱坐標(biāo)值。初始狀態(tài)下，曲線(xiàn)凸起點(diǎn)在坐標(biāo)系的原點(diǎn)處，代表被測(cè)物體在空間坐標(biāo)系中軸向、縱向的位移量均為零；當(dāng)推動(dòng)被測(cè)物體沿軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲線(xiàn)凸起點(diǎn)橫坐標(biāo)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，而縱坐標(biāo)不變；當(dāng)推動(dòng)被測(cè)物體沿縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲線(xiàn)凸起點(diǎn)縱坐標(biāo)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，而橫坐標(biāo)不變；當(dāng)推動(dòng)被測(cè)物體沿橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲線(xiàn)凸起點(diǎn)軸、縱坐標(biāo)均不變。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

被測(cè)物體橫、縱坐標(biāo)探測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)和軸、縱坐標(biāo)探測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙2D激光位移傳感器三維定位方案的可行性。同時(shí)驗(yàn)證了被測(cè)物體分別沿橫向（左右）、縱向（前后）、軸向（上下）單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)，2D激光位移傳感器探測(cè)的其余兩個(gè)方向的坐標(biāo)無(wú)變化，即物體沿一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)其余兩個(gè)方向坐標(biāo)的探測(cè)無(wú)影響，證明了該方案的準(zhǔn)確性。

3　結(jié)論

針對(duì)空間運(yùn)動(dòng)物體位置探測(cè)問(wèn)題，本文提出了基于雙2D激光位移傳感器的空間運(yùn)動(dòng)物體位置探測(cè)方案。該方案通過(guò)兩個(gè)2D激光位移傳感器獲得被測(cè)物體上特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，檢測(cè)精度高，采樣頻率快，且避免了復(fù)雜的圖像處理和分析運(yùn)算，有利于提高跟蹤的實(shí)時(shí)性。

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Position detection of spatial motion objects based on double 2D laser displacement sensor

XUAN Liu1，HE Qing2，XU Hua2，YU Cun-gui1
（1.Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；2.Shanghai Institute of Astronautical Systems Engineering，Shanghai 201108，China）

To gain the position of spatial motion objects，it is needed to detect the three-dimensional coordinate of measured object feature points constantly.So there is a spatial motion objects detected system based on double 2D laser displacement sensor.First of all，there is an introduction about double 2D laser displacement sensor，including double 2D laser displacement sensor's principle and sensor type.Secondly，introducing the project based on double 2D laser displacement sensor and axial and vertical coordinates detection simulate experiments to prove the project is available.Experiments prove that the spatial motion objects detected system based on double 2D laser displacement sensor is not influenced by measured object's cambered surface.It has high detection precision and doesn't deal with flexible informations.The sample frequency is 10k highly.All these are better to raise signal detection's instantaneity.

signal detection；2D laser displacement sensor；salient sign；instantaneity

TN91

A

1674－6236（2016）12-0060-04

2016-01-05稿件編號(hào)：201601023

上海航天科技創(chuàng)新基金（SAST201410）

玄柳（1990—），女，山東泰安人，碩士研究生。研究方向：智能探測(cè)與控制技術(shù)。