電動(dòng)揚(yáng)聲器智能檢測(cè)與自動(dòng)分類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭 慶，張文斌，景亞鵬，覃 暢，蘇海濤

(1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林 541004；2.廣西自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004)

0 引言

揚(yáng)聲器是一種直接把電能轉(zhuǎn)化成為聲音的換能器件[1]。隨著國(guó)內(nèi)電聲行業(yè)的飛速發(fā)展，揚(yáng)聲器也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但在揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)、優(yōu)化等方面還與國(guó)外的揚(yáng)聲器生產(chǎn)廠商存在著一定差距[2]。這就要求揚(yáng)聲器生產(chǎn)廠商加強(qiáng)揚(yáng)聲器的出廠品控管理，在揚(yáng)聲器出廠前對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量[3]。

國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)對(duì)揚(yáng)聲器數(shù)字測(cè)量技術(shù)上的研究起步尚晚。目前國(guó)內(nèi)揚(yáng)聲器企業(yè)中最常采用的揚(yáng)聲器檢測(cè)方法是人工試聽，并且依靠人工搬運(yùn)揚(yáng)聲器至檢測(cè)工位進(jìn)行檢測(cè)及分類，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，企業(yè)生產(chǎn)成本高[4-6]。因此實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器的智能化檢測(cè)與自動(dòng)分類對(duì)揚(yáng)聲器生產(chǎn)廠家有著重要作用。

針對(duì)上述存在的問題，本文提出將機(jī)器視覺技術(shù)與機(jī)械裝置相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器自動(dòng)化檢測(cè)與分類，并與揚(yáng)聲器電聲參數(shù)測(cè)量軟件共同搭建了揚(yáng)聲器的智能檢測(cè)與自動(dòng)分類系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為揚(yáng)聲器焊點(diǎn)定位模塊、揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類模塊和電聲參數(shù)測(cè)量模塊，如圖1所示，揚(yáng)聲器焊點(diǎn)定位模塊由工業(yè)相機(jī)與圖像處理算法組成，用于識(shí)別揚(yáng)聲器焊點(diǎn)的準(zhǔn)確位置；揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類模塊由機(jī)械裝置和主控電路等組成，其作用是調(diào)整揚(yáng)聲器焊點(diǎn)的位置，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分類揚(yáng)聲器；電聲參數(shù)測(cè)量模塊是用來測(cè)量揚(yáng)聲器電聲參數(shù)，由聲電轉(zhuǎn)化設(shè)備、信號(hào)調(diào)理電路和電聲參數(shù)測(cè)量軟件構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)的工作流程如圖2所示，由各個(gè)模塊相互配合完成，分為以下4步：

(1)揚(yáng)聲器焊點(diǎn)定位模塊進(jìn)行揚(yáng)聲器的焊點(diǎn)定位，通過工業(yè)相機(jī)對(duì)待測(cè)揚(yáng)聲器拍照，接著利用圖像算法，識(shí)別與定位揚(yáng)聲器焊點(diǎn)相對(duì)位置，計(jì)算揚(yáng)聲器所需旋轉(zhuǎn)角度β；

(2)旋轉(zhuǎn)角度β傳輸至揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類模塊，主控電路控制機(jī)械裝置將待測(cè)揚(yáng)聲器焊點(diǎn)與測(cè)試探針接觸；

(3)揚(yáng)聲器發(fā)聲，電聲參數(shù)測(cè)量模塊工作，處理?yè)P(yáng)聲器的電聲信號(hào)，得出各類電聲參數(shù)；

(4)將檢測(cè)完成的揚(yáng)聲器通過揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類模塊進(jìn)行揚(yáng)聲器的分類工作，送至目標(biāo)位置。

圖2 系統(tǒng)工作流程

2 揚(yáng)聲器焊點(diǎn)定位模塊設(shè)計(jì)

揚(yáng)聲器焊點(diǎn)定位模塊的工業(yè)相機(jī)的像素為1 000萬，已知相機(jī)選型公式為

F=FOV/D

(1)

式中：FOV為視野范圍；D為視覺模塊的識(shí)別精度；F為工業(yè)相機(jī)的像素[7]。

該相機(jī)拍攝區(qū)域?yàn)?10 mm×297 mm，可得出識(shí)別精度D為0.006 237 mm，充分滿足了揚(yáng)聲器焊點(diǎn)的識(shí)別精度。

