（信号与信息处理专业论文）集成视觉的增强光学测距系统dsp软件实现.pdf

摘要 激光三角传感器作为一种非接触精密位移传感器在工业在线实时监测领域 得到了广泛的应用，是工业质量保证领域必备的检测手段。而具有旋转对称特性 的集成视觉增强型光学测距系统克服了传统激光三角传感器易受遮挡的缺点，提 高了测量精度，在未来这种传感器将得到更加广泛的应用。 本文的研究工作是为集成视觉的增强型光学测距系统开发基于d s p 嵌入式 系统的系统软件和快速算法，以提高系统的集成度和性能从而满足传感器系统的 高精度和实时性要求。 本文的主要工作包括： ( 1 ) 为系统定制基于d s p b 1 0 s 的实时操作系统，并在此基础上开发了符合 d s p b i o s 标准的驱动程序，并实现了将b a y 盯格式的图像转换为常用的r g b 格式。 ( 2 ) 利用d s p 提供的硬件资源和指令集系统实现了程序优化，提高程序的 执行速度。 ( 3 ) 为了方便测量系统可以在不同的程序功能间进行切换，在d s p 嵌入式 平台上开发了白加载系统。 ( 4 ) 针对已有算法的缺陷和传感器的设计指标，为传感器开发了专用的快速 算法。 ( 5 ) 分别测试了传感器的系统软件和快速算法，并比较了算法改进前后的性 能和精度。 关键字：旋转对称激光三角传感器，d s p ，自加载系统，勋1 m a l l 滤波器 a b s t r a c t a st h ef a s td e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r y ，1 a s e rt r i a n g u l a t i o ns e n s o ri s w i d e l yu s e di nal o to fa r e a so fi n d u s t ry t h ea u g m c n t e do p t i c a ld i s t a n c c m e 踟姗e n ts y s t 啪b ym t e f a t e d “s i o nc 印a b i l i t yw i t hr o t a t i o n a ls y m m e t r i c a l f e a t u r ec a no v e r c o m em ei n h e r e n ts h o r t a g e so ft h et r a d i t i o n a ls e n s or s o r e s e a r c hf o rt h ea u g m e n t e ds e n s o ri sv e r yi m p o r t a n tt ot h e 如t u r ei n d u s t r y d e v e l o p i n gs y s t e m s o f t w 盯ea n df a s t a l g o r i t h m so nd s pe m b e d d e d p l a t f o ma r em a i nw o r ko ft h i st h e s i sf o ri m p r o v i n gt h es p e e da n dp r e c i s i o no f t h es e n s o r t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si n c l u d e s ： ( 1 ) c o n f l g u r et h ed s p b 1 0 sa st h er e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e ma n dd e s i g n ad e v i c ed r i v e rf o rt h ec m o ss e n s o ra n dv i d e op o r tu n d e rd d k i nt h ed r i v e r t h eb a y e rp a t t e mc o l o ri sc o n v e r t e dt or g bc o l o r ( 2 ) f r o mm u l t i - a s p e c t ss u c ha sm e m o r ys y s t e ms o f t w a r ep i p e “n e sa n d p r o g r a ms t r u c t u r et oo p t i m i z et h ep r o g r a m ( 3 ) f o rs w i t c ha m o n gd i f f e r e n tf u n c t i o n so ft h es e n s o r ，as e l f - a u t ol o a d s y s t e mi sd e s i g n e do nt h ed s pp l a t f b m ( 4 ) d e s