基于多边法的多轴转台相交度测量方法

随着导航、光电跟测和飞行仿真等技术的飞速发展,对多轴转台的测量精度要求越来越高。轴线相交度是多轴转台重要的技术指标,为此,提出一种基于多边法的激光跟踪干涉仪测量多轴转台相交度的方法。该方法首先对激光跟踪干涉仪位置进行自标定,构建坐标系;其次将靶球依次安装于双轴转台（方位轴和俯仰轴）的测量平面,利用多台激光跟踪干涉仪跟踪靶球,分别测量两轴的转动轨迹,采用最小二乘法对获取的轨迹进行拟合,通过所有轨迹点建立双轴转台回转轴线相交度的求解方程,以实现其相交度测量;最后重点分析了测量方法的主要误差来源,对测量不确定度进行评价。实验表明：所提方法相较传统测量方法测量误差更小,减小了动态测量盲区,无需辅助工件,且不受轴数限制,能够无接触、高精度测量。     

面向特大齿轮的激光跟踪测量精度提升方法

为实现特大齿轮激光跟踪测量精度的提升,采用激光跟踪仪与柔性关节坐标测量臂相结合的测量方式,建立了基于激光跟踪多边测量方法的特大齿轮组合式测量网络。采用柔性关节坐标测量臂蛙跳技术确定激光跟踪仪全局坐标系与柔性关节坐标测量臂坐标系之间的坐标转换关系,实现不同站位下测量臂测量数据的空间配准。引入激光跟踪仪多边测量方法,摒弃其角度测量模块,建立激光跟踪多边测量位置参数标定模型,通过测量冗余数据并对其进行L-M优化迭代,以提高激光跟踪仪的全局控制精度。对建立的组合式测量网络进行仿真实验,分析对比测量数据,组合式测量网络的测量误差平均值为0.007 mm,误差标准差为0.004 mm,相同条件下,使用激光跟踪仪直接测量方法的测量误差平均值为0.044 mm。仿真实验分析表明,该方法显著提升了测量精度,满足了特大齿轮现场齿形测量的要求,具有较好的理论与工程应用价值。     

基于二维振镜与位置灵敏探测器的高精度激光跟踪系统

提出了一种基于二维振镜与位置灵敏探测器的高精度激光跟踪系统;基于光线追迹方法建立跟踪系统的几何光学模型,并对跟踪系统进行误差分析,通过仿真对激光跟踪系统的指向精度以及跟踪性能进行分析。仿真结果表明:在跟踪距离100 m处,跟踪系统的位置指向精度可达0.35 mm,角度指向精度为0.72″,跟踪范围为-10°～10°,最大跟踪速度可达3.6 rad/s,能够实现对远距离快速运动目标的高精度实时主动跟踪。     

激光跟踪仪目标脱靶量精密探测方法

激光跟踪仪是一种用于大尺寸空间精密几何坐标测量的重要光学测量仪器。PSD是激光跟踪仪实现对合作目标精密跟踪的脱靶量传感器件,其探测精度直接影响跟踪测量性能。首先,简要介绍了激光跟踪测量系统及基工作原理,然后根据系统需求提出了脱靶量精密探测方案。重点讨论了I/V变换、信号放大、滤波、参数匹配等硬件设计方法以提高PSD输出微弱电流信号的稳定性,研究提出了基于FPGA和有限状态机的去极值平均滤波算法和扩展除法运算算法分别用于降低噪声干扰与提高测量精度;数据表明在4mm4mm的区域内脱靶量探测稳定度优于2m。采用该方法实现激光跟踪仪对合作目标的动态跟踪,很好地满足了激光跟踪仪的精密快速跟踪需要。     

激光跟踪干涉系统基点的直线约束标定方法EI北大核心CSCD

激光跟踪干涉系统的测量精度是工业机器人标定精度的主要影响因素,其基点标定精度决定了激光跟踪干涉系统的测量精度。为了确定基点与激光跟踪干涉系统的准确距离,提出了一种激光跟踪干涉系统基点的直线约束标定方法。建立了基于直线约束的数学标定模型,使各标定约束点分布在同一直线上,可直接应用干涉测量方法获取约束点的精确坐标,使用最小二乘法进行数值解析确定基点距离,该方法具有原理简单、误差源少、测量精度高的特性。针对影响标定精度的各项参数进行了数值仿真分析,优化标定参数,减小标定误差;最终搭建了实验装置评估该标定方法的性能,实验结果表明,激光跟踪干涉系统的基点距离平均值为290.0764 mm,标准差为4.4μm,满足对工业机器人标定的精度需求;为验证该方法的准确性,对API radian激光跟踪仪的基点距离进行比对测试,与其标称值相差3μm。     

