CN111208525B - 一种光纤传感器以及物体位置和姿态监测方法 - Google Patents

一种光纤传感器以及物体位置和姿态监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光纤传感器以及应用于所述光纤传感器的物体位置和姿态监测方法，通过采用多个探头、多个光功率计和处理器，能够根据所检测得到的光强确定物体的位置量和姿态偏移量，在提高物体位置监测精确度的同时，能够确定传感器与物体间的姿态偏差，以对物体的姿态变化进行精确监测。并且，整个技术方案不仅具有目前市场上已有的光纤位置传感器的位置测量功能，而且增加了姿态测量功能，这就能够进一步弥补当前工业传感器检测工作中不能同时进行位置和姿态测量的缺陷。同时，增加了传感器种类的多样性，为进一步提高工业产品开发的智能化生产提供了技术支持。

Description

一种光纤传感器以及物体位置和姿态监测方法
技术领域
本发明涉及光学智能传感器领域，特别是涉及一种光纤传感器以及物体位置和姿态监测方法。
背景技术
自上世纪60年代以来，光纤技术迅速发展，不断开发了基于光纤原理的传感器并应用于工业自动化领域。在工业流水线生产中，光电开关是其中必不可少的一种监测传感器。在流水线两旁布置的光电开关可以敏锐地感知到前方工业产品的运动状态，并发出指令信号控制流水线针对工业产品进行相应的调整。
但是此时的光电开关仅仅能感知前方物体的有无，而不能获得物体的准确位置，应用范围较窄。基于强度调制的光纤位置传感器能够使用户方便快捷地获得物体的位置信息。且基于强度调制的光纤位置传感器的精度极高，往往能具有微米级别的位置监测精度。
然而基于强度调制的光纤位置传感器仍然具有其局限性，当传感器发出的激光不垂直于物体表面时，其并不能准确获得物体的位置，同时也不能感知传感器与前方物体的姿态偏差进而实现对物体姿态信息的监测。
因此，提供一种既能够提高位置测量准确性，又具有姿态监测功能的光纤传感器是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤传感器以及物体位置和姿态监测方法，在提高物体位置监测精确度的同时，能够确定传感器与物体间的姿态偏差，以对物体的姿态变化进行精确监测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光纤传感器，包括：
激光器，用于发射激光；
多个探头，均通过发射光纤与所述激光器连接，用于将所述激光发射给物体，并接收所述物体的反射激光；
多个光功率计，分别通过接收光纤与多个所述探头一一对应连接，用于接收所述反射激光，并根据所述反射激光确定所述反射激光的光强；
处理器，分别通过导线与多个所述光功率计连接，用于接收所述光强，并根据所述光强确定探头与物体间的距离；所述处理器还用于根据所述物体表面与多个所述探头构成的面之间的相对位置变化和相对姿态变化，确定所述物体的相对位置量和姿态偏差量。
可选的，所述探头的数量至少为3个。
可选的，所述探头为光纤探头。
一种物体位置和姿态监测方法，应用于上述光纤传感器；所述物体位置和姿态监测方法包括：
获取光功率计检测得到的激光光强；
根据所述激光光强确定探头与物体间的距离；
以多个探头中的任意一个探头的探测端面的中心点为第一坐标原点，以所述第一坐标原点与另一探头的探测端面的中心点间的向量为X轴，构建第一空间坐标系；
以所述第一坐标原点映射于物体表面的点为第二坐标原点，以所述第二坐标原点与另一探头的探测端面的中心点映射于物体表面的点间的向量为X轴，构建第二空间坐标系；
根据所述第一空间坐标系和所述第二空间坐标系确定所述第一空间坐标系和第二空间坐标系的旋转矩阵；
根据所述旋转矩阵和所述探头与物体间的距离确定所述物体表面与多个所述探头构成的面之间的相对位置变化和相对姿态变化，以完成对所述物体位置量和姿态偏差量的监测。