i g nf a s ta l g o r i t h m st oi m p r o v et h ep e r f o m a n c ef o rt h es e n s o r ( 5 ) d os o m ee x p e r i m e n t st ot e s ts y s t e ms o f t w a r ea n df a s ta l g o r i t h m s ， k e yw o r d s ：r o t a t i o n a ls y m m e t r i c a ll a s e rt “a n g u l a t i o ns e n s o r ，d s p s e l f - a u t o l o a ds y s t e m ，k a l m a nf i l t e r 插图清单 图1 1 本文描述的智能传感器用于在线质量监控2 图1 2 激光三角传感器基本工作原理4 图1 1 传感器结构原理图4 图1 3 传感器激光特性5 图1 4p s d 的基本结构6 图1 5 传感器信号处理的基本方法6 图1 6 激光三角传感器的应用范围7 图2 1 第一代传感器的光学设计原理9 图2 5 第一代传感器实验系统1 0 图2 6 新传感器光学系统结构1 1 图2 7 ( a ) 传感器c a d 模型( b ) 传感器光学设计原理1 1 图2 s 传感器的信号处理平台结构1 2 图2 91 m s 3 2 0 d m 6 4 3 的功能框图二1 3 图2 9 指令执行的各个阶段1 5 图4 21 r i 推荐的d s p 软件框架1 9 图3 3 系统c h a f l i l d 构成2 0 图3 4 视频驱动程序结构2 l 图3 5 图像数据传输流程2 1 图3 6 采用循环填充的视频缓冲2 2 图3 7c m o s 图像传感器的b a y 盯模式色彩分布2 3 图3 8b a y e r 模式下对3 3 块的中心元素插值红色和蓝色分量的4 种情况2 3 图3 9 插值g 分量时的两种情况2 4 图3 1 0 两种存储器构架2 5 图3 1 1c o f f 的文件结构3 0 图3 1 2 自加载系统运行原理3 2 图3 1 3 自加载系统的运行流程3 3 图3 1 4p c 端数据接收和显示测试程序。3 4 图4 1 粗检测过程3 5 图4 2 完整圆环可能出现的位置3 8 图4 3 如何建立索引矩阵3 8 图4 4 由索引矩阵得到的图像3 9 图4 5 各种情况下改进粗检测算法的结果3 9 图4 6 离散卡尔曼滤波器循环更新图4 2 图4 8 测量系统的k 丑1 m a n 滤波器状态更新原理图4 4 图4 9 测量系统的算法框架4 5 图4 - 1 0 强噪声下的圆环图像及其展开4 5 图4 1 1r o i 行剖面4 6 图4 1 2r o i 行剖面4 6 图4 1 3 改进算法效果4 8 图4 1 4 用于实验的图像对4 9 表格清单 表3 一lc o f f 文件的组成部分3 0 表3 2 重定位表结构。3 1 表3 3 特殊符号列表3 l 表4 1 ：离散卡尔曼滤波器时间更新方程4 2 表4 2 ：离散卡尔曼滤波器状态更新方程4 3 表4 3 精检测算法测试与比较4 9 表4 4 改进算法速度测试5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导r 进行的研究1 作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 盒胆量些厶堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：下毫芬签字日期：2 唧年，2 月，3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒蟹些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被卉阅和借阅。本人授权盒吧! ：些厶翌可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采 j 影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：彳每罨 签字日期：2c 田年，z 月，3 日 学位论文作者毕业后去向： t 作单位：毒鼎参慈【体寸友疋c 上晦) 暂僦习 通讯地址：上f 每年、2 琳终年j 鸠 导师签名 签字日期：2 ，石7 年l 瑚歹日 电话：口2 ，一莎，2 j ，占7 汐 邮编：2 一口上j j 致谢 三年研究生生活就要结束了，三年来发生的点点滴滴至今历历在目。在这些 经历之中最珍贵的就是在实验室度过的每一天，有为解决不了项目中的问题而失 眠的时候，有项目结束时成功的喜悦，有实验室团结一心组织神经网络会议忙的 不可开交的时候。也有整天对着电脑发呆低沉的时候。