张永超，赵录怀，谭仕强

(1.西安交通大学城市学院，西安 710018;2.西安交通大学电气学院，西安 710018)

0 引言

当吊车转运存放大型物品的箱体模块时，吊具与箱体对中情况决定着箱体能否安全转运。在进行对中作业时，主要的方法有:人工粗瞄法、垂球对中法、光学对中器对中法。当要求测量精度高时，采用光学对中器对中法［12］。

有文献提出，光学对中器的图像传感器采用面阵电荷耦合器件［3］(Charge CoupLED Device，CCD) 或黑白线阵CCD。面阵CCD和线阵CCD相比，缺点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少，帧幅率受到限制，而且视场不够，如果采用视场较大的面阵CCD，不仅价格高昂，而且帧频不能满足实时测量的需要。同时，由于生产技术的制约，单个面阵CCD的面积很难达到一般工业测量对视场的需求［4］。黑白线阵CCD同彩色线阵CCD相比计较，在露天环境下，反射光等强干扰时，黑白线阵CCD不能区分有用目标信号和干扰信号，使得转运工作不可靠。彩色线阵CCD同面阵CCD和黑白线阵CCD比较都具有优越性。同面阵CCD比较，彩色线阵CCD的优点在于结构简单，扫描速度快，分辨率高，而且价格低廉［5］。同黑白线阵CCD比较，其优点是当转运的环境光照强度大时，彩色CCD获得图像的比黑白CCD获得的图像要更加清晰，光线的强弱对彩色线阵CCD的影响较小，同时，该CCD驱动时序关系更精确，采样速率更快，抗干扰性能更好、输出信号更稳定等优点［6］。

本文主要针对面阵CCD和黑白线阵CCD的不足，以及其他缺点，设计了一种基于彩色线阵CCD的光学对中自动测量装置，使得对中的精度更高，转运更安全。

1 测量装置组成

测量装置由“N”字形自发光目标、光学镜头、彩色线阵CCD、处理电路、FPGA和电源模块组成，用于测量目标中心位置偏离的坐标距离。测量装置组成如图1所示。

图1 测量装置组成

N型自发光目标发红光，光学镜头将N型目标成像到彩色线阵CCD靶面上，彩色线阵CCD将光学图像转换为模拟信号，模拟信号经放大、滤波、模数转换等处理电路后，再将信号传输给FPGA进行偏移量的计算，最后输出。

1.1 N型自发光目标

N型自发光目标的制作采用超高亮度LED。超高亮度LED具有长寿命、高发光效率、高电流密度和高亮度的特点。超高亮度LED是一种采用新型封装结构的面发光光源，和普通的大功率LED相比具有更高的亮度［7］，因此N型采用超高亮度LED制作。根据某型号导弹箱体模块稳妥、安全、转运的技术要求，设定其尺寸为50 mm×110 mm，在长方向上预留尺寸为5 mm，N字形中间线与边线的角度值设置为α=13°，N型斜边与竖边相交的位置间距为5 mm，N字型的线宽为5 mm。当对中器中心处于测量范围最左边时，如图2所示。其最大视场为2×75 mm=150 mm，预留余量为5 mm，则最终光学系统的视场2×80 mm=160 mm。据此，对中器实际能够达到的测量范围应为110 mm×160 mm。

1.2 光学镜头

1.2.1 放大倍率的确定

光学镜头的作用不仅满足将N型自发光目标成像到CCD的要求，还需保证成像到CCD上的光学图像的大小不能超过CCD接收图像的范围，所以放大倍率是一个非常重要的物理量。

图2 N型自发光目标

由图2可知，在设计N型自发光目标的三条线段中，每条线段的大小是5 mm，光学图像到N型自发光目标的距离是900 mm，假设N型自发光目标的三条线段成像到在CCD中，占据的像元的数量分别为36个、24个和15个，每个像元的宽度为4 μm，给根据垂轴放大倍率公式［8］:

