一维光学位置传感器融合的非接触多自由度位姿测量系统

为实现机器人末端位姿多自由度实时测量反馈,融合一维光学位置传感器（Position Sensitive Detector,PSD）建立了平面3自由度非接触测量系统,对其测量原理,信号处理电路,环境光干扰去除和非线性标定算法等进行研究。根据PSD传感器测量特性和平面3自由度测量要求设计了4-PSD测量系统,并建立测量系统数学模型。研究了PSD传感器的信号处理电路,通过运放和除法器实现了单个PSD的信号处理,结合单片机与A/DC采样电路,实现了上位机的高频率信号采集。对4-PSD测量系统进行预实验,为消除环境光干扰,通过激光调制和数字滤波等方法进行验证。最后,通过激光位移传感器标定4-PSD测量系统,介绍了4-PSD的标定步骤（原点、转角、长度和二阶非线性标定）,测定了系统标定后的误差分布。该测量系统具有较高的测量频率（50 Hz）。标定实验结果表明：标定后的4-PSD测量系统在70mm×70 mm内,测量精度平均为0.49 mm,比标定前降低了90%的误差,能满足大部分高速、高精度机器人末端的非接触式实时测量反馈需求。     

基于激光位移传感器的面角度测量技术研究

针对面角度现场测试需求,利用激光位移传感器的漫反射测量特性,搭建了面角度非接触测量装置,提出了一种结合三坐标测量机和位置敏感探测器对激光位移传感器进行空间坐标化标定的方法,从而构建出精确的面角度测量模型;采用蒙特卡洛法对面角度非接触测量装置的不确定度进行评定,在±25°测量范围内其结果为U=0.044°~0.046°(k=2);通过性能验证试验、重复性试验和稳定性试验对装置的性能指标进行考核,在±25°测量范围内其绝对测量示值误差不超过0.036°,重复性不超过0.004°,稳定性不超过0.021°;实验结果表明该基于激光位移传感器的面角度非接触测量装置准确可靠,具备开展面角度现场测试应用的前景。     

大直径在线高精度测量不确定度分析

讨论了基于"弓高弦长法"测量原理,由3只精密激光位移传感器组成的大直径非接触在线测量装置的测量不确定度。针对被测大轴的尺寸,选择固定的弦长;基于两标准尺寸的外圆盘进行弦长参数的标定;通过3只传感器的对称布置、相对测量、多次测量求平均值等措施,简化了测量装置的结构、方便了标定和测量过程、提高了直径测量精度。对于直径500 mm~510 mm的大轴,当其圆度误差不超过30μm、3只传感器光线的不平行度误差小于0.5°、上下传感器的不对称小于1 mm、标定和测量时中间传感器光线不对中误差小于1 mm时,直径测量结果的不确定度小于3μm。     

利用正交位移测量系统进行六自由度并联机构参数标定

为了简化六自由度并联机构的参数标定过程,提高标定效率,降低标定成本,提出了基于正交位移测量系统的位姿测量装置及方法。首先,研究了该装置的位姿解算方法,利用空间解析几何的方法,求解其运动学正解与逆解。其次,利用微小位移合成法,建立了并联机构及正交位移测量系统组合体的误差模型。然后,基于误差模型,构建了组合体参数误差辨识的最优化问题数学模型,其中,传感器示值的平方和最小为目标函数,组合体的结构参数误差为设计变量。最后,利用正交位移测量系统对六自由度并联机构位姿进行测量,利用OASIS奥希思软件直接搜索出参数误差最优解,将其补偿到并联机构控制系统中,完成并联机构的参数标定。标定前后位姿误差对比表明:最大位置误差降低了58%~96%,最大姿态误差降低了92%~97%。利用正交位移测量系统进行并联机构参数标定,不仅可有效提升并联机构的定位精度,还可有效简化标定工作,提升标定效率,降低标定成本。     

改进型二维位置敏感探测器示值误差的标定

分析了改进表面分流型二维PSD传感器的工作原理及信号调理电路,针对PSD传感器示值误差较大的缺点,设计了利用万能工具显微镜的实验标定系统,运用误差理论对传感器位置测试数据进行了标定修正。试验结果表明,PSD传感器A区的示值误差可减小到±0·02mm内。     

二维位置敏感探测器(PSD)自动测试系统

为了实现对大尺寸二维位置敏感探测器(PSD)的性能标定,设计了基于LabVIEW的PSD自动测试系统.驱动步进电机以1mm步长对PSD光敏面进行扫描,并采集电压值计算激光光斑的位置.应用二元二次多项式法建立光斑位置测量值和实际值的计算模型,由此得出二维PSD非线性校正函数,使测量误差显著减小,较大地扩展了二维PSD的测量范围.     