但无论在什么时候，我的 导师高隽教授总是在背后支持我、教导我、帮我指明前进的方向，高老师不仅教 会了我如何做学问，更教会了我要如何做一个正直的人，对学问认真严谨的人。 衷心的感谢高老师把我带入师门，并且给了我众多锻炼的机会，没有高老师就没 有我的今天。 对我来说三年来最大的收获不是学到了多少知识，而是让我学会了坚持和忍 耐。在项目中遇到困难时要坚持，在没有项目时更要坚持学习，耐心等待属于自 己的机会。三年来除了高老师外还有很多实验室的老师和师兄们在技术上给予了 我极大的帮助和支持，在我所参与的项目中张旭东老师一直是我们的项目负责人 和重要成员，他对我在技术细节上的指导让我总能感到柳暗花明；三年中有很多 问题都是在同王晓嘉和王磊两位博士的讨论中解决的，他们严谨的思维和丰富的 知识让我受益匪浅，我在进实验室后也是在他们的指导下才能渐入佳境。在此由 衷的感谢张旭东老师，王晓嘉博士和王磊博士。 在这三年里还有在德国难忘的三个月，非常感谢师弟魏靖敏在德国给我的帮 助和鼓励；感谢j o h 锄n 船在德国给我的慷慨帮助和关心，感谢o t t 教授的悉心指 导：这是我永远珍贵的记忆。 另外感谢实验室的所有老师、同学、师兄师姐、师弟师妹，与大家相处这三 年半的时间里，我感受到了温暖、快乐和团结，衷心的祝愿实验室蒸蒸日上。 三年来我的父母在生活上无时无刻对我关心、支持，虽然我希望能早日自立， 过自己的生活，但是如果没有你们的支持和鼓励我又怎能继续前进。 感谢女友的陪伴，我想说没有你我不可能有这么愉快的工作和生活，感谢你 对我的包容和关怀。感谢女友家人的关心、照顾和支持，你们让我感到了亲人般 的温暖。 最后再次感谢所有老师、同学、亲人、朋友以及所有关心和支持我的人! 1 1 研究背景 第一章绪论 随着工业生产的飞速发展，工业产品的几何特性( 包括：几何尺寸、表面平整度、 表面曲率等等) 成为其质量监测的重要参数之一。而这些特征都可以通过位移测量技术 获得。在现代工业领域中使用的位移传感器技术所涉及的科学领域十分广泛，包括检 测技术、精密仪器技术、电磁技术、激光技术、图像处理技术、机器视觉技术、计算 机技术、传感器技术等等。所以位移传感器是各个学科交叉融合的结果。 检测技术的任务是寻找与自然信息具有相对应关系的、有种种表现形式的信号， 以及确定二者间的定性、定量关系；从反映某一信息的多种信号表现中挑选出对所处 条件下最为合适的表现形式，以及寻求最佳的检出、变换、传输、处理、存贮、显示 等的方法和相应的设备【l j 。目前主要比较多的还是采用非电量电测量技术，即通过各 种传感器把非电量变换成电量，再用测电量的方法检测这些反映非电量的电信号。因 此检测技术主要分为电量的测量和非电量的电测量两大类 3 】。 d s p 是一种专用的数字信号处理器。随着超大规模集成电路技术上取得的突破进 展，高度集成化的d s p 数字信号处理器具有体积小、功耗低和运算速度快等诸多优点， 因此非常适用于位移传感器信号的采集和处理。将d s p 技术嵌入传感器是现代传感器 的发展方向，由于传感器将传统的信号采集和现代的信号处理技术融为一体，使得处 理过程得到了很大的简化，并且大大提高的传感器的集成度，传感器的输出控制更加 丰富，可以是数字信号也可以是模拟信号。这些特征使传感器能够应用到更广泛的领 域。 智能传感器一1 ( s m a r ts c i l s o r 或i n t e l l i g e i l ts 衄s o r ) 是传感器技术发展的一个重要方 向，它的历史可以追溯到1 9 7 8 年由美国宇航局在宇航工业发展中开发出来的产品， 宇宙飞船中有大量传感器不断向地面发送温度、位置、速度和姿态等数据，由于一台 大型计算机难以同时处理这样多的数据，于是提出把c p u 分散化的解决方案，这样 就产生出智能化传感器。随着微电子技术的发展，1 9 8 3 年，美国h o n e y e l l 公司首次 推出过程工业中应用的智能压力传感器。早期的智能传感器主要强调如何将传感器和 处理芯片集成的方法，以及如何在一个传感器上集成更多的检测功能。智能传感器被 定义为具有一种或多种敏感功能，能够完成信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计 算、双向通讯，内部可实现自检、自校、自补偿、自诊断、具备以上部分功能或全部 功能的器件口j 。从这些特性方面可以很容易看出，智能传感器系统较之传统传感器有 了质的飞跃，它代表了传感器的发展方向。 智能传感器的实现是基于高负荷数据量的处理和高度集成的功能。因此将检测技 术和d s p 技术融合到一起将很容易实现所谓的智能传感器，d s p 是专为高负荷数字 信号处理而设计的，这种特点正好能满足智能传感器的需要，另外当今的高性能多媒 体处理器如t i 公司的达芬奇系列d s p 不仅继承了d s p 的信号处理的特性，而且在片 上集成了微控制器、专用的视频和音频片上系统，丰富的外设接口，从而能在一块单 芯片上实现几乎所有的信号处理功能，为智能传感器的实现提供了功能强大的处理和 应用平台。