式中，l'为像距;l为物距;y'为像高;y为物高。

代入数据，求得放大倍率为:

β3比较三个放大倍率，结合实际情况，本系统采用放大倍率β=0.0288的光学透镜。

1.2.2 焦距的确定

N型的竖线与斜线的距离为5 mm，如图2所示，当工作距离为900 mm，放大倍率β=0.0288时，5 mm在CCD上占据的像元为42个。因此，光学系统的成像光斑不大于42×4 μm=168 μm。

当工作距离为900 mm，放大倍率为0.0192时，根据式1，得出像高:

因为物高y=5 mm，放大倍率β=0.0192根据式1，得出像距:

根据高斯公式:

代入数据，可知焦距:

1.2.3 像方视场角的确定

根据像方视场角的计算公式［8］:

代入l'=900 mm，求得视场角w'=5.9°。

1.2.4 分辨率

在本设计中，焦距f'=26.69 mm，像方视场角w=5.9°，则像高y'=－f'tan珔w=－2.77 mm。选择三通道单边输出二相驱动的线阵CCD器件，每个通道共有5340个光敏元，像元尺寸为4 μm×4 μm的线阵CCD，则远距时分辨率可达(275×0.004)/(2×2.77)=0.20 mm/像元。

1.3 彩色线阵CCD

ILX558K是日本SONY公司生产的具有较好的分辨率和性能品质，在价格上也有优势。本设计选用ILX558K作为彩色线阵CCD传感器，保证具有较高的釆样速率及精度，还可以实现三通道RGB同时输出［10］。

ILX558K每个通道共有5340个光敏元，具有三通道单边输出二相驱动的线阵CCD器件。对于RGB中的任何一个通道来说，光敏元直接与每个移位寄存器相连接，且移位寄存器的像素数量与光敏元数量相等。内部结构示意图如图3所示。ILX558K直流12 V电源供电。

图3 ILX558K结构示意图

1.4 信号处理电路

信号处理电路实现的三个功能有:①模拟信号处理，主要完成彩色线阵CCD输出信号的放大、滤波和A/D转换;②数字信号处理，主要完成数字信号滤波以及三个像点的偏移量计算;③发送数据，主要将计算所得的偏移量输出。

1.5 信号处理器

本设计使用CycloneⅡ系列的FPGA，它是ALTERA公司生产的，它具有彩色线阵CCD驱动、CCD数字信号处理及偏移量计算等功能。优点是:新增加了嵌入式乘法器，DSP处理能力得到了很大的加强;支持DDR2内存的高速存储器接口和高速差分接口，高速差分接口其LVDS;可以达到622 Mbit/s发送端数据速率，可以达到805 Mbit/s接收端数据速率，集成更大的片上存储器;CYCLONEⅡ系列FPGA有关时钟资源部分主要包括全局时钟树和锁相环两部分。

本设计选用CYCLONEⅡ系列型号为EP2C8T144C8的芯片。EP2C8采用3.3 V外部供电，采用1.2 V电压内核供电，采用TQFP44封装形式。

1.6 电源模块

FPGA内核电压、I/O电压、内部锁相环电压和CCD图像传感器电压，分别是1.2 V、3.3 V、模拟1.2 V和模拟12 V，运算放大器正常工作所需电压为正负12 V，模数转换器正常工作电压为模拟5 V、数字5 V;晶振、FPGA配置芯片等均可采用3.3 V供电。

2 测量原理

根据系统测量原理，结合光学对中原理图，如图4(a)所示，采用靶面板上刻画N字形目标的方法，如图4(b)，N字形发射红光，靶面N字形周围涂成黑色，以增加目标与背景的对比度。由于光学系统视场范围大于靶面，为了便于安装，靶面的大小需要恰当，因此靶面周围的自然光反射也会在彩色CCD上成像。采用彩色线阵CCD，N字形目标与反射干扰光在红色感光区成像，CCD同帧输出信号如图5所示，1、2、3表示N型自发光目标成像，如图5(a)，如图5(b)所示，4表示干扰光成像，如图5(c)所示，因此根据三色成像的区别就可以在有干扰光的情况下，提取有效的目标图像，计算测量结果，提高系统的可靠性。为了确认彩色线阵CCD比黑白线阵CCD性能优越，本课题进行了实验验证，绿色感光的波形图如图6所示，红色感光的波形图如图7所示，通过比较两个信号，去掉干扰光，可以计算X、Y轴坐标。因此，可以得出结论彩色线阵CCD比黑白线阵CCD抗干扰能力更强。

