引言 在汽车制造、 1 中,r: 程师们一 直致力于提高车辆的可靠性和安全 性 .设计人员住提高车辆性能的同 时. 也借助于光子学实现他们的宏伟 FI标 然而. 在任何工业中, 系 统工程 师必须平衡光子 件的优点缺点. . 任 何车辆都有严格的物理极限.因此. 采用的任何硬件都会对车辆的重量、体积和功耗预算带来同有的成本 例 如, 汽车照相机为驾驶员增加了安全 性. 但其系统和电 F设备却增加了重 量和功耗 这就要求光子学在汽车: L 业中的应用能简化 E优化这些权衡 , 改进设计 2 材料加工 现在汽车 J_、 I 的大多数切割和 焊接 【 : 序用 N(~YAG 激光器. 以降低 成本和提高质量. 例如, 当把两块不 同厚度的金 属板焊接起来时, 激光焊 接比电弧焊接更能提供简易和准确 的深度控制 最近,德国宝马汽车公司采用 圈 1 Trumpf TLw 60S 激光扫描焊接 系统⋯ Tnm~ p集团制造的激光}=I揣焊棱系 统 (图 1) 生广 ‘ 3 个系列的新车辆.TLW60S 激光扫捕器 j n 光器~起 I 作 ,包括它 的 6000W CO。 激光器. 操作中, 系统 一个町 适应的反射镜光学系统把激光束聚 焦. 井用 - x, t 位于 l_ 件上方 lm处的 倾斜的电流计反射镜导至焊点. 光柬 路 径 町 通 过 微 调 反 射 镜 在 1200mmx1200r a m~250rm~ l 的 1 +作 区域内进行位移 . 巾 I= 扫描器是崩反 射聚焦镜代替透射透镜做成的, 所以 降低了来自高功率激 的热 稳定 性。 装在快直线轴上的聚焦光学系统 可把焦点指 维空 的任意处. 其 系列激 收稿 日 期: 2004— 05一 I1: 收到修改稿日期: 2004— 05— 30 优点nf辨 f短从一个焊点到另一个焊 点 目 定位时问 ‘j 常规胸光裁定位系 统相比, TLW60S 高度动态求偏转的 定位速率高达 700ndmm. . 试验表叫, 扫描器使加 时问从 30s 缩别 3s' I 3 生产控制 本大约 ·半的组装自动机是用 电荷耦合器件(ccD)照相机来定位 的。Honda 公司已经装备了一套在 线车身测量系统. 该系统用两个测量 1 具——c CD 罔像识别照}H机和携 带照相机的六轴笛卡儿自 动机. 它们 删量牟身,并勾计算机提供数据, 汁 算机将信息传递给生产和检验人员 系统删量所选车身 L的中心和关键 元件的特征曲率, 把它lf『 】 与来自存储 器中的CAD信息眄配. . 这使人们H T 进行在线 4量和显示车身. 这样就 可以进行实时焊接和组装线质量控 制, 视车型而定、 15s就能完成6或7 个点的测量目 在汽车1一 业中,高速照相机最 常用或许是最古老的应用是碰撞试 国 维普资讯 http://www.cqvip.com 第41巷. 第9坤 】 埘 — 9 , I 激光与光电子学过展 验. 几十年来 . I. 准标, 往鹰值 J 艘 J 木偶. 并把车撞 刮障碍物 f 碍物附近和破 乍内 的高速照辑 I机 录车是如何变形的 和撞击是 ¨何抛掷“乘客”的.埘十 30n~; 的车, 趴碰撞刮“全毁”的时问 是 100~ 200ms.高速雕丰 }_ 『 机每秒钟 摄取的帧数越多. 隶 f c可看到越多的罔 像( 2 J 所以 r程师要确定他们的 分析需要多少帧数据, 然后选择他们 能得到所需事件帧数的帧速率, 尽管 基于 CCD 的成像器已有 了很大的 进展. 但是胶卷照相机仍广泛地臆用 于高I 嗡盔 率的戚用, }11 原因是价廉和 帅在新 乍上岫 J -岛帧速率 F更高的 CCD 照相机, 帧速率和分辨串是成 反比的 它楚靠溅少每帧巾收集的 息量来提高j 帧速率的 例fc 【480 像素的Jl(I相机以每秒 30 『怍, 每“帧”是64fj像素(宽)x480 像素 (高). . 