智能传感器的特性很适合用于工业生产中的在线闭环检测和在线实时质量 监控，本文所描述的集成视觉的增强型光学位移传感器在工业生产线上的实时在线质 量监测应用如图1 1 所示。 图1 1 本文描述的智能传感器用于在线质量监控 1 2 研究领域极其相关发展 1 2 1 位移测量技术简介 测量是将被测量与标准量进行比较的过程 4 】。距离的测量即为长度的测量，常用 的长度测量的标准量有：光波波长，量块的长度，光栅、容栅的栅距，磁栅的节距， 感应同步器的线距，线纹尺的刻度间距以及精密丝杠的螺距等。常用的长度测量方法， 按照直接测量的量与需要测量的量之间的关系，可以分为： ( 1 ) 直接测量 直接测量是将被测量与标准量进行比较，从而直接获得所需测量的值。直接测量 方法简便，但对于被测物体的形状要求比较严格，定位调整比较复杂。直接测量还可 分为绝对测量和相对测量。绝对测量法测量时，仪器示值为被测量的绝对值。用于绝 对测量的测量器具常以刻度尺、光栅尺、激光等作为测量基准。一般具有绝对零位， 示值范围较大，有几十至几百毫米，大的可达数米甚至数十米。常用的绝对测量器具 有：游标卡尺、千分尺、光学测长仪、激光干涉测长仪、双频激光干涉仪、测长机以 及万能工具显微镜等。相对测量法测量时，仪器示值为被测量相对于某一定值标准量 的偏差值。相对测量的仪器多称作测微以或比较仪，一般具有放大倍数大，示值范围 小，测量精度高，零位可调等特点。为了减小测量误差，标准件应尽可能与被测工具 有相同的材料及形状，标准量也应尽可能与被测量有相同的定义及公称值。常用的相 对测量仪器有：杠杆千分表、扭簧式比较仪、光学比较仪、接触式干涉仪以及一些采 用电感、电容、气压、光强等测微位移原理的比较测量仪器【l 。 ( 2 ) 间接测量 间接测量方法是测量与被测量有函数关系的几个量，并通过函数计算出被测量的 值。间接测量有利于提高检测能力，也有利于提高检测精度，一般定位调整较容易， 但数据处理较复杂。以前，间接测量主要用于测量直接测量无法测得的参量或直接测 量达不到精度要求的场合，但随着计算机应用以及数据自动处理系统的普及，间接测 量的采样读数及数据处理工作大大简化，对于复杂形状、大尺寸与微小尺寸的测量的 精度与速度也在不断提高，应用也越来越广泛。常用的间接测量法有坐标测量法、弓 高弦长法、滚子法、激光衍射法、激光能量法等【l o j 。 1 2 2 非接触位移传感器简介 距离作为非电量，对其的检测，需要利用各类传感器的物理特性，将长度与位移 这类非电量，转换成电量进行测量。常用的非接触测距传感器按其电量转换原理不同， 有以下几大类一纠： ( 1 ) 电磁感应位移传感器，主要有三种类型：电感式传感器、电涡流式传感器、 霍尔式传感器。例如m i c r o e p s i l o n ( 米铱) 公司的“ps 饥s o r 【他】系列传感器被安装在不同 品牌的现代化家用洗衣机内，监测滚筒运转状况；另外还安装在汽车引擎中监测气缸 中活塞的位置变化。电感变压式传感器适用各种机械设备及自动化生产线，具有极高 的稳定性和抗干扰能力。 电感式传感器利用铁芯随被测量移动，改变了磁路磁阻，从而引起线圈电感量的 变化，然后通过测量电路将电感量变化转换成与位移成比例的电量变化，实现了非电 量的电量转换。电感式位移传感器主要采用接触式测量方式，不适宜高频动态测量。 电涡流测距传感器利用电涡流效应进行非电量的电量转换，即在线圈产生的交变 磁场范围内放置一导体，导体内产生电涡流，并将生成一个反向的新磁场，从而削弱 原磁场，导致线圈的电感量、阻抗和品质因数的改变，当测量线圈与被测导体间距发 生变化，导体产生的磁场对线圈的影响也会发生变化，从而可以由线圈参数变化量， 获得被测导体位移量。电涡流传感器的结构简单，灵敏度高，频响范围宽，采用非接 触式测量方式，不受油污等介质的影响，使用范围广，但被测物体必须为导体。这几 种传感器属于超高精度传感器，精度通常可以达到纳米级。 ( 2 ) 电容式传感器，电容系位移传感器的测量建立在理想化平板式电容原理的基 础上，因此对所有导电材料无需特别的线性校准，即可得到高精度的测量结果。通 过线性校准后，也可用于对半导体和绝缘体材料的测量。例如米铱公司的 c a 口a n c d l 坦】系列传感器就是高精度电容型位移传感器。这种传感器也属于超高精度 的，通常可以达到纳米级。 ( 3 ) 基于飞行时间的传感器。这种传感器主要有超声波测距传感器、微波和无线 电波测距传感器、以及激光测距。测量时，都是通过测量波发射到被物体反射回来所 需时间间隔来计算物体的位置。与前几种传感器不同的是，这种传感器主要用于长距 离的测量。这种传感器属于大量程，低精度，通常精度可以达到厘米或米级。 倔置距两 图1 - 2 激光三角传感器基本工作原理 ( 4 ) 激光三角位移传感器。上世纪8 0 年代末9 0 年代初，人们开始将激光与三角 测量原理相结合，做成了可以进行非接触位置、位移测量的精密传感器，激光三角测 距传感器。由于三角测距法的原理较为成熟，实现方式简单，而激光测距作为光电检 测中的一种非接触式测量，具有测量速度快、精度高、抗干扰能力强、测量点小、适 用范围广等优点陋7 】，因此被广泛应用于工业生产现场，用于几何量的非接触式在线测 量。