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。像結構光測距、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.恒功率激光驅動模組，出射光功率不受溫度影響，光斑穩(wěn)定，檢測結果可靠。

3.抗環(huán)境干擾設計。優(yōu)化結構、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.高剛性機殼結構，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.快門時間自適應調整

b.激光管功率自適應調整

實現(xiàn)動態(tài)調整范圍達到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。

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域的示范應用及推廣，貫徹傳感器“一條龍”應用計劃，建設數(shù)字化產(chǎn)線，提高產(chǎn)能和品質，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，精密機構件，感光芯片和關鍵芯片的供應商，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。設計出射光功率控制電路，同時加入功率反饋設計，保證功率不受溫度影響，光斑穩(wěn)定，檢測結果可靠。研究并設計高速抗干擾電路，在惡劣電磁、光照、溫度環(huán)境下也能穩(wěn)定檢測。設計組合按鍵快速設置，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)部的關鍵光學結構，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.快門時間自適應調整

b.激光管功率自適應調整

傳感器實時監(jiān)測受光量比對靈敏度進行動態(tài)調整，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、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心算法，實現(xiàn)分辨率0.001的亞像素質心定位功能。

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)需求自行設定濾波等級。通過設置濾波等級，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。

具體設計思路如下圖所示：

6.高反光及多層反射面抑制技術。

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，結構和光學上：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)對成像質量的影響是不可回避的技術點，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。

任務名稱

1、項目評審階段 2019年2月12日

（1）技術可行性分析 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、設計開發(fā)階段 2019年4月7日

（1）光學設計 2019年6月12日

（2）軟件設計 2019年5月14日

（3）工藝設計 2019年5月7日

（4）硬件設計   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

圖片展示