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日志

对机械手定位的全相位傅里叶变换相位式激光测距系统

已有 420 次阅读2023-7-15 23:33

对机械手定位的全相位傅里叶变换相位式激光测距系统
詹道桦,王晗,林健,钟辉宇,潘艺良,陈桪*
广东工业大学机电工程学院,广东 广州 510006
摘要 针对机械手中用于标定以及空间定位的激光测距装置测距精度不足、容易受工作环境等因素的影响,进而导致测量不准确,影响机械手空间标定以及定位的缺点,提出了一种基于全相位傅里叶变换(apFFT)的相位式激光测距系统。该系统采用 apFFT 算法来进行鉴相,进而得出实时测量的距离。相比于传统的基于傅里叶变换的相位式激光测距方法,该方法能够有效抑制实际应用中由于多种因素导致的频谱泄露现象。实验结果表明,该系统具有良好的稳定性和抑制频谱泄露能力,同时该系统的平均定位精度可以达到 1 mm,满足实际工业生产制造的需求。
关键词 仪器,测量与计量;相位式激光测距仪;频谱泄露;全相位傅里叶变换
在工业机械手领域中,基于激光测距的标定以及空间定位已有了不少的研究。周旭[10]提出了一种基于
视觉和激光雷达融合定位识别的机械臂抓取系统,提升了机械臂系统的稳定性。陈守恒等[11]
提出了一种基于三角激光的机械手三维抓取系统,解决了市面上视觉定位产品质量良莠不齐,无法适应实际生产中复杂多变环境的问题。方海燕等[12]提出了一种非接触式测量机器人的自标定方法。然而,基于激光测距的标定以及空间定位技术中,大多数都是使用相位式激光测距中的傅里叶变换(FFT)法来鉴相的。尽管 FFT 法相对于相位式激光测距中的自动数字鉴相法和数字相关法,有着运算量小、适应性好、测量精度高等优点,但是在实际应用中,FFT 法也存在两个缺陷:1)只有当采样频率为 FFT 频率间隔的整数倍时,测出的相位才准确,否则会出现“不同步采样”情况而使得测出的相位不准,进而影响最终测距的结果[13-14]
;2)在使用 FFT 法进行鉴相时,需要先对参考信号还有测量信号做采样和截断处理,然而用于做处理的窗函数在实际使用中无法达到理想的冲击函数状态,导致最终测得的部分频谱线会落在理想区间外,造成了频谱泄漏现象[15]。而机械手实际的工作环境恶劣且多变,不仅会放大上述两个缺陷所导致的后果,而且也会增加其出现的概率。
本文针对机械手中的标定及空间定位,提出了一种基于全相位傅里叶变换(apFFT)的相位式激光测距系统,以解决基于 FFT 鉴相法的相位式激光测距装置在实际使用中容易出现不同步采样以及频谱泄漏的问题,从而提升机械手标定系统的稳定性以及准确性,同时避免使用附加的校正措施,减少系统的冗余度

在充分考虑机械手工作环境恶劣且多变,同时考虑相位式激光测距容易出现频谱泄漏的缺点,提出了针对机械手定位的 apFFT 相位式激光测距系统,解决了传统测距装置测距精度不足、容易受工作环境等因
素的影响,进而导致测量不准确,影响机械手空间标定以及定位的问题。实验结果表明:该系统的实际最大误差可控制在 1 mm 以内,具有较高的精度,可以满足实际工业生产的需求,十分贴近自动化产线上的实际应用场景。而该系统不仅可以运用在工业机械手激光标定上,也可以运用到其他的基于相位式激光测距的系统当中。当然本文也存在一定的局限性,仅在频率偏移和高斯白噪声这两种情况下验证了基于 apFFT 的激
光测距系统的可行性与稳定性。然而实际应用当中,机械手有时候会遇到环境光线过于复杂,从而影响激
光测距系统当中回波接收单元对发射出的激光信号的接收。针对这种情况,单靠本文的 apFFT 激光测距系
统还无法完美解决此问题,后续可以通过软硬件的结合配合新的算法来克服此种环境的影响。

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