基于球心拟合的多边激光跟踪系统自标定方法

随着大尺寸工件和设备的制造加工以及装配的精度要求提高,对工件加工装配过程进行测量的测量系统精度要求也有所提高。多边法激光跟踪三维坐标测量系统只利用距离测量数据解算空间点坐标,能够避免激光跟踪仪角度测量带来的误差。文中提出了一种通过在跟踪仪测头挂载夹具进行球心拟合来获取跟踪仪测量原点的方式进行系统自标定,并辅以移站的方式,可使用两台激光跟踪仪构建四站多边法激光跟踪三维坐标测量系统。另外,文中还尝试了三站系统的构建。实验证明,四站系统将对标称长度1000.943 mm位于约20 m处的标准尺长度测量误差由最大110 μm减小至28 μm,三站系统将对标称长度969.045 mm位于约7.5 m处的标准尺长度的测量误差由最大67 μm减小至21 μm,相较于单台跟踪仪提高了精度,相较于传统多边系统降低了测站数量和成本,能够在工业现场实现高精度三维坐标测量。     

基于PSD的微位移测量系统研究

为了提高激光跟踪仪的跟踪精度,改善激光跟踪仪性能,根据测量光斑在PSD上的坐标可实现光斑位移测量的原理,研究了提高微位移测量精度的方法,设计出一种由PSD传感器、ADS8556模数转换器和TMS320F28335数字信号处理器构成的高性能微位移测量系统.该系统在硬件设计中引入二阶有源低通滤波器消除了部分噪声干扰;在软件设计中通过误差补偿和数字滤波进一步提高了数据可靠性.加入抗干扰设计后,获得的二维坐标波动量峰峰值均在6μm以内.实验表明,该系统可获得高精度的光斑坐标,为激光跟踪仪精密跟踪奠定良好基础.     

基于空间长度约束的坐标控制场精度增强方法

为了实现大空间几何量测量的全局定向和精度控制,需要在空间内构建精密三维坐标控制场。目前,利用激光跟踪仪单站建立坐标控制场是最有效手段,但面对局部更高的测量精度需求,必须减小全局定向过程中的转站误差,增强区域的控制场精度。利用激光跟踪仪干涉测距精度高的特性,并用跟踪仪靶球座配合碳纤维杆现场构造多个空间长度基准(微米量级精度),长度基准可灵活布置于所需空间区域,作为约束加入到跟踪仪多站位对控制点的冗余测量过程当中,从而克服单站空间遮挡问题并优化跟踪仪测角误差,进一步提高所构建长度基准的控制点坐标精度,实现区域测量场的精度增强。实验结果表明,该方法可使全局定向精度在10 m测量范围内优于0.04 mm,进一步满足现场大空间几何量测量的高精度要求。     

机器人位姿测量中激光跟踪仪布局位置研究

应用激光跟踪仪进行机器人位姿测量时,为了减小激光跟踪仪分布位置对测量结果的影响,对激光跟踪仪布局位置开展优化。以ABB IRB1410型机器人为研究对象,规划了其测量区域。通过构建激光跟踪仪误差传递函数,对激光跟踪仪测距误差、测角误差对整体坐标测量精度影响进行分析。通过仿真分析研究了激光跟踪仪不同分布位置下机器人测量区域内测量点整体偏差的分布规律。通过构建激光跟踪仪布局评价函数并基于MATLAB无约束线性优化算法确定了激光跟踪仪最优布局位置主要位于测量区域中心轴线及其延长线附近,并对最优位置相邻区域整体测量偏差的分布规律进行了分析,为机器人现场测量提供一定的参考依据。     

