激光测距在机械手臂防碰撞自动控制中的应用
激光测距在机械手臂防碰撞自动控制中的应用
作者:陈里;
机械手臂以其精确的抓取功能以及强劲的动力深受机械制造厂商喜爱,它能够代替人手完成一些复杂、具有流水线性质的操作内容,稳定性强、工艺精度高,可在解放人类双手的同时达到节省用工成本的目的。机械手臂作业的安全性与可靠性一直是机械制造厂商的关注重点,在一些耗时长、零件昂贵的精密仪器加工中,由于机械手臂的灵活性低于人手,非常容易在加工过程中发生碰撞,导致零件损伤,影响生产进度。机械手臂防碰撞自动控制系统在此基础上被设计出来,它成为保证加工作业安全、可靠进行的基础,现已被赋予自动化与人机交互功能。当前,国际上对机械手臂防碰撞自动控制系统的报道非常少,这是由于系统仍未寻找到能够高度避免碰撞事故的测量方法,诸如几何仿真测量技术、嵌入式数控技术、传感技术等。几何仿真测量技术是一种离线监控与测量方法,只能事前或事后对加工进程进行规划,不能反应加工现场临时状况,对机械手臂的动态特性处理不全面;嵌入式数控技术的灵活性不强,加之机械手臂防碰撞自动控制系统本身的应用局限性,使其无法快速解决特殊碰撞事故;传感技术控制线程复杂,实用性差,不适合在机械制造厂商中安装。可见,选择一个好的测量方法对机械手臂防碰撞自动控制系统尤为重要,在此,考虑使用激光测距仪技术增益机械手臂作业的安全性与可靠性。
1机械手臂防碰撞自动控制系统概述
机械手臂防碰撞自动控制系统是一种安置于机械手臂控制台上的主动防御系统,系统的作用是在机械手臂与障碍物出现相互碰撞事故之前,暂停或微移机械手臂,同时发出警报。
机械手臂防碰撞自动控制系统拥有三个基础模块,分别是机械手臂工作环境监测模块、防碰撞运算模块以及机械手臂控制模块,前两个模块进行上机位控制,后一个模块进行下机位控制,下机位控制的作用是执行上机位控制指令,通过调节机械手臂的气门开度、转向角度、位移速度等参数减少碰撞事故。
当机械手臂处于正常作业状态时,仅机械手臂工作环境监测模块在后台实时监测机械手臂工作信息,障碍物有可能是附近的机械手臂,也可能是工作过程中遇到的各种机械设备、人员或墙面⑶。当存在碰撞几率时,机械手臂工作环境监测模块将这些信息传递到防碰撞运算模块,并连同机械手臂角度、速度信息一起运算出真实距离,与临界防碰撞距离进行对比,得到碰撞判定结果。随后通知机械手臂控制模块实现防碰撞控制。以上系统工作进程都以测距方法为导向,只有机械手臂与障碍物之间的距离超出临界值后,系统才会进行下机位控制。
2激光测距在机械手臂防碰撞自动控制中的应用
2.1脉冲式激光测距的应用
激光测距是使用具有亮度大、方向性强、相干性好的激光光束在物体之间进行反射,通过测量反射光信息获取物体距离。较比其它光束而言,激光光束的能量大并且不易损失,能够进行远距离传输,量程大,精度好。而且激光的传输速度也比较快,可有效节省测距时间。
受到机械手臂工作环境的限制,临界防碰撞距离通常不会太大,需要应用一种高精度的测距方法进行防碰撞控制。随着芯片集成性能与光路元件质量的快速提升,脉冲式激光测距的精度优势越来越明显,目前已达到微米级别,是脉冲式激光测距工作原理。
激光测距的工作过程需要激光器、光电转换电路、整流电路、门电路、显示器、时钟、驱动电路等硬件的支持,它的工作原理为:控制芯片以一定周期的脉冲信号控制驱动电路初始化脉冲激光器,使脉冲激光器瞬间发出巨大功率的激光光束,此时电路中会产生偏置电压,参考时钟开始初始化。光束经过透镜与干涉波片形成不存在背景光干扰的纯净激光再照射到机械手臂上。机械手臂反射回的光束由光电转换电路外部透镜进行接收,被转换成电信号后经过整流放大,由门电路选择有效信息,并送达参考时钟进行时间计数,经运算后将测距结果显示出.来必假设机械手臂只与一个障碍物具有碰撞可能,用D表示机械手臂与障碍物之间的距离。
