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【創(chuàng)新產(chǎn)品組|一等獎】上海蘭寶傳感科技股份有限公司

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日期:2019-11-13    點擊:201   




上海蘭寶傳感科技股份有限公司

創(chuàng)新產(chǎn)品一等獎

研究現(xiàn)狀


激光測量傳感器基于三角測量原理,檢測原理較成熟。需要激光發(fā)射器和線陣 CMOS 探測器實現(xiàn)高精度測量。像結(jié)構(gòu)光測距、激光線掃描等也都可以歸納為三角法測量原理。

但是激光測量傳感器在遠距離探測時精度較差,抗環(huán)境光能力較差,檢測穩(wěn)定性差,溫漂較大且檢測頻率多在2k以內(nèi)。目前高性能激光類測量傳感器多依賴于國外進口,國產(chǎn)化程度低,規(guī)格不完整。國外此類產(chǎn)品價格高昂,抑制了智能化系統(tǒng)中對傳感器的使用需求。高精度激光測量傳感器的國產(chǎn)化將打破這一僵局,提供更高性價比的傳感器,激光測量傳感器國內(nèi)每年有超過10億元的市場用量,是高端制造的核心部件,實現(xiàn)國產(chǎn)自主研發(fā)和生產(chǎn)意義重大。

創(chuàng)新理念


硬件:

1.采用最新研制的高靈敏度線陣CMOS器件,檢測精度比以往的高出1倍,高速快門響應,消除瞬間檢測不到或響應延時的現(xiàn)象。

2.恒功率激光驅(qū)動模組,出射光功率不受溫度影響,光斑穩(wěn)定,檢測結(jié)果可靠。

3.抗環(huán)境干擾設(shè)計。優(yōu)化結(jié)構(gòu)、電路參數(shù),在惡劣電磁、光照、溫度環(huán)境下也能穩(wěn)定檢測。

4.配備多種通訊協(xié)議,通過上位機或組合按鍵快速設(shè)置,方便多個傳感器配置不同的地址,方便地完成組合使用。

光機:

1.低畸變成像物鏡設(shè)計,有效抑制因此產(chǎn)生的測量誤差,實現(xiàn)超高線性精度。

2.寬光斑發(fā)射單元,即使在粗糙物體上也能實現(xiàn)穩(wěn)定的測量,提高測量的穩(wěn)定性和可重復性。

3.計算機輔助系統(tǒng)性能分析預測、關(guān)鍵尺寸誤差分析系統(tǒng),能夠快速評估檢測方案的可行性,提升產(chǎn)品的一致性。

4.高剛性機殼結(jié)構(gòu),確保其高沖擊耐受性,保證測量精度,對油、酸和堿性清洗劑有很強的耐抗性。

5.低熱膨脹系數(shù),保證產(chǎn)品的低溫漂。

算法:

1.對受光波形進行雙重補償,實現(xiàn)高精度穩(wěn)定測量,包括:

a.快門時間自適應調(diào)整

b.激光管功率自適應調(diào)整

實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整范圍達到5萬倍,精準修正感光量。

2.智能抗環(huán)境光算法,有效減小環(huán)境光對產(chǎn)品精度的影響,抗環(huán)境光強度可達到30,000Lux。

3.數(shù)字亞像素處理,達到亞像素的測量精度。

4.智能數(shù)據(jù)輸出濾波算法,輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,并提供多種濾波等級,用戶可根據(jù)需求自行設(shè)定濾波等級。

5.兼容不同色卡的全自動標定算法,由上位機、下位機和標定平臺聯(lián)合完成。下位機可自動識別板卡顏色,并選擇合適的標定數(shù)據(jù)。

6.高反光及多層反射面抑制技術(shù)。

多重反射會產(chǎn)生兩個或更多的峰值,此時多重反射消除技術(shù)會采用預定的策略,選擇一個與“ 正確波形” 最為相似的波形。

通過產(chǎn)品性能的全方位優(yōu)化,從而實現(xiàn)激光測量傳感器在高精度機器人、高精度機械加工、船舶海洋等高要求領(lǐng)域的示范應用及推廣,貫徹傳感器“一條龍”應用計劃,建設(shè)數(shù)字化產(chǎn)線,提高產(chǎn)能和品質(zhì),擺脫高端激光測量傳感器主要依賴進口的局面,同時在國內(nèi)選擇激光器,光學鏡頭,精密機構(gòu)件,感光芯片和關(guān)鍵芯片的供應商,帶動上游多個產(chǎn)業(yè)共同發(fā)展。

創(chuàng)新描述


硬件:

器件上選用最新的CMOS器件,保證檢測精度比以往的高出1倍,高速快門響應,消除瞬間檢測不到或響應延時的現(xiàn)象。設(shè)計出射光功率控制電路,同時加入功率反饋設(shè)計,保證功率不受溫度影響,光斑穩(wěn)定,檢測結(jié)果可靠。研究并設(shè)計高速抗干擾電路,在惡劣電磁、光照、溫度環(huán)境下也能穩(wěn)定檢測。設(shè)計組合按鍵快速設(shè)置,方便多個傳感器配置不同的地址,方便地完成組合使用。