这种传感器的精度比超高精度位移传感器稍低，通常在零点几微米到几十微米之 间。 1 2 3 激光三角传感器的基本原理和应用 ( 1 ) 激光三角法的原理 其基本原理如图1 2 所示，传感器投射一道激光到被测物体上，激光经被测物体 反射后在传感器的成像器件或光敏感器件上。依靠反射光在传感器上的成像位置的变 化与传感器到被测物体距离变化的线性关系就能同过成像位置的变化求出距离的相 对变化。 图1 1 传感器结构原理图l ( 2 ) 激光三角传感器子系统构成 激光三角传感器一般由三部分构成【”】：激光输出和光学设计部分、接收器部分、 4 以及处理器部分，其结构如图1 2 所示。 1 ) 激光输出和光学设计部分 通常使用的激光输出器件是激光二极管，这种器件输出的是一种界面为条状的激 光光束。目前市场上般的廉价低功率激光二极管产生的激光，其界面宽度从几百纳 米到几微米不等。传感器使用一组光学镜片对输出的激光进行聚焦，其焦点就落在偏 置距离点( s t a l l do f r d i s t a i l c e ) 。激光在焦点处的光点大小是由激光二极管的品质和镜片 组的光学设计共同决定的，而激光在焦点处的光点特征却决定了整个传感器的设计和 测量限制。因为只有当被测物体的表面特征尺寸大于等于激光焦点处光点尺寸时，被 测物体对于传感器来说才是可测量的。也就是说激光焦点处尺寸决定了输出激光的空 间分辨。激光焦点处的光点大小并非在整个测量范围之内都是一致的，在激光的焦点 处其尺寸最小，越远离焦点其光点尺寸越大，如图1 3 所示。并且在相同激光输出的 情况下，使焦点尺寸越小，那么光点尺寸将随距离焦点的距离非常迅速的变大。这将 导致传感器工作范围迅速减小。所以传感器的工作范围将由激光特性和设计指标共同 决定，要求测量的精度越高那么工作范围将越窄；相反测量精度越低，工作范围就越 大。 图1 3 传感器激光特性 经物体反射的激光也要通过一组光学镜片成像到接收器件上，这部分的光学设计 同样重要，因为需要在狭窄的传感器内实现入射光线的聚焦并满足测量范围所要求的 光路。 2 1 接收传感器部分 传统的激光三角传感器使用位置敏感器件p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e v i 嘲作为激 光反射光线的接收器。激光三角传感器使用的p s d 是一种一维模拟器件器件，其结构 如图1 4 所示。p s d 最大的优势就是速度非常快，通常可以达到2 0 0 姐z ，这来源于这 种器件的物理特性和及其简单的后处理。从p s d 两端输出电流大小的差异可以计算出 激光光点在p s d 上的位置，当激光光点落在p s d 探测区域的中心时，两端输出的电 流大小相等。因此光点位置= ( x ：一_ ) ( x ：+ 一) ，而检测出的这个位置是激光光点的光 强重心。 图1 - 4p s d 的基本结构1 1 1 l 基于p s d 的传感器的缺点也正是有检测光强重心的特点带来的。在某些情况下， 由于被测物体表面的不规则性造成p s d 上存在两个反射的激光光点，这时p s d 输出 的光强重心将位于两个光点之间，很明显这种情况下p s d 输出的结果是错误的。为了 克服这一问题，现在大部分激光三角传感器都是使用c c d 或者是c m o s 作为接收器。 使用c c d 或c m o s 可以检测成像光点的灰度形貌，但是后处理较为复杂，需要使用 较高性能的处理器以满足性能上的要求。 图1 5 传感器信号处理的基本方法1 3 ) 处理器部分 对于传统的基于p s d 激光三角传感器，由于其处理的数据量非常小，处理算法及 其简单，因此使用简单的微处理器就可以完成所有任务。使用c c d 或者c m o s 的激 光三角传感器需要更多的后处理，基本方法包括阈值法和窗口法，基本原理如图1 5 所示。阈值法可以用于去除在一些小的噪声点引起的峰值，而窗口法则可以用于检测 多个强反射点，比如用于检测玻璃板厚度时由于玻璃上下两个反射面会造成两个成像 点，同时检测出两个像点的位置求出相对距离从而能很容易得到玻璃板的厚度。 ( 3 ) 激光三角传感器的应用 激光三角传感器在现代工业生产中的应用范围很广，主要可以应用于，机械制造 和加工、精密仪器、汽车制造业、大型设备制造、航空航天等等。其中一些主要应用 如图1 6 所示。 