可选的，所述第一空间坐标系和所述第二空间坐标系均为右手坐标系。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的光纤传感器以及应用于所述光纤传感器的物体位置和姿态监测方法，通过采用多个探头、多个光功率计和处理器，能够根据所检测得到的光强确定物体的位置量和姿态偏移量，在提高物体位置监测精确度的同时，能够确定传感器与物体间的姿态偏差，以对物体的姿态变化进行精确监测。并且，整个技术方案不仅具有目前市场上已有的光纤位置传感器的位置测量功能，而且增加了姿态测量功能，这就能够进一步弥补当前工业传感器检测工作中不能同时进行位置和姿态测量的缺陷。同时，增加了传感器种类的多样性，为进一步提高工业产品开发的智能化生产提供了技术支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的光纤传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的光纤传感器中探头发射和接收激光的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的物体位置和姿态监测方法的流程图；
图4为本发明实施例中采用三个探头投影于物体表面的示意图；
图5为本发明实施例中采用三个探头所构建得到的第一空间坐标系和第二空间坐标系的位置示意图。
附图标记：
1-激光器，2-探头，3-光功率计，4-处理器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种光纤传感器以及物体位置和姿态监测方法，在提高物体位置监测精确度的同时，能够确定传感器与物体间的姿态偏差，以对物体的姿态变化进行精确监测。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的光纤传感器的结构示意图，如图1所示，一种光纤传感器，包括：激光器1、多个探头2、与探头2数量相同的光功率计3和处理器4。
所述激光器1用于发射激光。
多个所述探头2均通过发射光纤与所述激光器1连接，所述探头2用于将所述激光发射给物体，并接收所述物体的反射激光。其中，所述探头2为光纤探头2，在本发明中具体采用的是光纤位置传感器探头2，其具体结构如图2所示。在图2中梯形阴影部分表示发射光场，而接收光纤只能接收到发射光纤发出的光场的一部分，这一部分的比例大小取决于所述探头2距前方物体表面的距离。而为了增加监测的精确度，在本发明中所采用的所述探头2的数量至少为3个。
多个所述光功率计3分别通过接收光纤与多个所述探头2一一对应连接，所述光功率计3用于接收所述反射激光，并根据所述反射激光确定所述反射激光的光强。其中，所述光功率计3的具体型号可以根据实际测量需求进行选择，在本发明中所述光功率计3的型号优选为TAM8701、TAM8712PON或NF-906A等。
所述处理器4分别通过导线与多个所述光功率计3连接，所述处理器4用于接收所述光强，并根据所述光强确定探头2与物体间的距离。所述处理器4还用于根据所述物体表面与多个所述探头2构成的面之间的相对位置变化和相对姿态变化，确定所述物体的相对位置量和姿态偏差量。
总体来说，本发明所公开的光纤传感器中每个探头及与其对应的部件、连接关系就会构成一组“光源-发射光纤-位置传感器-接收光纤-光功率计”的监测回路。
并且，由于探头2所需入射光强一定，所以整个光纤传感器只需一个激光光源。由于需要检测每一个探头返回的光强，所以每有一个探头2，就有对应有一个光功率计3。光源发射的激光经由光纤导入每个探头2，探头2探测到的激光信号经由接收光纤传输给光功率计3，并由光功率计3获取得到光强后传输给处理器4，以得到物体的位置量和姿态偏移量。
针对于上述所公开的光纤传感器，本发明还提供了一种物体位置和姿态监测方法，其具体监测流程如图3所示。所述物体位置和姿态监测方法包括：
S100、获取光功率计3检测得到的激光光强。
S101、根据激光光强确定探头2与物体间的距离。
S102、以多个探头中的任意一个探头的探测端面的中心点为第一坐标原点，以所述第一坐标原点与另一探头的探测端面的中心点间的向量为X轴，构建第一空间坐标系。
S103、以所述第一坐标原点映射于物体表面的点为第二坐标原点，以所述第二坐标原点与另一探头的探测端面的中心点映射于物体表面的点间的向量为X轴，构建第二空间坐标系。