一 倍, 每 要减少到240 像素(水平分辨率 变), 从而剖除 r 部分罔像因此, 客体的纵横比会限 制实际的州相机帧速率. 1 立 Il果使用者 接受较短的纵横比, i j, t4 CCD 成像比 腔卷照 机型好 高速照丰 H机的另一个增 长应卅 是砰估汽车引擎 燃料的燃烧.汽缸 qi的燃烧事件发生住数个毫秒 中。 历史 胶卷趟十 一 机往这类分析『 十 1 起r 很大的作用, m于它们高的时问 和空间分辩率鞫住可【感光灵敏度.然而. L ~fr]在光谱的紫 外和红外区域缺乏炙敏度、 难 于颗粒 像速度汁雨 f其它技术I 激光器 步 随着引攀敛率的提高. 从紫外到红外的商灵敏应的需求增 强, 紫外灵敏虞 纽 料的界 线巾尤其重 .正常的空气一 燃料比 提供合通的光发射. 以火焰披 前传播通过汽缸所需的帧速率记录.然而, I 珲 低夺气一 燃料比 以减少有害 废气的贫 燃引擎的光发甜特别晴 为 了改善光发射,人们转向高强度、 轩 l 雷 问分辨率 刘于 = 1. 640x lJlj{ 『 . j l擎 见光区域好的 f_ }j 々 已燃和来燃燃 V o] 41 K0 g S ef| 2g0A 图2 高速照相继续成为评估车辆安全性 的最好逮径} aI 1 性好的多波长短脉冲激光 奔驰公 研究先进的柴ff}l引擎q I的快移动 场, 用高重复率锏激光器作为u 问分 f 粒网像速度汁的光源. . 蔽技术要 求高的空间分辨率, 所以用每秒 5 帧的胶卷照相机 更高的时间分辨率 要Ⅲ条纹照相机.『 _J达每秒 3百万 帧, 箍短的曝光时间仅数个微秒 U 数 个皮秒. 仉是它们在每个事件中只能 捕捉到8 帧 . . 20 l 纪末,美国交堪部 j 通用 汽车公i ]共同进行车辆着火的研究. 这项历时5年、 耗资14 万美厄的项 卜 1扯严衔控制和监视的条件下燃烧 各利 车辆以i r 安全 题, 此项研究 旨f i -l,l答一些问题, 诸如火是女 ll何发 生和传播的, 乘客乍厢的安全如何, )乏 键的燃烧途径是仆么和如何订 起 火扁使乘客曲棼 存率最位化(陶31 燃烧可能^幛 辆的任何地方开始. 车 辆I;j_ _ 】 外的许多条件都受到} 测. 包括 空气湿度、 热通量和各种有毒气体的 分巾干 ¨浓度。 各种控制和数槲跟踪系 统获墩试验结果,诸如火焰生长速 率、 各 『 I设备的火焰特性 抑制有效 睦、 结构的热5 f1、 1f 热的剐J 速 力信号. . 还包括几升 , 光子学仪 器. 诸如傅里叶变换红外(FTIR)分 析仪和It-色散红外气伴分析仪 各币 1 红外成像仪 高分辨率照相机和摄像 1 . 热成像仪帮助克服可见 光成像仪 和高 的局限- 性, 后行 受到 煳和炯雾条件 的限制. . 甲期的试验用常规的中红外 (3~ 51 .J. m)和长波红外(8~ l2 m)热 成像器. 但是它们J 生的图像在r 奇 端 处发埠饱和, 昕以 来研究人员增加了两个新的热成像 仪: 『 : f i - -在8~ 9tJ. m 的量子阱红外 320~240 像素焦 V. ~r il咩 列成像仪, 和 『 f1; 在 i p. nl 的高温近可见光 776x 484 像素焦、 F 阵~r J/ CCD 成像仪. 旨在提高成像分辨率和扩展热阿温 度数据的动态范围H. . 得 旺.后 4 质量控制 车辆的质量一般是在下了生产 线后榆验的. 现在检验人员审视组装 过程中每一道] 序的质量。 随机取样 直为质量控制提供统汁的概率数 据, 在光子学技术能监删每一个关 键元件 H奉Keyence公司提供4种主 的汽车生产传感器技术: 光电传感 器、 视觉系统、 位移传感器和穿束测 最仪器 在 一 个引擎组装 厂中有十 多处用传感器. 例如. 用光纤传感器 系统检查传送带上的话塞或确 活 塞环的位置: H糖 光位移计确认散热 器片的高度: 月 ]紧凑的视觉系统榆查 陶瓷轴的缺陷: 用激光扫描测徵计以 、 I E微米的准确度确认活塞的卣 径. . 