磊画照 ( a ) 告圄乖 ( e )(o(g) 图1 6 激光三角传感器的应用范围 ( a ) 剖面轮廓测量，( b ) ( c ) 三维轮廓扫描，( d ) 液面高度测量， ( c ) 平整度测量，( f ) 旋转对称性测量，( e ) 旋转对称度测量 ( 该图片来自图像处理研究室j o h a n n e se c k s t e i n ) 1 3 论文的主要工作及章节安排 本论文的研究工作依托中德合作p p p 项目“r o t a t i o n a ls y i i l m e 研cd i s t a n c es s o r w i m 叩t i c a l 丘f o 叽m m rs u r f h c cf b ra p p l i c a t i o ni i l 缸d u s m a lq u a l i t y 部g u r 蚰c e ” ( 2 0 0 5 2 0 0 6 ) 和“a u g r n e n t c d 叩t i c “d i s t a i l c em e a s u r 锄ts y s t 锄b yi n t 唧t e dv i s i o n c 印a b i l 时”( 2 0 0 7 ) 。在这两个项目的研究中，本实验室的两位博士王晓嘉、王磊完成 了项目的前期研究工作，包括该旋转对称传感器( 】盯s ) 误差因素研究，位移测量不确 定度极限研究，基于集成视觉系统的三维信息获取，特征指导的快速高分辨率信息获 取，传感器标定方法研究，传感器信号处理方法研究，物面特性对传感器信号处理的 影响等研究工作，并研制出了基于p c 的实验系统。上述研究工作完成了测量系统的 理论验证，验证了测量系统的抗遮挡性、高精度、鲁棒性，通过实验获得了测量系统 的一系列参数和数据。目前项目的研究工作是在上述研究的基础上展开的，目的是通 过引入d s p 技术使实验系统小型化，提高系统集成度，将信号采集和处理集成到一个 小型的嵌入式系统上，最终的目标是开发出一种智能的旋转对称激光三角传感器。本 文的研究工作主要是d s p 嵌入式信号处理平台的软件部分，包括：d s p 系统软件的 设计，这包括驱动程序、操作系统、程序优化等等；在保证系统测量精度的同时设计 信号处理的快速算法，弥补目前实验系统性能低下的缺点，满足工业生产的实时性要 求；做实验分别测试了系统软件和改进的快速检测算法。论文的章节安排如下： 第一章介绍课题的研究背景和意义，介绍了位移传感器的种类和原理，阐述了激 光三角传感器的原理、发展趋势以及应用范围。 第二章介绍了传感器的光学设计的进展和原理，以及d s p 嵌入式系统硬软件各个 部分的作用和特点。 第三章阐述了系统软件的设计，包括操作系统、驱动程序、程序优化、以及自加 载系统的原理和实现。 第四章深入分析了现有信号处理算法的优缺点，在此基础上阐述了算法改进的思 路和实现方法。 第五章系统性能测试和信号处理算法的对比试验。 第六章为总结和展望部分，是对课题的一个小结，概括了课题研究的进展和不足， 指出了下一步工作的重点和目标。 第二章集成视觉的增强型光学测距传感器系统构架 2 1 传感器的组成介绍 如第一章所述，激光三角传感器分为三个部分激光输出和光学设计部分、接 收传感器部分和处理器部分。在两次的中德合作p p p 项目中先后诞生了两代新 型的旋转对称激光三角传感器：基于自由镜面的旋转对称光学距离传感器( 在本 文中将该传感器简称为r s t s ) 和集成视觉的增强型光学传感器( 在本文中将该传 感器简称为r s t s p r 0 1 。这两个传感器的激光输出和光学设计部分是由德国 h e i l b r o 皿大学光学实验室设计并实现的。而后两部分( 实际上被集成到了处理系 统这一个模块上) 是由中方合肥工业大学图像与信息处理研究室设计并实现的。 这两代的传感器基本思想是一致的，即采用了旋转对称性的光学设计。这种 设计用于克服传统激光三角传感器在遇到被测物体表面倾斜和不连续的表面如 孔、台阶时由于反射光束受到遮挡，从而引起传感器失效或者需要增加额外的机 械自由度来保证探头与工件表面的角度【8 9 ，l3 1 。测量的基本原理就是将成像传感 器到被测物体的距离线性映射为成像c m 0 s 上圆环的半径值，因此只要能精确 检测出半径值就能通过线性变换求出距离值，因此处理系统的主要任务就是围绕 精确检测圆环半径值而展开的。 翌童堕塾垄兰笙 _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 通过半径计算距离 主要处理任务 就是圆环半径 的精确检测 图2 1 第一代传感器的光学设计原理o 2 2 第一代基于自由镜面的传感器( r s t s ) r s t s 的光学设计是由使用两片具有旋转对称性的放射镜面实现的，其原理 如图2 1 所示，这种旋转对称性光学设计的激光三角传感器相当于在被测物体周 围放置无数个传统三角测量传感器，这种特性相当于对同一被测点从各个不同的 方向进行多次测量，这就使得测量结果具有更高的精度和鲁棒性。 r s t s 的光学设计特点是，克服表面遮挡和具有不同反射特性的被测物体表 面对激光三角传感器的不利影响；在同样几何布局的条件下，可以得到更高的精 9 度，为传统激光三角测量的4 6 倍；光学系统设计简单，很容易加工，从工艺 上来说，一旦设计定型，完全可以采用磨具冲压加工，这将使整个传感器的价格 非常具有竞争力 7 8 】。 图2 1 第一代传感器实验系统口1 ( 该图片来自图像与信息处理研究室王晓嘉) r s t s 实验系统如图2 - 2 所示，这套实验系统很好的验证了传感器的设计指 标和原理。