S104、根据所述第一空间坐标系和所述第二空间坐标系确定所述第一空间坐标系和第二空间坐标系的旋转矩阵。
S105、根据所述旋转矩阵和所述探头2与物体间的距离确定所述物体表面与多个所述探头2构成的面之间的相对位置变化和相对姿态变化，以完成对所述物体位置量和姿态偏差量的监测。
其中，所述第一空间坐标系和所述第二空间坐标系均为右手坐标系。
基于本发明所公开的技术方案，根据光路经过探头2产生的光强变化，可以计算出传感器距前方物体的距离。并根据三组或三组以上的探头测得的三组或三组以上距离值、以及三组或三组以上探头之间固定的位置排布，可以计算出前方物体相对于光纤传感器的姿态变化。
具体来说，当前方物体表面平行于三组或三组以上探头组成的光纤传感器前端面时，这三组或三组以上探头测得的距离值全部相当。所以，根据这三组或三组以上探头测得的距离值的不同，即可以计算出前方平面相对于本发明所述光纤传感器系统端面的姿态——也即倾角。
而当探头数量多于三个时，通过任意选取其中三个探头的位置测量值，就能得到多组姿态参数。在本发明中所确定的姿态数，等于在探头的总数中，任意选取三个探头的组合数。例如，当总共有4个探头时，相应会得到4组测量的姿态数据。此时再通过最小二乘法等数值分析方法，来得到误差更小的物体的位置和姿态测量参数。
下面以包括3个探头的光纤传感器监测平面物体的位置和姿态变化为例，对本发明中所公开技术方案的具体工作原理进行阐述。
如图4所示，图中给出了三光纤探头、前方平面以及探头在平面上的投影点的位置示意图。其中，ha、hb、hc分别为A、B、C三个探头测得的距离值。A0、B0和C0分别为A、B、C三个探头探测端面的中心点，A1、B1和C1分别为A、B、C三个探头探测端面的中心点映射于所述物体平面的点。
基于这一探头和物体间的位置关系，设置探头A的探测端面的中心点A0为第一坐标系原点，由于需要确定物体平面的倾斜姿态，所以假设物体平面是由光纤传感器前端面的平面以探头A的探测端面的中心点A0为旋转中心旋转一定角度、再沿探头A的出射方向进行平移得到。在沿探头A的出射方向进行平移的过程中，平移的距离即为探头A测得的位置值。然后，需要进一步确定物体平面以探头A的探测端面的中心点A0为旋转中心是如何旋转的过程中，为了提高姿态测量的准确性，可以将所述第一坐标系原点作为待测平面坐标系的原点，即为A0(A1)。因此光纤传感器前端面坐标系为A0x0y0z0(A1x0y0z0)，物体平面坐标系为A0x1y1z1(A1x1y1z1)。
接下来给出光纤传感器前端面平面的坐标系A0x0y0z0(A1x0y0z0)进行定义。其中，x0方向为连接原点A0与探头B的探测端面的中心点间的向量；y0为在传感器前端面平面内、与x0垂直的方向向量；z0为与x0A0y0(x0A1y0)平面垂直的、构成右手坐标系的方向向量。
接下来给出物体平面的坐标系A0x1y1z1(A1x1y1z1)定义。在上述旋转过程中，物体平面坐标系(第二空间坐标系)的原点与探头所构成平面的坐标系(第一空间坐标系)的原点重合，如图5所示，图5中表示出了三个探头在坐标系中的位置，以及由三个探头中心为端点的、联系各探头中心的向量。其中，a0表示由B0C0两点构成的向量；b0表示由A0C0两点构成的向量；c0表示由A0B0两点构成的向量；a1表示由B1C1两点构成的向量；b1表示由A1C1两点构成的向量；c1表示由A1B1两点构成的向量。
为了方便计算，设置第二空间坐标系的x1轴的方向为连接原点与探头B中心的代表点之间的向量的方向，并与由原点与探头C中心在待测平面上的投影点构成的向量一同定义物体平面坐标系(第二空间坐标系)的A1x1y1z1(A0x1y1z1)平面，进而也能得到与A1x1y1z1(A0x1y1z1)平面垂直的z1轴的方向向量。
为了得到物体平面相对光纤传感器前端面的姿态变化，就要得到物体平面坐标系(第二空间坐标系)相对于光纤传感器前端面坐标系(第一空间坐标系)的旋转矩阵。上述确定的物体平面坐标系(第二空间坐标系)的各坐标轴方向向量均为在探头坐标系(第一空间坐标系)下表示的单位方向向量。因此，由三个单位方向向量构成列向量组成的矩阵即为由从探头坐标系(第一空间坐标系)到物体平面坐标系(第二空间坐标系)的旋转矩阵。而上述确定坐标系的各方向向量的过程，即为旋转矩阵的求解过程。
