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。     

基于激光多边法的坐标测量系统最佳布局

基于激光多边法的坐标测量系统的测量精度受到其布局方式的影响。前期研究中通过对无目标点自标定模型误差传递规律的理论分析,将系统的布局方式优化为直角三棱锥布局。在此基础上,通过对线性化后的系统测量模型进行误差分析,发现当该测量模型系数矩阵的条件数取得最小值时,得到系统的最佳布局方式为直角正三棱锥布局。仿真结果表明,直角正三棱锥布局可有效保证系统的测量精度。     

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。     

基于激光多边法的坐标测量系统布局优化

基于激光多边法的坐标测量系统可实现无目标点自标定,其测量精度受到自标定精度的影响。而系统的布局方式是自标定精度主要影响因素之一。通过对无目标点自标定模型误差传递规律的理论分析,对系统的布局方式进行优化,优化结果为直角三棱锥布局。仿真结果表明,直角三棱锥布局提高了自标定精度,从而保证了系统的测量精度。     

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。     

激光跟踪仪坐标测量精度的研究

激光跟踪仪是目前最新型的便携式空间大尺寸坐标测量系统,其坐标测量精度的校准目前常用标准件进行评定,但标准件的加工制造困难且易变形。因此本文利用高精度三坐标测量机及标准球,在三坐标测量机上建立虚拟三维网格标准球板,并通过移站对激光跟踪仪坐标测量精度进行实验研究。虚拟三维网格标准球板消除了由于标准件变形给坐标测量精度带来的影响,移站测量可以从不同的角度和位置全方位地测量工件各部位待测点的坐标,避免了外界环境的影响,也改善通视条件,实验结果证明该方法具有理论正确性和实际可行性。     

采用精确三维控制场的wMPS全局组网定向方法

工作空间测量定位系统是一种基于激光扫描的三维坐标大尺寸分布式测量系统,目前已广泛应用于大尺寸测量领域。该系统可以通过增加发射站数目来扩展量程同时精度并不损失,其前提是有一套精确的全局定向参数。在系统多平面约束的数学模型基础上,阐述了一种基于三维控制场的wMPS全局组网定向方法。在标定空间内设置点位坐标已知的控制点组成控制场,给出了组网定向的模型及优化方法,并给出迭代初值生成方法。实验表明:通过基于控制场全局组网定向方法后,系统与激光跟踪仪对比后点位误差优于0.15 mm,在提高效率的同时大大提高了系统的精度。     

基于激光视觉技术的运动目标位姿测量与误差分析

针对当前方法测量运动目标姿态和位置存在精度较低的问题,将激光视觉技术应用到运动目标位姿的测量中,提出基于激光视觉技术的运动目标位姿测量与误差分析方法。利用三维激光扫描仪和双目相机构成的系统,实现运动目标位姿的测量,分别采用三维激光扫描仪和双目相机采集运动目标的深度信息和二维图像信息,融合深度信息和二维图像信息,获取运动目标的位姿。通过三维坐标和光斑图像坐标、外部参数以及位姿解算之间存在的误差传递矩阵,构建运动目标位姿测量综合误差传递模型,利用误差传递模型对测量结果中存在的位姿误差进行分析,根据分析结果对运动目标位姿测量过程进行改进和优化,提高运动目标位姿测量结果的精度。在模拟风洞的实验环境中,验证了基于激光视觉技术的运动目标位姿测量与误差分析方法的可行性。     

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。     

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.     

四路激光跟踪测量系统最佳测量区域和系统自标定

研究了系统最佳布局下的最佳测量区域问题,给出了几何精度衰减因子PDOP在三维空间内的变化规律。通过计算机仿真研究了最佳测量布局对系统自标定的影响规律,指出最佳测量布局中的标称配置对系统自标定精度的影响最小,同时这种布局有着最小的几何精度衰减因子。     

Fiber-optic Fabry-Perot temperature sensor using a low-coherencelight source

An interferometric fiber-optic sensor using a light-emitting diode (LED) as the optical source is analyzed and demonstrated. The sensor arrangement employs two Fabry-Perot interferometers (FPIs) in series, one for sensing and one which serves as a reference. The optical output from the LED is spectrally modulated by reflection from the sensing FPI. Then, reflection or transmission by the reference FPI produces an interferometric beat response similar to that observed when a laser is used with the sensing interferometer alone. Best fringe visibility is obtained when the optical path lengths of the two interferometers are matched, and the fringes disappear when the path length difference becomes substantially greater than the coherence length of the LED     

基于四象限探测器的激光束二维扫描跟踪系统的研究

在激光作为能量载体给远程移动设备如无人机充电的过程中,为确保接收端能精准接收到从发射端发射来的激光束,设计了一套基于四象限探测器的激光束二维扫描跟踪系统.该系统通过实时测量入射激光的光斑中心相对于四象限探测器中心的偏移量,利用监控和控制计算机、控制柜以及二轴转台构建闭环控制系统,可实现激光对移动目标的实时跟踪.测试结果表明,当移动目标在距离激光束发射端高1m、横向宽度30 cm的区域内以不大于5 cm/s的速度移动时,该跟踪扫描系统可较准确、实时地跟踪移动目标.     