r s t s 实验系统验证了旋转对称原理的可行性，通过大量的研究和实 验获得了系统的参数，验证了设计指标。研究表明，这种具有旋转对称特性的传 感器具有传统激光三角传感器无法比拟的优势，具有广阔的工业用途和极高的商 业价值。 但r s t s 毕竟是一套实验系统，器系统结构松散，体积庞大，处理速度极慢 ( 在p 42 o g h zd d r l l g 的p c 机上只能达到5 h z 处理速度) ，这样的性能显然不 能满足工业生产的要求，因此在第二期的中德合作p p p 项目中设计并实现了第 二代的集成视觉能力的增强型光学传感器r s t s p r o 以满足工业应用的需求。 2 3 第二代集成视觉的增强型光学位移传感器( r s t s - p r o ) 为了克服r s t s 在应用方面的不足，新的传感器采用了全新的设计，这主要 体现在传感器的光学设计和信号处理平台两部分。 2 3 1 第二代传感器的光学设计 r s t s p r o 的光学设计由测量和视觉两部分组成，为了减小光学系统的体积 和重量，新的传感器采用了折射式的光学设计。整个光学系统的结构如图2 6 所 1 0 示，测量系统和视觉系统采用了不同波长的可见光作为传播介质，测量系统使用 红光，而视觉系统采用的是蓝光。在系统中使用了一片带通滤光片来分离光学系 统中两个部分的光线，该滤光片对入射激光( 波长 = 6 3 2 8 啪) 完全反射，而对于 5 5 0 r 吼以下波长的光束有很好的透射度，因而采用了蓝色的l e d 作为视觉系统 的照明光源。通过在系统周围均匀布置环形的l e d 照明可以是图像传感器得到 一个均匀明亮的图像【8 】。因此，如图2 6 所示，被物体反射的蓝光可以通过中轴 线上的镜片组从而进入成像传感器( 图2 6 中蓝色光路所示) ，而由被测物体反射 的激光只能通过视觉系统( 中轴线外围的光学系统) 进入图像传感器( 图2 6 中红色 光路所示) 。 图2 - 6r s t s - p r o 光学系统结构，图中红色部分为测量系统光路，蓝色部分为视觉系 统光路。( a ) 图像传感器( b ) 激光器( c ) 带通滤波器( d ) 反射镜( e ) 视觉照明系统( f ) 被测物体 ( 该图片来自图像处理研究室j o h a n n e se c i s l e j n ) 图2 - 7 ( a ) 传感器c a d 模型( b ) 传感器光学设计原理 ( 该图片来自图像处理研究室j o h a n n e se c k s l e i n ) 测量系统光学设计如图2 7 ( b ) 所示，它由了两片环形共焦的镜片组成，其光路 设计基本思想与第一代传感器的反射式类似。位于中轴线上的视觉系统采用了反 远距式的光学设计，其视野比第一代传感器有所提高。在最后的实现中，将测量 系统的光学设计和视觉系统光学设计共同实现到了两片光学镜片的不同部分上， 如图2 7 ( a ) 所示，两片镜片的外围环形部分为测量光学部分，而中心部分则是视 觉光学部分。虽然目前光学镜片的加工成本较高，但由于光学系统的简单实现( 整 个系统仅由两片镜片组成) ，因此从工艺上来讲，一旦设计定型，在大批量生产 是完全可以采用模具冲压加工，这将是光学系统的成本大大降低，每片仅需5 0 元人民币。 2 3 2i 塔t s p r o 的信号处理平台 r s t s 采用p c 作为其信号处理平台，其设计比较简单，但是系统的体积和 质量都太大，不适合在工业生产中安装和应用。有鉴于此，r s t s p r o 的信号处 理平台采用了基于d s p 的嵌入式系统，将信号获取、处理、以及处理结果的传 输集成一体，应用实时操作系统( r t o s ) ，并能将处理后的信息通过高速 i ，0 ( e t h 啪吒u s b ) 传至执行机构或主机。该传感器具有体积小、重量轻、集成度 高、处理能力强、便于安装使用等诸多优势。信号处理系统的结构如图2 - 8 所示， 系统由信号采集、信号处理、以及通讯三部分组成【”j 。下面将分别介绍这三个 部分的原理和作用。 图2 - 8 传感器的信号处理平台结构 ( 1 ) d s p 信号处理器 1 m s 3 2 0 d m 6 4 3 d s p 是美国德州仪器公司t i 公司推出的新一代并行处理 d s p 芯片，属于目前高性能的定点多媒体芯片。t m s 3 2 0 d m 6 4 3 片内有8 个并行的 处理单元，分为相同的两组。它的体系结构采用超长指令字 ( v e r y l 0 n g 山s 仃u c t i o n w o r dv u w 1 5 】) 结构，每条指令字长为3 2 b i t 【l “，8 条指令组 成一个指令包，总字长为8 3 2 - 2 5 6 b i t 。芯片内部设置了专门的指令分发( d i s p a t c h ) 模块可以将2 5 6 b “的指令包同时分配到8 个处理单元，并由8 个单元同时运行具有 高达6 0 0 m h z 的d s p 核，从而使其运算能力达到4 8 0 0 m 口s 拍0 0 瑚z x 8 = 4 8 0 0 m 口s ) 。