因旋转矩阵是从一个坐标系到另一个坐标系的数值变换矩阵，其中包含了两个坐标系之间的位置相对关系和姿态相对关系。而两个平面之间的位置关系与姿态关系的定量表示取决于具体的坐标系定义，位置和姿态的变化关系在具体计算时体现在旋转矩阵中。所以在实际应用中，获得了两坐标系间的旋转矩阵等价于获得了两平面间的位置和姿态变化关系。
通过三探头组成的位置和姿态测量光纤传感器具有普通光纤传感器不具有的位置和姿态协同测量功能，将在工业领域获得大量应用。
另外如果设置多于三个探头的光纤传感器，同样能够整体实现前方待测平面姿态的测量，而且由于多个传感器数值相互校正，测量获得的测量值将更加准确。
在本发明提供的光纤传感器中，所述的激光光源可以具有任意波长，且对激光光源发射出的光的线宽和功率也没有严格要求，但是无论发射何种功率的光，激光光源自带的探测模块可以准确地记录其发出的功率，作为确定每一个光纤传感器位置测量值的重要依据。
同样，光功率计3可以准确记录其接收到的光线的强度，以作为确定每一个光纤传感器的位置测量值的重要依据。
在具体部件设置过程中，由激光光源到前方探头2的光纤、由探头2到光功率计3的光纤光路需要保证具有足够的稳定性，且确保激光在这些光路中的损耗足够小，以免影响探测器整体的测量准确性。
当设置多于三个探头时，同样能够整体实现前方待测平面姿态的测量，而且由于多个探头所测量的数值相互校正，使得测量值更加准确。以最小二乘法为例，通过最小二乘法获得的拟合位置、姿态数据，比实际测得的每一个位置、姿态数据的误差都要小。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种光纤传感器，其特征在于，包括：
激光器，用于发射激光；
多个探头，均通过发射光纤与所述激光器连接，用于将所述激光发射给物体，并接收所述物体的反射激光；
多个光功率计，分别通过接收光纤与多个所述探头一一对应连接，用于接收所述反射激光，并根据所述反射激光确定所述反射激光的光强；
处理器，分别通过导线与多个所述光功率计连接；所述处理器用于执行以下步骤；
获取光功率计检测得到的激光光强；
根据所述激光光强确定探头与物体间的距离；
以多个探头中的任意一个探头的探测端面的中心点为第一坐标原点，以所述第一坐标原点与另一探头的探测端面的中心点间的向量为X轴，构建第一空间坐标系；
以所述第一坐标原点映射于物体表面的点为第二坐标原点，以所述第二坐标原点与另一探头的探测端面的中心点映射于物体表面的点间的向量为X轴，构建第二空间坐标系；
根据所述第一空间坐标系和所述第二空间坐标系确定所述第一空间坐标系和第二空间坐标系的旋转矩阵；
根据所述旋转矩阵和所述探头与物体间的距离确定所述物体表面与多个所述探头构成的面之间的相对位置变化和相对姿态变化。
2.根据权利要求1所述的一种光纤传感器，其特征在于，所述探头的数量至少为3个。
3.根据权利要求1所述的一种光纤传感器，其特征在于，所述探头为光纤探头。
4.一种物体位置和姿态监测方法，其特征在于，应用于权利要求1-3任意一项所述的光纤传感器；所述物体位置和姿态监测方法包括：
获取光功率计检测得到的激光光强；
根据所述激光光强确定探头与物体间的距离；
以多个探头中的任意一个探头的探测端面的中心点为第一坐标原点，以所述第一坐标原点与另一探头的探测端面的中心点间的向量为X轴，构建第一空间坐标系；
以所述第一坐标原点映射于物体表面的点为第二坐标原点，以所述第二坐标原点与另一探头的探测端面的中心点映射于物体表面的点间的向量为X轴，构建第二空间坐标系；
根据所述第一空间坐标系和所述第二空间坐标系确定所述第一空间坐标系和第二空间坐标系的旋转矩阵；
根据所述旋转矩阵和所述探头与物体间的距离确定所述物体表面与多个所述探头构成的面之间的相对位置变化和相对姿态变化，以完成对所述物体位置量和姿态偏差量的监测。
5.根据权利要求4所述的一种物体位置和姿态监测方法，其特征在于，所述第一空间坐标系和所述第二空间坐标系均为右手坐标系。
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