光機:

設(shè)計Ernostar低畸變成像物鏡,平衡近端、遠端的成像差異,提高全量程成像質(zhì)量,大幅度減小由像差導致的光斑市政,有效抑制因此產(chǎn)生的測量誤差,實現(xiàn)超高線性精度。

采用玻璃柱面透鏡,使光斑在檢測方向上均勻展寬,有效抑制由待測面粗糙不平引入的隨機誤差,即使在粗糙物體上也能實現(xiàn)穩(wěn)定的測量,提高測量的穩(wěn)定性和可重復性。

設(shè)計一套快速試算程序,能夠快速評估檢測方案的可行性,同時能夠輔助進行產(chǎn)品的誤差分析,提升產(chǎn)品的一致性。

將光學系統(tǒng)設(shè)計為剛性單元,確保其高沖擊耐受性,保證測量精度;金屬外殼,即使過度緊固,或與工具撞擊也沒有問題。對油、酸和堿性清洗劑有很強的耐抗性。采用熱膨脹系數(shù)低的材料作為內(nèi)部的關(guān)鍵光學結(jié)構(gòu),保證產(chǎn)品的低溫漂。

算法:

1.對受光波形進行雙重補償,實現(xiàn)高精度穩(wěn)定測量:

包括:

a.快門時間自適應調(diào)整

b.激光管功率自適應調(diào)整

傳感器實時監(jiān)測受光量比對靈敏度進行動態(tài)調(diào)整,動態(tài)范圍達到5萬倍,精準修正受光量。不論目標物距離遠近,顏色、材質(zhì)不同, 通過雙重補償,均能使接收信號強度處于理想狀態(tài)。大幅提高了檢測范圍,抑制了工件因材質(zhì)、顏色不同帶來的精度影響。

2.智能抗環(huán)境光算法,有效減小環(huán)境光對產(chǎn)品精度的影響:

每次數(shù)據(jù)處理前,進行一次預發(fā)射,使激光管不發(fā)光時CMOS曝光,此過程用于采集環(huán)境光及噪聲。數(shù)據(jù)處理時進行差分處理,即可達到抗環(huán)境光、抗噪效果。


難點:增加了一次發(fā)射和差分處理過程,使整個周期耗時增大。

3.數(shù)字亞像素處理,達到亞像素的測量精度。

如下公式所示,采用平方去閾值灰度質(zhì)心算法,實現(xiàn)分辨率0.001的亞像素質(zhì)心定位功能。

4.智能數(shù)據(jù)輸出濾波算法:

輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,并提供多種濾波等級,用戶可根據(jù)需求自行設(shè)定濾波等級。通過設(shè)置濾波等級,提高產(chǎn)品穩(wěn)定檢測能力。

5.兼容不同色卡的全自動標定算法:

由上位機、下位機和標定平臺共同協(xié)作完成,實現(xiàn)量程范圍內(nèi)精細標定。標定數(shù)據(jù)包含多種板卡情況。可實現(xiàn)手動設(shè)置板卡顏色和自動識別板卡顏色的功能,并選擇合適的標定數(shù)據(jù),進一步提高產(chǎn)品準確度。

具體設(shè)計思路如下圖所示:


6.高反光及多層反射面抑制技術(shù)。

多重反射會產(chǎn)生兩個或更多的峰值,此時多重反射消除技術(shù)會把這些波形與最新的接收光波形進行比較,然后根據(jù)預定的策略決定一個與“ 正確波形” 最為相似的波形。

高性能激光測量傳感器受目標物顏色影響大、溫漂嚴重、精度差等技術(shù)難題一直以來都沒有很好地解決,原因來自于:元器件性能、PCB布局、材料特性、軟件算法等各個方面。

硬件上:高速采樣電路的信號完整性、激光器功率的穩(wěn)定性、CMOS穩(wěn)定工作的外圍電路配置將作為重點,結(jié)構(gòu)和光學上:成像像差的控制、激光光斑的優(yōu)化和器件的熱膨脹系數(shù)對成像質(zhì)量的影響是不可回避的技術(shù)點,軟件算法上:不同顏色的檢測穩(wěn)定性和準確性、復雜工況下系統(tǒng)的魯棒性也都將是可能存在的技術(shù)難點,對于將要面臨的問題我們有十足的信心、科學的方法和專業(yè)的團隊去優(yōu)化、解決。

任務(wù)名稱


1、項目評審階段 2019年2月12日

(1)技術(shù)可行性分析 2019年2月12日

(2)項目可行性評估 2019年3月8日

2、啟動階段 2019年3月8日

(1)組建項目組 2019年3月11日

(2)項目輸入文件審批 2019年3月15日

(3)項目啟動會議 2019年3月22日

3、設(shè)計開發(fā)階段 2019年4月7日

(1)光學設(shè)計 2019年6月12日

(2)軟件設(shè)計 2019年5月14日

(3)工藝設(shè)計 2019年5月7日

(4)硬件設(shè)計   2019年5月21日

(5)整機自測 2019年5月14日

4.樣機階段 2019年6月23日

5.小批階段 2019年8月29日

6 量產(chǎn)導入階段 2019年12月19日

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