环境温度影响激光发射二轴转台性能研究

激光发射二轴转台是以转台为主体,承载激光传输及发射功能的设备。转台要求在温度指标范围?40~55 ℃内具有良好的使用性能,为更好地了解环境温度对转台性能的影响,引出了激光发射二轴转台结构,并采用有限单元法对不同环境温度下转台静动态特性进行分析研究,由静力学分析后的转台变形量结果得到环境温度对轴系精度的影响。分析得到,以22 ℃转台性能参数为基准,在温度指标范围内,室温22 ℃时,转台静态特性与轴系精度最优,环境温度偏离22 ℃越远,静态特性与轴系精度越差。当温度每变化10 ℃,转台最大变形量变化约0.529 mm,最大应力值变化约18.418 MPa;方位轴系与俯仰轴系垂直度误差变化约4.715″,方位轴系与底座支撑面垂直度误差变化约4.649″;方位轴系晃动误差变化约0.22″,俯仰轴系晃动误差:(1)温度低于22 ℃,变化约0.33″;(2)温度高于22 ℃,变化约0.569″。转台前6阶模态频率随温度变化具有不同的规律,但频率变化率最大不超过2%。分析结果表明,环境温度对此类转台静态特性与轴系精度影响较大,但对动态特性影响较小,结论与工程经验基本吻合。     

基于GPS的星地激光通信捕获对准研究

提出了基于GPS坐标解算实现星地激光通信捕获、跟踪和对准(ATP)初始捕获的方法。星地激光通信信标光跟踪系统通过对地面GPS坐标和卫星坐标的解算,得到地面光学天线的方位角和俯仰角,光学天线根据角度旋转对准信标光,从而将信标光引入粗跟踪CCD的视场。给出了GPS坐标解算算法和信标光方向角度随卫星坐标变化的仿真曲线。用二维电机进行了地面转台的捕获实验,对实验数据进行了捕获精度的分析,结果表明,通过GPS坐标解算能够快速地实现信标光的初始捕获。     

激光跟踪绝对测长多边法三维坐标测量系统

现今随着大型工件制造、装配需求的增加,对此类产品的制造装配精度的需求也在不断地提高。高精度的测量和控制成为制约高端制造业发展的一个重要因素。对此文中研究了一种基于激光跟踪绝对测长多边法三维坐标测量系统,该系统由四台绝对距离测量激光跟踪仪和上位机构成,既充分利用了绝对激光干涉测距的精度优势和断光续接的能力,又避免了传统激光跟踪仪角度测量带来的误差。同时,为提高自标定算法的精度,提出并研究了一种依赖距离的残差模型。通过实验表明,该系统实现了在20 m大范围空间内小于20 m的测量误差,测量不确定度为12.3 m。较之单台绝对激光跟踪仪系统的精度有很大的提升,实现了在工业现场在线、高效、精密的三维坐标测量。     

采用光平面交汇的大尺寸坐标测量方法

工业大尺寸测量中常用的经纬仪、跟踪仪等多站式测量系统大多使用基于空间球坐标系的角度交汇测量方式.由于这种测量方法对测站轴系结构有严格的要求,导致现有的测量设备制造成本高、组装困难,并使最终测量结果受轴系误差影响较大.介绍了一种基于光平面交汇的多站式大尺寸测量方法.采用分布于工作空间内的多台激光发射站及接收器测量待测点坐标.建立了基于双旋转激光平面的单发射站数学模型,推导了接收器三维坐标计算公式并对基于光束平差原理的测站定向方法进行了讨论.新方法降低了对测站轴系精度的要求,提高了可靠性.实验结果证明:新方法的测量精度优于0.2 mm.     

空间光通信捕获跟踪模拟演示系统

针对移动平台空间光通信信标光捕获跟踪系统的要求,给出了ATP模拟演示系统的设计框图.对CCD采集的光斑图像,先用二维中值滤波来消除噪声点,然后用动态阈值分割出光斑图像,用形心算法定位光斑坐标.跟踪控制器采用增量PID控制来减小累积误差的影响,且便于DSP的实现.通过对模拟仿真台在不同运动速度时的二维转台动态跟踪实验结果分析表明模拟演示系统有较好的跟踪精度.     