该 公司推出新的 CCD 激光位移传感 器系统, 比传统的位置灵敏探测器更 准确, H 】 L 测量诸如轮胎等部件 大 多数激光位移传感器用位置 敏探 测器光接收元件, 位置灵敏探测器典 型地用整个光斑的光量分市来鉴别,破铷表面的情况. 另一方面 . CCD 对 每个像素探删光斑光龟分布的峰值.均匀和准确地以此作为靶的位置.CCD 还能更好地测量风扇皮带和轮 l 胎的黑色丧i酊 常规的传感器在探删 黑色表面时必须提高光源的功率 这 会缩短光源的使用寿命.一 CCD 像人 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 4I 咎. 讹9 I 0叭 1 ) 川 激光与光电子学进展 V0【 4】 N o 9 S n 200 4 图 3 这些成对的可见和热图像从左到右表示从点火前 17s 到点火后 15s 期间车厢 内 火的发展情况. 点火后 15s 时热图像呈现饱和 表示点火的热点在左起第二张热 图像中很明显I ’ 的叭睛一样能1 j肯 藏接收的光 到测 量它的时候, f,~lll-k, 测量暗的表面时,增 Jill光脉、 fl1的 K J望就 可以给 c( D 足够洲醢的俯 0 日本 Honda 公 f1 0 Saitmna I Il1, 看 到 · 汽车 污脂 穿r1色 -Jtl' ~的 环境tf- I. 作. 汽车车野枉生产线 缓 慢移动. 组装越来一 避多的零件, 白 : 到 辆完整的乍 辆最终驶离 M 血牲 十过程I1I. 闩动机把捎矾窗装到车身 车身停下)Kl{1 = J, 门动机的臂伸到 风衡桠 CCD 照中 口 机确 队四 个介 J的肜状. 这些数据‘j 米『 1挡风街 玻璃的数摊 l七 较。 汁 葑 : 机确认阿占l儿 配,牯接制J Jjl到 1风窗框的『 q边,CCD 相机确认尤缝 盘牢【 州 地啦住 J扎 窗. 直到过程结束 (1 冬 { 4) :闩动机撤离. 吸盘恃后辅女 抬起生产线 I-. 1 '1 9 一块挡风窗 汽车 】 . 的一啪霞些考虑—— 牛 H联系的 人证 F净的 一 F 1动机的噬 图 4 自动机把挡风窗嵌入车身. 定位在 ~25mm 以内I 1. 作舟命、 燃烧效率、 乘客安伞和川 J。 I满意都很夫 地饿赖丁车身嗣 1『 . 作 零件的精懈 ￡ 直激光传感 器E L 成为敛¨-dW J. 7 f 闩 动机 l导系统的 悼部分, 特别是埘 r 汽乍.80%以 1 的机器视觉 系统 H 要求— 々 感、 但是汽4 零件的定位 要求深度传感. 这n J 以州多个不同 衄向的二维 十 H 机. 母个传感器附fJu 帧扫捕器,通过机算机琏接 . 提 供立体视觉. 虽然更静 的 维传感器 没备的成车较岛 但畅 硅 和 烦较少,十多 lqili , 美嘲Percepb ron 公 为 特汽 乍公 J 一 研制成功第 一 白= I : 门动l fJH l 导 系统 。 在媛系统已用于福特公司的 所有 IL1 . 该公刊 中自动机 j I导系统的主 要生产商. 泼 系统的心脏是它的 TriCam 轮廓激 光j1 {{相机, 它发射一求精惭聚焦的激 光. 射到物件表面时. 形成轮廓线 涵过 角删龟, 较件 ¨ 个 fJ/ J9 x- 一 Y— z 标1、 汽车 It州 J ‘安装梢风窗 、 乍 ¨ 、 汽缸 、 仪表板和防护扳. 还川 J 检 鸯和分析■ 维兀件. 包括塑料铸什、 泡沫座、 布面装璜和其已 轮廓复杂的 柔软部件 近年来, 激光 和 一 直的麻 的 Edison I LL成 勾汽车 Ik }线 500 多 绫系统已往怪 5 智能化设计 住照卡 I_ 1 机 、激光 l捕精干 1 . 外 传感器进磺推动下. 人f『 J已经向梦寐 以求的无人驾驶向动车辆跨冉J 重 要的一步. . 