利用工業(yè)相機(jī)識(shí)別揚(yáng)聲器焊點(diǎn)，及定位其中心點(diǎn)位置，根據(jù)反三角函數(shù)，計(jì)算出揚(yáng)聲器所需旋轉(zhuǎn)的角度β值，從而實(shí)現(xiàn)探針與焊點(diǎn)的對(duì)接，示意圖如圖3所示。

圖3 焊點(diǎn)與探針位置關(guān)系示意圖

對(duì)圖像建立像素坐標(biāo)系，揚(yáng)聲器所需旋轉(zhuǎn)的角度β值共有4種情況，假設(shè)揚(yáng)聲器中心a點(diǎn)像素坐標(biāo)為(m，n)，焊點(diǎn)中心b點(diǎn)像素坐標(biāo)為(x，y)，各情況對(duì)應(yīng)不同β值，如圖4所示。

系統(tǒng)采用LabVIEW軟件處理捕獲圖像，主要分為2個(gè)部分，圖像預(yù)處理與焊點(diǎn)定位信息的提取，圖像處理流程圖如圖5所示。

圖5 揚(yáng)聲器焊點(diǎn)的圖像處理流程圖

圖像預(yù)處理部分主要是提取焊點(diǎn)圖像。對(duì)圖像進(jìn)行ROI區(qū)域選擇，以避免其他無關(guān)圖像對(duì)目標(biāo)圖像干擾；對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行灰度化處理，方便后續(xù)的分析與處理工作；在一定光強(qiáng)變化范圍內(nèi)，采用自適應(yīng)最大類間方差法來確定最佳閾值，并消除圖像噪聲，使焊點(diǎn)圖像識(shí)別無誤。

完成目標(biāo)和背景分離后，對(duì)焊點(diǎn)圖像進(jìn)行最小外接矩陣，獲取焊點(diǎn)中心定位信息，并根據(jù)焊點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值，計(jì)算揚(yáng)聲器所需調(diào)整角度β。圖6所示為圖像的算法實(shí)現(xiàn)過程。

3 揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類模塊設(shè)計(jì)

揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類模塊的結(jié)構(gòu)框圖，如圖7所示。通過RS232串口，將圖像處理結(jié)果與揚(yáng)聲器分類結(jié)果傳至MCU處理，以控制機(jī)械裝置完成揚(yáng)聲器焊點(diǎn)接入測(cè)試端口及結(jié)果分類。

圖7 揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類模塊結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)合作企業(yè)的要求，設(shè)計(jì)了揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類模塊的布局方案，如圖8所示，圖中可旋轉(zhuǎn)的連桿將揚(yáng)聲器從待檢測(cè)位置送至檢測(cè)位置檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，將揚(yáng)聲器放置在不同等級(jí)(A、B、C)的對(duì)應(yīng)位置，從而實(shí)現(xiàn)了待測(cè)對(duì)象的分類。

機(jī)械裝置包括底座、揚(yáng)聲器位置調(diào)整裝置、揚(yáng)聲器探針通訊裝置。如圖9所示，揚(yáng)聲器位置調(diào)整裝置由一號(hào)電機(jī)、二號(hào)電機(jī)、三號(hào)絲桿電機(jī)和吸盤等組成，揚(yáng)聲器探針通訊裝置由探針與四號(hào)絲桿電機(jī)組成。各電機(jī)與硬件系統(tǒng)內(nèi)的主控電路連接，探針與硬件系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)調(diào)理電路連接[8-9]。

其工作原理主要為3部分。首先，主控電路驅(qū)動(dòng)一號(hào)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)同步輪與皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使連桿旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器位置的準(zhǔn)確調(diào)整。其次，當(dāng)連桿帶動(dòng)吸盤轉(zhuǎn)至待檢測(cè)位置正上方時(shí)，三號(hào)絲桿電機(jī)正向工作，促使吸盤向下運(yùn)動(dòng)，直至吸盤貼合揚(yáng)聲器的中心位置。啟動(dòng)氣泵，吸盤吸住揚(yáng)聲器后，

(a)揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類模塊工作臺(tái)俯視圖

(b)揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類模塊各部分連接示意圖圖8 揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類模塊整體布局示意圖