图4 光学对中原理图

图5 CCD同帧输出信号示意图

图6 绿色感光输出波形图

结合图4和图8坐标位置计算图推算出X轴、Y轴位置坐标，根据波峰1和波峰3在CCD中的位置，可以计算物像比例当量:

图7 红色感光输出波形图

图8 坐标位置计算图

该当量的物理含义是线阵CCD上的每一个像元对应在合作目标即物面的尺寸大小，单位为 mm/pixel。则正常情况下可得出位置偏移量:

X 方向:d×x(mm) Y 方向:d×y(mm)

根据1、3号波峰的中点在CCD上的绝对像元数，结合物象比例当量，可以计算得到靶面中点相对光学接收镜头光轴Ⅹ方向的坐标。

根据X方向坐标和1、2、3号波峰在CCD上的绝对值，可以得到靶面中点相对镜头光轴Y方向的坐标。

式中，n1、n2、n3分别代表波峰1、2、3位置的绝对像元素，n0代表激光光斑在CCD上的起始像元素，α=13°为“N”字型中间线与边线的角度值。

3 实验与分析

3.1 N字精度实验测量

进行N字形精度实验测量的实验步骤如下图所示，首先光经过光学系统成像后，通过数字示波器能够找到信号，在调整CCD的位置，使得CCD刚好处于成像的位置，再进行N字形X轴和Y轴精度的实验测量，实验框图，如图9所示。

图9 N字形实验框图

该测量实验当中，测量的范围为±50 mm，利用平行导轨的移动表示X轴方向的变化，其中平移导轨坐标为标准值，重心算法换算值为测量值。利用升降架方向的移动表示Y轴方向的变化，其中升降架坐标为标准值，重心算法换算值为测量值。偏差是标准值和测量值之间的误差，极差表示重心算法测量的最大误的绝对值，标准差表示重心算法测量的标准方差。图像传感器采用彩色线阵CCD时，进行N字精度实验测量，对所测量的数据进行处理得表1，表1为X轴和Y轴数据处理后的极差和标准差。

表1 X轴和Y轴数据处理后的极差和标准差

通过实验测量，以及数据处理，和文献 ［11］比对得出结论，采用彩色线阵CCD作为图像传感器时，测出的N字进度更高，误差更小，使得对中更加的精确，转运更加安全。

3.2 误差分析与测量结论

测量值和真实值的偏差是测量的精度，测量的精度反应了整个系统的测量的能力［11］。该光电对中器主要由光学系统部分和信号处理部分组成。因此，在本设计当中，组成系统的误差主要由光学系统误差和信号处理部分误差组成。

针对本设计的光电对中器，误差主要由①原理误差，②A/D量化误差，③环境误差，④倾斜引起测量误差，⑤旋转引起测量误差，⑥测量仪器误差，⑦电子线路噪声对其的影响，⑧光学系统畸变造成的误差组成。

4 结语

1)本文设计了一种基于彩色线阵CCD的光学对中自动测量装置，该图像传感器具有结构简单，扫描速度快，分辨率高，误差小;

2)当环境光照强度大时，该图像传感器获得的图像更加清晰，环境光线的强弱对该图像传感器影响较小。同时，该CCD驱动时序关系更精确，采样速率更快，抗干扰性能更好、输出信号更稳定;

3)本设计采用N型自发光目标图案进行二维坐标测量，整个系统的结构简单，干扰信号减少，测量误差减小。