标校塔信号源抗风扰稳定系统设计与实现

外场雷达标校过程中,塔顶信号源在风载荷的干扰下会产生数10 mm的偏摆,这种偏摆对雷达标校精度会产生较大影响。为消除风载荷的影响,设计了基于激光跟踪仪、二维稳定平台等为核心器件的抗风扰稳定系统。该系统通过激光跟踪仪实时测量信号源的位置偏摆量,然后计算出修正值后利用二维稳定平台进行位置补偿,最终实现信号源位置稳定。测试结果显示该系统稳定精度高、响应速度快,可在0.2 s内实现位置稳定精度优于0.5 mm。并可为外场雷达标校提供有利的技术保障。     

基于加权最小二乘法的空间目标模拟器平面度测量与补偿研究

为减少空间目标模拟器负载台运动轨迹平面度 的测量误差,提高平面度的测量精度,以空间目标模拟器作为研究对象,通过物理建模和数 值计算定量地 分析了误差源,提出根据测试点坐标残差构建权值,采用加权最小二乘法拟合最佳平面,以 点面距离和二 面角作为评价指标进行平面度评定的新方法。在以激光跟踪仪为工具的非接触测量实验中, 依此方法对模 拟器负载台平面度进行校准,平面度精度达到0.4mm,二面角相比非 加权方法降低1个数量级。实验结果 表明在3m×2m的空间范围内,本文的校准和数据处理方法能够保证平面度的测量精度。     

基于线阵CCD的二维轮廓扫描系统

吊装过程中为获取吊物具体位置信息,设计了一种基于线阵CCD的二维轮廓扫描系统。利用激光照射直线与线阵CCD投影直线相交的原理求取激光照射点二维坐标;提出了一种基于硬件的线阵CCD脉冲中心位置测量方法;采用双直线法对线阵CCD进行标定,得到其输出像素坐标与投影直线的映射关系;研究提出了一种升降速控制策略,能平稳高效地控制步进电机。用已知尺寸的圆柱形PVC管作为实验对象,系统测得其二维轮廓若干离散点坐标,通过圆周拟合的方式得到圆柱半径,平均误差为0.928 mm,系统一次扫描耗时约0.45 s;实验结果表明,系统测量精度较高,扫描速度较快,可广泛应用于物体的二维轮廓扫描。     

激光跟踪视觉导引测量中靶标球球心定位方法

为解决现有激光跟踪测量系统中存在的搜索区域大、定位速度慢等问题,提出了一种基于单目视觉测量系统求解激光跟踪仪靶标球球心三维坐标,以此作为导引信息,引导单台激光跟踪仪实现多基准点自动测量的方法。对视觉测量所采用的椭圆识别和基于单目摄像机的球心定位算法进行了研究。首先,根据靶标球成像的特点,介绍了基于Gestalt的椭圆识别算法,实现了靶标球图像特征的自动提取与识别。然后,介绍了基于单目摄像机的球心定位算法,即根据图像椭圆方程、相机焦距和球半径求解球心三维坐标,并进行了仿真验证。最后,进行了实际的靶标球图像自动识别与球心定位实验。结果表明,采用文中方法测量两靶标球间已知距离约为550 mm时的RMS误差为1.728 2 mm。激光跟踪仪激光束搜索范围得到大幅减小,基本满足自动测量的快速性和高效性等要求。     

光学连续闭环光电编码器误差检测系统

为了解决光电编码器误差检测精度低、光机结构复杂、检测周期长等问题,利用自准直仪与多面棱体的光学小角度测量原理及转角互逆双轴转台的连续误差检测方法,建立了光学连续闭环光电编码器误差检测系统;采用多体系统理论与相对位姿矩阵变换方法,建立了双轴转台全误差模型,分析了固定误差和可变误差对系统的影响;利用标定自准直仪与23面棱体对检测系统进行了校准,并利用高精度光电编码器与系统进行了精度对比验证。结果表明:检测系统的双轴回转精度满足数值仿真计算要求,系统精度可达0.38″,测量不确定度为0.2″（k=2）,系统检测精度与实际编码器出厂时标定的准确度基本一致,验证了光学连续闭环光电编码器误差检测系统实现高精度和全圆周连续误差检测的可行性。     

国产化背景下高精密光学双基站空间定位测量系统设计

开展了基于近景摄影测量技术的国产化高精密光学双基站空间定位测量系统研发。文中主要提出了针对该系统的设计方案,从整体结构、相机、光源、二维转台、移动标靶、处理软件等方面进行系统设计,同时在设计研发基础上开展了实验测试,通过与目前高精密测量仪器激光跟踪仪进行精度对分析,实验数据表明了其最大偏差为02mm,满足主回路设备≤03mm的安装公差要求,验证了该系统能够较好地满足我国高精密测量仪器装备使用需求,在国产化替代方面具有一定的可行性。