圖9 機(jī)械裝置示意圖

三號(hào)絲桿電機(jī)反向工作，揚(yáng)聲器與吸盤向上運(yùn)動(dòng)，即揚(yáng)聲器被拾取。然后驅(qū)動(dòng)一號(hào)電機(jī)工作，將揚(yáng)聲器懸空于仿真耳上，二號(hào)步進(jìn)電機(jī)控制揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)動(dòng)，使揚(yáng)聲器的焊點(diǎn)位置對(duì)準(zhǔn)探針；在三號(hào)絲桿電機(jī)正向工作時(shí)，揚(yáng)聲器放置在仿真耳上，此時(shí)揚(yáng)聲器與探針處于同一平面。最后，啟動(dòng)四號(hào)絲桿步進(jìn)電機(jī)，使探針向前運(yùn)動(dòng)，從而觸碰揚(yáng)聲器的焊點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類模塊和電聲參數(shù)測(cè)量模塊的無縫對(duì)接。最后根據(jù)電聲參數(shù)測(cè)量模塊的檢測(cè)結(jié)果，一號(hào)電機(jī)工作，將揚(yáng)聲器送至目標(biāo)位置。

4 揚(yáng)聲器電聲參數(shù)測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

揚(yáng)聲器電聲參數(shù)測(cè)量模塊的結(jié)構(gòu)框圖，如圖10所示。聲卡的LINE OUT L接口發(fā)出連續(xù)對(duì)數(shù)掃頻信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過功率放大模塊后，分為2路信號(hào)：第1路信號(hào)通過電流檢測(cè)模塊，再通過LINE IN R返回，即為電學(xué)信號(hào)；第2路信號(hào)激勵(lì)待測(cè)電動(dòng)揚(yáng)聲器，并通過聲電轉(zhuǎn)化設(shè)備采集揚(yáng)聲器的聲音響應(yīng)，通過LINE IN L返回，即為聲學(xué)信號(hào)[10]。對(duì)采集的電聲信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)測(cè)量算法[11-13]計(jì)算后，得到所需要的電聲參數(shù)。

圖10 電聲參數(shù)測(cè)量模塊結(jié)構(gòu)框圖

為了使廠家方便使用測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了如圖11所示的測(cè)量軟件界面，界面由菜單欄、測(cè)量模式選擇、相機(jī)與串口選擇、測(cè)量參數(shù)結(jié)果顯示等組成，界面簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，并且用戶可以根據(jù)需求設(shè)置測(cè)試信號(hào)參數(shù)與靈敏度分檔數(shù)值區(qū)間，如圖12所示。

圖11 揚(yáng)聲器電聲參數(shù)測(cè)量軟件界面

圖12 測(cè)量軟件設(shè)置界面

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為檢驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，搭建了電動(dòng)揚(yáng)聲器智能檢測(cè)與自動(dòng)分類系統(tǒng)，并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，圖13為系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置圖。

圖13 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

為了驗(yàn)證圖像算法的可靠性，在不同光強(qiáng)度下，對(duì)多角度擺放的揚(yáng)聲器進(jìn)行拍照及圖像處理，獲取其焊點(diǎn)中心像素并與理論值進(jìn)行比較。表1為揚(yáng)聲器焊點(diǎn)定位誤差測(cè)試結(jié)果，最大誤差為-0.068 61 mm，滿足焊點(diǎn)定位精度要求，表明圖像算法穩(wěn)定可靠。

表1 揚(yáng)聲器焊點(diǎn)定位誤差測(cè)試結(jié)果

揚(yáng)聲器焊點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差直接影響揚(yáng)聲器焊點(diǎn)能否與探針接觸，因此需要對(duì)二號(hào)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度與圖像處理所得角度進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。測(cè)量設(shè)備使用ZKP3808-001G-2000BZ1-12-24C半空增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和其配套的ECC3810編碼器采集卡。測(cè)量方法是將編碼器與步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行同軸連接，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)編碼器同步轉(zhuǎn)動(dòng)，最后編碼器采集卡采集步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度并發(fā)送給計(jì)算機(jī)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出焊點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)誤差在±1°內(nèi)，焊點(diǎn)與探針即可接觸無誤。表2為部分揚(yáng)聲器焊點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)誤差測(cè)試結(jié)果。

6 結(jié)束語

本文完成了各功能模塊設(shè)計(jì)，給出了焊點(diǎn)定位模塊、揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類模塊和電聲參數(shù)測(cè)量模塊的軟硬件設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，揚(yáng)聲器焊點(diǎn)定位最大誤差為-0.068 61 mm，焊點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)誤差在±1°內(nèi)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高，測(cè)量軟件操作簡(jiǎn)單，使用方便，為揚(yáng)聲器自動(dòng)化檢測(cè)提供了切實(shí)可行的方案。

表2 揚(yáng)聲器焊點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)誤差測(cè)試結(jié)果