面向激光跟踪测量的大范围高精度姿态测量

针对我国高端制造业对高精度空间六自由度测量系统的迫切需求,提出一种面向激光跟踪测量的基于单目视觉的大范围全自动高精度姿态测量方法。阐述了面向激光跟踪测量的姿态测量系统构成、合作靶标硬件设计,并建立了姿态测量数学模型;其次,分析了自适应清晰成像的姿态测量模块特性,基于光学畸变模型与张正友标定法建立了实时相机成像模型,动态校正特征点像素坐标模型,提升了特征点的提取精度;之后,结合合作靶标几何特性、EPnP算法、Soft-POSIT算法提出一种改进的姿态测量方法,建立了姿态测量系统的自动监测纠错机制,实现测量范围内任意动态位姿的自动测量。最后,利用二维精密转台搭载合作靶标对激光跟踪测量的姿态测量系统进行精度测试。实验结果表明：在3～10 m,方位角/俯仰角为±30°、滚动角为±180°内,适配有14个特征点的合作靶标,姿态测量精度优于0.049°;适配有10个特征点的合作靶标,姿态测量精度优于0.065°。此方法普适性强,对合作靶标特征点布局约束较小,可以满足高端制造业激光跟踪测量的精密测量需求。     

飞秒激光跟踪仪跟踪脱靶量零位标定方法

飞秒激光跟踪仪通过PSD探测脱靶量实现目标跟踪,脱靶量零位是跟踪激光指向反射靶球的中心时反射激光在PSD上输出的光斑位置,跟踪时以脱靶量零位作为基准计算目标脱靶量,因此如何准确标定脱靶量零位是仪器实现精确测量的前提。文中在分析角反射器特性的基础上,结合仪器自身特点提出了一种基于角反射器的飞秒激光跟踪仪跟踪脱靶量零位标定方法。分析了脱靶量零位误差对仪器指向精度的影响;建立了跟踪脱靶量标定误差模型;根据仪器结构设计和轴系几何误差对脱靶量零位标定方法进行了仿真,结果显示,其误差小于17.8 m,当目标距离仪器10 m时,仪器的指向误差小于1.1,该结果对系统误差补偿模型建立奠定了基础。最后,基于实际装置对仪器的脱靶量零位进行了标定,为后续仪器的动态测量提供了跟踪基准。     

飞秒激光跟踪仪光轴与竖轴同轴度的标定

考虑飞秒激光跟踪仪仪器轴系的几何误差会影响仪器的指向精度并最终影响坐标测量精度,本文研究了激光光轴与竖轴的几何误差对仪器测量精度的影响。提出了激光光轴与竖轴的同轴度标定方法,以降低其不重合带来的跟踪测量误差。首先,基于几何光学原理建立了光轴与竖轴的几何误差模型,分别分析了光轴与竖轴的倾斜与平移误差对仪器测角精度的影响。然后,针对设计的仪器提出了基于旋转成像原理的光轴与竖轴同轴度的检测方法,并设计了一套同轴度检测装置。最后,基于该检测装置,通过调节两组双光楔完成了激光光轴与竖轴的倾斜与平移误差的标定。结果显示,经标定校准后激光光轴与竖轴的角度误差为3.4″;平移误差为26.1μm,得到的结果为仪器后续建立误差补偿模型奠定了基础。     

精密光电小角度测量技术研究

提出一种能够实现目标微小角度精密测量和空间精密角度定位的新型光电测量系统。首先建立了基于动态光学理论的光电小角度测量模型和空间基准传递模型,阐述了系统测量原理;然后基于测量模型和误差来源进行总体的方案设计,提出以降低误差为目的的系统方案设计,并且使用最小二乘法进行角度误差补偿;最后进行了系统小角度测量精度和空间定位角度精度测试。最终实验结果表明,小角度测试误差±0.6″,空间角度基准传递(横竖轴)误差≤1″,可以满足通常条件下的使用要求。     

飞秒激光跟踪仪跟踪光路的优化设计与分析

基于光学系统对跟踪探测的影响,结合仪器功能,提出了一种基于胶合透镜减小跟踪偏移量的方法,实现了对飞秒激光跟踪仪跟踪光路的优化;改进了准直扩束光路,细化了光学系统,分析了优化后光学系统在接收功率和杂光方面对跟踪探测的影响机理。基于优化的光学系统设计,搭建实验系统进行了探测实验。实验结果表明,补偿后的跟踪探测精度可达3μm,这满足仪器精密跟踪要求。     

气动效应地面模拟装置光学窗口设计与评价

气动热效应地面模拟装置是航空载荷成像性能地面检测设备的核心部分。本文设计了一种光学窗口用于气动热效应地面模拟装置,使用理论计算与模型仿真相结合的方式,严谨地阐述气动环境下光学窗口的设计理论。首先使用计算流体动力学理论(Computational Fluid Dynamics,CFD)进行仿真,计算给定条件下的气动压力和温度值,给出最严苛的条件值;然后根据经典强度理论和断裂力学理论,提出光学材料加工工艺要求,并设计窗口满足安全使用要求的厚度;最后依据流固热耦合仿真分析,验证设计的合理性,并依据导致载荷光学成像质量下降程度的变形量优化窗口的厚度。