视觉引导激光跟踪测量系统的Cayley变换校准方法

对于一台激光跟踪仪对多个测量点进行测量的问题,提出了一种视觉引导激光跟踪测量方法。摄像机固定于激光跟踪仪顶部,随之旋转对测量范围内激光跟踪仪反射器进行定位,引导激光跟踪仪激光投射到反射器上。标定摄像机与激光跟踪仪相对姿态,用平面圆孔靶标。激光跟踪仪和摄像机同时测量圆孔靶标,将两个坐标系下对应三维点数组进行均值化处理,变为两个坐标系下对应的向量组,向量组之间的转换关系,即激光跟踪仪与摄像机之间的旋转矩阵。再根据两坐标系下对应的任一点的三维坐标,求解两坐标系的平移矢量。此标定算法把对两个坐标系之间的旋转矩阵的求解,通过Cayley变换,转换为对与转换矩阵相对应的三维向量的求解,求解过程简单稳定。实验结果表明,靶标摆放50次,测量误差小于1 mm。把校准结果应用到实际测量中,激光跟踪仪可快速准确地将激光束投射到反射球中。此方法操作简单,稳定性强,具有很高的实用价值。     

采用相位法的激光跟踪系统设计

为提高激光跟踪精确度,采用相位法改进激光跟踪系统,发射机采用正弦信号调制激光功率,接收电路采用四象限雪崩光电二极管(APD)检测激光回波,通过快速傅里叶变换(FFT)计算失调角,稳定平台保持视轴稳定,并根据失调角跟踪目标。失调角误差是跟踪误差的主要因素之一,与信噪比和数据长度成反比,系统通过滤波、高速采样提高测量精确度。仿真时载体扰动幅度为5°,信噪比为0 dB,干扰信号为目标信号的100倍,系统能准确识别目标,跟踪误差为0.033°,表明基于相位法的跟踪系统具有多目标、高精确度跟踪能力。     

Multiplexing of interferometric sensors using phase carrier techniques

This paper demonstrates the multiplexing of fiber-optic interferometric sensors using a CW phase generated carrier technique. The technique employs modulated diode laser sources at different carrier frequencies, nearly balanced interferometers (∼4-cm path difference), and phase generated carrier demultiplexing demodulation. This approach leads to a simple all-passive sensor array which has intrinsically low crosstalk. The system is analyzed in terms of shot noise performance and crosstalk. An experimental all optical implementation of a four sensor array was demonstrated; both the single sensor and multisensor arrays were limited by the laser phase noise to a sensitivity ofsim 18 murad/sqrt{Hz}. Crosstalk between individual channels was better than -60 dB and crosstalk between three sensors and the test sensor was better than -55 dB. In the absence of laser phase noise the demodulator/demultiplexer demonstratedsim 2-murad performance with both single sensor and four element array operation.     

基于激光成像雷达制导系统的仿真设计

介绍了激光成像雷达应用于制导系统中的优势,提出应用仿真技术辅助外差式激光成像雷达制导系统设计的方法。分析了激光成像雷达制导仿真系统的四个主要组成部分：光学部分、数据处理部分、通用库部分和稳定跟踪部分。结合不同环境、器件性能对系统的影响,具体分析各部分的模块并给出多种数学建模方案。最后指出该系统需要进一步完善的功能。     

激光干涉仪无线测控的设计和实现

针对传统激光干涉仪需要手动调节光学部件问题,设计并开发了一种激光干涉仪无线测控系统,该系统可以无线调节激光干涉仪光学部件的位置。系统采用nRF2401无线射频技术,与传统的nRF2401运用相比,该系统采用奇偶校验和CRC校验的双重校验,提高无线射频传输数据的正确率。同时系统采用闭环控制,提高了激光干涉仪的精确度和稳定性,避免了光学部件的过量调节对激光干涉仪的损伤。     

Coherence-tuned interrogation of a remote elliptical-core,dual-mode fiber strain sensor

Two dual-mode fibers in tandem act as unbalanced sensor and recovery interferometers. We investigate how coherence-tuned interrogation of the remote sensor fiber is affected by the coherence properties of the multimode laser diode source and the modal group index difference of the dual-mode fibers. The parameters for optimized sensor performance are ascertained. We focus particularly on the recovery of small optical phase modulations induced by periodic strain. Using homodyne phase tracking, stability of the detected ac signal is achieved to within ±10^-3 in the presence of additional, quasistatic phase drifts of large amplitude. The minimum detectable differential modal phase modulation is 5 μrad rms/√Hz at 70 Hz. As an example, remote interrogation of a piezoelectric quartz high-voltage transducer is demonstrated     

Passive phase demodulation and laser-noise compensation scheme forfibre interferometers

A scheme for passive phase demodulation and laser intensity noise suppression for fibre interferometers is presented. The scheme uses a matched Ronchi grating filter to transform the interference fringe pattern formed between the reference and the signal fibres into intensity variation that can be related to the optical differential phase in the interferometer. By dividing the grating filter into four sectors with their fringe positions slightly shifted to introduce an equivalent of π/2 phase difference between the signals detected by individual sectors, one can apply cross-subtraction on diagonal sectors to remove intensity noise. In addition, the phase information due to the detected sample vibration can be recovered by taking the root-mean-square of the differential signals. The new scheme greatly reduces the complexity of practical fibre interferometers and an experimental setup has been implemented to demonstrate its expected merits