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(yuǎn)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(jìn)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(yīng)，消除瞬間檢測不到或響應(yīng)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(jī)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(jī)：

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(fù)性。

3.計算機(jī)輔助系統(tǒng)性能分析預(yù)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(jī)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(qiáng)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(jìn)行雙重補(bǔ)償，實現(xiàn)高精度穩(wěn)定測量，包括：

a.快門時間自適應(yīng)調(diào)整

b.激光管功率自適應(yīng)調(diào)整

實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整范圍達(dá)到5萬倍，精準(zhǔn)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(qiáng)度可達(dá)到30,000Lux。

3.數(shù)字亞像素處理，達(dá)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(biāo)定算法，由上位機(jī)、下位機(jī)和標(biāo)定平臺聯(lián)合完成。下位機(jī)可自動識別板卡顏色，并選擇合適的標(biāo)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(yù)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(jī)器人、高精度機(jī)械加工、船舶海洋等高要求領(lǐng)域的示范應(yīng)用及推廣，貫徹傳感器“一條龍”應(yīng)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(jìn)口的局面，同時在國內(nèi)選擇激光器，光學(xué)鏡頭，精密機(jī)構(gòu)件，感光芯片和關(guān)鍵芯片的供應(yīng)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(yīng)，消除瞬間檢測不到或響應(yīng)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(jī)：

設(shè)計Ernostar低畸變成像物鏡，平衡近端、遠(yuǎn)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(dǎo)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(jī)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(fù)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(jìn)行產(chǎn)品的誤差分析，提升產(chǎn)品的一致性。

將光學(xué)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(qiáng)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(xué)結(jié)構(gòu)，保證產(chǎn)品的低溫漂。

算法：

1.對受光波形進(jìn)行雙重補(bǔ)償，實現(xiàn)高精度穩(wěn)定測量：

包括：

a.快門時間自適應(yīng)調(diào)整

b.激光管功率自適應(yīng)調(diào)整

傳感器實時監(jiān)測受光量比對靈敏度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，動態(tài)范圍達(dá)到5萬倍，精準(zhǔn)修正受光量。不論目標(biāo)物距離遠(yuǎn)近，顏色、材質(zhì)不同， 通過雙重補(bǔ)償，均能使接收信號強(qiáng)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(jìn)行一次預(yù)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(jìn)行差分處理，即可達(dá)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(dá)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(biāo)定算法：

由上位機(jī)、下位機(jī)和標(biāo)定平臺共同協(xié)作完成，實現(xiàn)量程范圍內(nèi)精細(xì)標(biāo)定。標(biāo)定數(shù)據(jù)包含多種板卡情況?？蓪崿F(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(biāo)定數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品準(zhǔn)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(jìn)行比較，然后根據(jù)預(yù)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(biāo)物顏色影響大、溫漂嚴(yán)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(xué)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(zhǔn)確性、復(fù)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(xué)的方法和專業(yè)的團(tuán)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(xué)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(jī)自測 2019年5月14日

4.樣機(jī)階段 2019年6月23日

5.小批階段 2019年8月29日

6 量產(chǎn)導(dǎo)入階段 2019年12月19日

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