美国 Carnegie Hellon 大 学的 Navlab 实验室制成的自动车 辆装有 CCD 照相机 激光{= I!li距仪和 雷达的视觉系统. 使车辆能按照正 确 的 道高速行驶. 并避开障碍物 早 期的车道探删是改进机器视觉的软 件, 根据 央车道标忐或颜色采 【 别 道路,基于这些特征的牛 丌 对位置, 软 件确定自 辆 驶flf = 』 蛙佳轨迹. 但是有 些道踹没有中央车道标忐 展了快速 适J缸横向佑 霞处理器 (RALPH J . 通过油斑、 护栏和 『 霉等的 各种特征鉴别』 ￡ 轨迹j{{{明条忭变化很大lI+ j-, CCD 产 艮 】 像会饱和 特别在位问雷电大雨交 的 p CCD 就不能探删刮道 路 这使研究人员采用补偿金属氧化 物 I 导体(CMOS)~f f相机. 它的动态 范围大. 但分辨率较姜 跟踪车道 只是 闩动导航问题 rh 的一部分, J 它的功能也括探洲和避 开障 物,以及保持速率和车距等 某些 I 青形中需要区分尤生物和行 人, 这在公j 交通 中丸 旬重要, 城市 公J 汽乍 经常要停站. j 必须穿过拥 挤的城市环境 美同宾夕法尼亚州交 通部州雷达和立体视觉系统装备城 市公』 汽乍, 目的是提醒驾驶员行人 就住附近 厂 探 1 0 公共汽 途中的 行人. I fl_ l_ f究人 在汽车的前面装备了 计算机{1 = I i助 的立件视觉照相机 ,320x168 像素的CCD H 相机捕捉, j 人n 勺 罔像. j H f 算罔像的大小、 形状 和 维 睦, 相材 l看到人 , 就在驾 驶员的镜子中亮出一个警舟信号 为 了克胀公』 汽车行驶ItI的另 ·个普 遍问题——聍袱撞, 需要装备第二个 传感系统, 它具有雷达传感器, 能在 30 4 } 探测到怏谴驶来的车辆 . 当 雷达探测别埒驶员没有采取躲避动 t i m,]. 发出喇叭声, 井住显示板 }n警告信号 然而. 大多数々家预测.此. 发 然而, 道路的 的 亮 置 维普资讯 http://www.cqvip.com 荦 4】 卷,翦u川 2~ }04 年 9 川 激光与光电子学进展 V o l 41 N o 0 S即帅 ( 图5 装备了光雷达和立体视觉的全自动军用车辆 还要几十年才能实 正人驾驶自动 车辆在公路 I. 行驶 美心l 家标准稍 l技术研究所 (NIST)和美同 1 ijj部武器研究实蝓 室的 T: 师合干 1 ; 没计全自动、 高 和多用途的乍 辆( 的自动车面临独特的挑战 . 恶劣的天 气能模糊车辆的视场. 地 经常是不 平和不能预料的 l 程师曾试用过两 种传感器: 用CCD 的立体视觉和前 视红外传感器 虽然立体视觉 J 以像 光雷达 样感知远处的物体, 但是某 些细节仍不能确定, 此外. 照 H 机不 能适应战场上经常发, 的亮光和浓 烟 而在火雨的环境巾物体的温度丰 H 同. 前视红外传感器就尤法区分车辆 行进途T f1的障碍物 为了克H & J : 述缺 点, ] 程师把光雷达和视觉罔像数据 结合起来 他们用光雷达传感器以 910nm激光脉冲扫描视场,汁算 越时^ 日 J, 测 成像照相机确定途巾 物体的精确位置. 处理距离数据强得 有兑颜色和亮度的 美日MIT 大学林肯实验室的研 究人员研制了i 诫 像光雷达系统. 该系统具有单光子灵敏度 、 3cm 范 同的渫度灵敏度、 nf调节角分辨率和 128~128像素 , 该技术与 数字『照相机相似,小同的是不用闪光灯 泡, 而用短脉冲激光器来照明拍摄区 域, 从抽摄区域反射回来的光成像于 团 活 5) 制造战场上 二 包 N光灯 探测器阵列 规的— 维照相机不同. j匕 雷达系统 巾 的探删器不是测量强良. 而是删量光 子的 越时间. 从而推丢 ¨设摄物体的 距离, 南 F泼 包被编码在每个像素 中, j匕 雷达能产生:维罔像最初足为美国 防部搜索弹道导弹 而 制的, 但是后来的进展. 