这些性能都确立了它在高端多媒体应用中的地位。不仅如此， 1 m s 3 2 0 d m “3 被称为数字多媒体芯片还因为它集成了多种外围接口，包括两个 可配置2 0 b i t 数字视频口( v p o r 一”川1 、l o ，1 0 0 m 以太网媒体无关接口 ( m d i d ”，l 即) 。这两个数字视频口分别带有高速的片上f 珲o ，使其可以直接和 c m 0 s 图像传感器链接【l9 】，并且支持传输r a w 格式的图像数据。而以太网媒体 无关口可以直接和网络物理芯片( p h n 链接，提供了1o 1 0 0 m 自适应的网络接口。 1 m s 3 2 0 d m 6 4 3 的结构如图2 9 所示，其主要特点包括： 图2 9t m s 3 2 0 d m 6 4 3 的功能框图【垌 1 ) 总线采用哈佛结构 哈佛总线结构不同于传统的冯诺依曼( v o nn e u 尬n ) 结构的并行体系结构 【2 0 0 “。这种结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，也就是将 程序存储器和数据存储器分为两个不同的独立存储器，每个存储器有独立编址， 独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总 线，从而使数据的吞吐量提高了一倍。诺依曼结构则是将指令、数据、地址存 储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据 还是地址。取指令和取操作数都访问同一存储器，数据吞吐量低。 对于面向数据密集型算法的d s p 而言，采用冯诺依曼总线结构将使系统性 能受到很大限制，例如最常见的卷积运算中，一条指令同时取两个操作数，在流 水线处理时，同时还有一个取指令操作，如果程序和数据通过一条总线访问，取 指令和取操作数必会产生冲突，而这对大运算量的循环的执行效率是很不利的。 因此d s p 采用了具有独立程序总线和数据总线的哈佛总线结构。 1 1 公司的d m 6 4 3d s p 芯片采用改进的哈佛结构，允许数据总线和程序总线 的局部交叉，数据可以存放在程序存储空间中，被算术运算指令直接使用。而两 级高速缓冲存储器c a c h j l 5 盈】的使用，利用了著名的时间和空间局部性原理，是 程序在局部范围内增强重用性，不用每次都从存储器中读取，省去了数据和指令 的读取时间，从而提高了运行速度。 2 ) 多个独立功能单元 d m 6 4 3 的c p u 内部有8 个独立功能单元【”】，即两个乘法器和六个a u j ，8 个 功能单元最多可以在一个周期内同时执行八条3 2 位指令。由于多功能单元的并行 操作，使d s p 在相同时间内能够完成更多的操作，因而提高了程序的执行速度。 这种安排使得软件流水线的冲突减少，从而能更好的发挥效用。 3 ) 硬件乘法器 d s p 的应用场合特点决定了乘法操作时d s p 的一个主要任务之一。比如在包 含有滤波、矩阵运算等带有乘累加操作的程序中。而通用微处理器内通过复杂指 令集实现的乘法操作往往需要1 0 0 多个时钟周期，非常费时，因此在d s p 内设有 硬件乘法器来完成乘法操作。c 6 4 x 中1 6 位乘法可以在一个指令周期内完成，还 可以与加法并行形成滤波器的基本操作乘累加操作，完成个乘法和一个加法只 需一个指令周期。 4 ) 流水线技术【l 刨 在d m “3 内每条指令的执行分为取指、解码、执行这三个阶段，每个阶段 称为一级流水【l6 】。在这三个阶段中，对于所有的指令，取指和解码两个阶段的 时间是一样的，而在执行阶段的时间存在差别。这三个阶段又可分为更细的几个 阶段，如图2 9 所示。由于各个阶段间的独立性，因此当一条指令在执行时，并 不需要等待这条指令执行结束后才能执行下一条指令，只要当前指令执行完 p g ( 程序地址生成) 阶段进入p s ( 程序地址发送) 阶段后，下条指令就可以立即开 始其p g 阶段。这种尽量缩短指令执行间隙的方法就是流水线技术的基本思想。 流水处理使得若干条指令的不同执行阶段并行执行，因而能够提高程序执行速 度。理想情况下，一条k 段流水能在k + ( n 1 ) 个周期内处理n 条指令。其中前k 个周 4 期用于完成第一条指令的执行，其余n 1 条指令的执行需要n - 1 个周期。而非流水 处理器上执行n 条指令则需要n k 个周期。当指令条数n 较大时，流水线的填充和排 空时间可以忽略不计，可以认为每个周期内执行的最大指令个数为k ，即流水线 在理想情况下效率为1 。而这仅仅是一条流水线的情况，在1 r i 的d m 6 4 3d s p 中由 于提供了8 个独立的功能单元，也就是说在理想情况下最多可以提供8 条流水线， 这也正是一个指令包内最多包含8 条指令的原因，这种条流水线的存在将成倍提 高程序的执行效率，因此频率较p c 的c i s c 类型c p u 低的d