激光测距对时间信号的计数过程,其中,N是原始激光光束中的脉冲数量,干涉波片不会影响脉冲数量,因此,在一个时间段t内,参考时钟接收到的脉冲数量仍为N。用禹表示参考时钟晶振频率,激光运行时间t实际上是指脉冲激光器发射出激光光束到光电转换电路接收到反射光束这个过程的用时。
通常而言,如果对机械鬲防碰撞自动控制系统的控制精度要求不严格,可以将系统工作环境看成是理想状态,但这个规则对机械制造厂商来说显然是不适用的,机械制造厂商空气中的粉尘、颗粒较多,温度、湿度变化情况与外界环境不同步,提供给机械手臂的工作环境通常是绝对非理想状态,激光光束能量存在传播衰减的可能性“们。此时,只能严格按照激光运行时间?的定义实施测距工作。
2.2参考时钟计数在脉冲式激光测距中的优化
在非理想状态下的脉冲式激光测距中,参考时钟计数过程直接关系着测距精度,在参考时钟感应到偏置电压进行初始化的这个过程,脉冲激光器发出的激光光束已经传播了一段距离,即参考时钟无法直接获取而参考时钟初始化时间与机械手臂防碰撞自动控制系统的资源利用率有关"%,因此也不能用计数数据与初始化时间的加减关系获取。
3系统开发
实验开发出基于脉冲式激光测距的机械手臂防碰撞自动控制系统,所使用的开发软件是ISE仿真软件3〕,在现场可编程阵列上实现在线调试与参数配置。现场可编程阵列在图1中的系统防碰撞运算模块上加入脉冲式激光测距所需的硬件资源,开发代码为:
Systemcount1(refclk,refclkO,halt,export);//初始化参考时钟
Inputirefclk,refclkO,halt;//脉冲式激光测距函数写入
Output[8:0]export;//测距结果输出
Reg[8:0]c;〃系统寄存器存储
Regularly@(posedgerefclkOornegedgerefclkorposedgehalt)//外部信息写入
If(!refclk)c<=7al;//删除历史数据
elsec<=c+2a0;//重新计数
assignexport=c;
end
4实验评估
4.1实验平台
为了方便进行基于脉冲式激光测距的机械手臂防碰撞自动控制系统评估,实验搭建了一个实验平台,实验平台采用直流稳压电源实施供电,由示波器和数字复用表组成。
将系统与实验平台连接,为了防止脉冲激光器在发出激光光束瞬间的高频信号对系统电路造成不利影响,特在脉冲式激光测距工作过程将脉冲激光器与其它系统电路间隔开来。在机械手臂的工作环境中设置10个障碍物,障碍物初始位置与移动方位已知,调整机械手臂工作状态至正常。在实验平台上用系统对机械手臂与障碍物之间的碰撞可能性进行监测。
4.2实验评估标准
4.2.1探测度
探测度是基于脉冲式激光测距的机械手臂防碰撞自动控制系统所能测量到的最低脉冲能量,它取决于脉冲噪声能量,脉冲噪声能量是指单位信噪比上的脉冲功率。
4.2.2测距噪声
基于脉冲式激光测距的机械手臂防碰撞自动控制系统的测距噪声一般来自光电转换过程,测距噪声不能超过光电转换电流的0.5%。设系统光电转换电路中二极管的倍增参数为K,电子电量g取,颂表示光电转换前后激光脉冲频率增幅。
4.3评估结果分析
基于脉冲式激光测距的机械手臂防碰撞自动控制系统光电转换标准电流为2A,系统在实验平台上进行的30次机械防碰撞控制的探测度与测距噪声汇总表,可见,系统探测度高且测距噪声小。
5、结论
本文对基于脉冲式激光测距的机械手臂防碰撞自动控制系统进行开发,研究了激光测距在其中的应用。系统拥有机械手臂工作环境监测模块、防碰撞运算模块以及机械手臂控制模块,脉冲式激光测距过程需要激光器、光电转换电路、整流电路、门电路、显示器、时钟以及驱动电路的支持。实验评估结果表明,本文开发的系统具备探测度高、测距噪声小的优点。
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