使它能 看透树木和塔等障 物 . 常规n 二维 成像。只能从树nf的宅隙巾看过去. 但屉由于陵技术从多个角度看 所以 能看到树的周阿, 其它的潜在应用是 自动车辆的导航 . 、J , 美闭通用汽车公刮在它的 2000DeVille 中引入夜视系统时, 它 选 择了红外技术——铁电焦平面阵 列,这种320x240像素的探删器传 感发出7~ l4 m 中红外光 选择7~ l4岍 光谱窗口的慝因是除了它能 透过 H和雾外. 它坯包括健康人体所 发射 9. 3~m辐射范阍达 40m,比标准的带 舰前车士 1 可达的 12m远得多 然而, 与其它红 外搽测 案相比 被动式热成像是很 昂贵的。 另一种方法是用主动照明代 替设动探测q喈I. 外波 }乏 . 这 乍辆晌方发射近红外光,成像反射回来的光. 美国Visteon 和 福特汽车公司, 还有德国 戴姆勒克莱 蜥靳公司就是用主动州明 Visteon 用 750~ lO00ru 'n 的红外 光和 700× 然而. 与CCD 和常 渡技术 该系统的前 系统 用CCD 240 像素 CCD 照箭 j机探测反射光来 成像车辆前 1E3m处的物体 而戴姆 勒克菜斯勒和榀特公司选择了窄带 光源。用发削近810nm 的 7、 v 二极 管黻光器. 它璧水上 像一个灯泡带光源的潜在危险是 CCD 必须 与 来自诸如驶米汽车等发出的红外光 竞争,如果不把周同的辐射滤去, 会 使J冬 卜 f象 陵糊臧小丰动照明的带宽,可以提高滤光器降低蛙耀的能力, j= = [; 可以使激光脉冲 j CCD 的电子快 f 1同步,进一步减弱周 雨、 雾和雪使夜概系统产生问题. 中 红外被动探测很少受这些情况的影 响. 但是在 学系统 匕 的水珠会降低 罔像的质量 主动照明系统用可以装 在挡J扎 寓后的硅光学系统, 但是它 J l_ 『 勺 近红外光不能更女 F地穿透目 雨I雪 这问题自 {J ·种解决方法是用激光器 和以纳秒时 尺J斐选通的照丰 J= 『 机 , 忸 这是军事 } 州于瘦视系统的 ’法 . 对 汽车应用太昂贵 澳大利哑圈赶大学的研究人员 开发了一种技术 可以鉴别人眼的注 视方向和眨眼的频繁次数, 并用这种 技术制成 r 名为faceLab 的传感器.用于交通安全 . faceLab 崩两台廉价 的商 照丰 H 机龄视驾驶员. 计算机软 件鉴别 32种面部特征,包括眼睛股 其虹膜,井 每秒 60次的频率取样 它们的位置. 从而建汜几 脸的i 维模 型和 示诸如注视方向和眨眼颤率 等的驾驶员的往意 J状况 如果驾驶 员显出疲劳. 系统就发出警报 . 夜间.系 统用红外照明. 如果驾驶员戴着太 阳镜, 系统 能测量眨跟频率, 但是 它仍能根据人鼻的位置确定驾驶员 的注视方向 研究人员计划缩减系统 的尺寸和成本, 制成为汽车应用的嵌 入式 faceLab, 包括沃尔沃在内的若 干汽车制造商都表示有采用意向 ( 参考文献转至 51 页) 宽 光自 々 效应。 . 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 41卷. 第 9期 2 0 0 4年 9月 激光与光电子学进展 与 CAN 总线测温节点的温度数据 的对比发现。 两者误差不大 。 完全在 腔体的温度波动容许范同内。 智能节 点在激光加工设备控制系统中调试 运行后. 效果很好。 在以 15m 的双绞 线为传输介质、 以CA N的最高速率 V01 . 41. NO. 9 Sep . 2004 1Mbit 通信时, 没有出现过数据丢失 问题。系统实时I 生 强, 温度反馈和系 统参数矫正能快速反映出来。 6 结束语 本节点虽然是为测温而用。 但 只需在具体功能上修改一下就可以 设计出应用于激光加工设备的具有 其他功能的CA N 节点。