用于六自由度纳米微动台的位移传感器研制

为测量六自由度纳米微动台的运动,研制了基于光纤微弯原理的位移传感器。设计了新颖的光纤微弯调制结构,利用补偿光纤消除了光源波动对测量精度的影响。实验证明位移传感器的测量精度为±0.048μm,位移分辨率为10 nm,显著优于同原理的其他位移传感器。     

光电六维振动位移传感器的设计

根据光学反射原理，采用光线转换器件和六个线阵CCD光电探测器件，设计了一个六维振动位移测量传感器系统，讨论了六维振动位移的同步测试问题，该传感器系统采用新颖的光线转换器件被物体的位置信息转化为投影光曲线的形状信息，线阵CCD器件将光线位置信息转化为电信号，由数据采集板送往计算机处理，得到被测物体的位移信息，该系统采用了新型的光线转换器，无需复杂，精密的光学系统，即可进行一定范围内的六维位移测量。     

超静定六维力传感器静定测量模型及标定方法

针对一种预紧式超静定Stewart结构六维力传感器,通过综合考虑传感器的整体刚度和分支杆变形的位移协调关系,以简洁的解析表达式推导得到了包含中间预紧分支作用的广义外力与6个测量分支轴向力之间的全映射关系,建立了超静定六维力传感器的静定测量模型,并提出一种超静定六维力传感器的静定标定方法,进行了标定实验及测试研究.研究内容为解决超静定并联式结构的六维力传感器受力分析提供了新的途径,同时为超静定结构六维力传感器的标定研究奠定了理论和实验基础.     

多高度小零件视觉测量方法设计

设计一种综合应用激光三角法和二维机器视觉测量技术测量方法,实现对多高度小零件二维几何尺寸的测量。首先在测量高度范围内,利用线结构光进行高度测量标定,采用多项式拟合建立线结构光成像位置与高度的关系;用精密圆形靶标对不同高度平面进行二维尺寸标定,分别考虑不同高度平面坐标系映射到图像坐标系后光学放大率不同和坐标系间的不平行,CCD摄像机阵列垂直方向与水平方向不一定垂直的情况,以及光学镜头畸变等得到不同平面所在高度的二维尺寸测量标定参数,由此建立起各二维尺寸标定参数和高度的函数关系。对具有不同高度的小零件进行测量,并与三坐标测量机结果进行比对,多次测量的高度最大误差小于0.032mm,二维尺寸最大误差均小于0.08mm。     

基于空间距离约束的姿态角现场精度评定方法

针对大型精密工程现场姿态测量精度评定的需求,提出了一种利用长度计量基准溯源姿态测量结果的姿态角现场精度 评定方法。 首先,介绍了激光跟踪姿态测量系统的基本组成及测量原理;其次,基于六自由度并联机构的正向运动学研究,建立 了空间距离与靶标姿态之间的数学模型,并通过蒙特卡洛法仿真分析距离约束测量精度、控制场布局以及系统工作距离等因素 对评定模型精度的影响;最后,搭建实验平台,利用精密转台的相对转动量作为角度基准,对本文研究方法的可行性进行了验 证。 结果表明:当距离约束测量精度为 0. 038 mm,控制场大小为 1 400 mm×1 400 mm 时,在-20° ~ 20°的姿态角变化范围内,评 定模型方位角精度为 0. 055°,俯仰角精度为 0. 058°。 本文研究方法避免了基于角度基准评定方法中较为严格的坐标系配准要 求,能综合反映测量系统现场使用状态,可为六自由度激光跟踪测量系统中姿态角现场精度评定方法提供参考。     

改进的精密测角法标定面阵摄像机参数

改进了用于标定线阵摄像机的传统精密测角算法,标定用于面阵摄像机的参数。该算法利用两束平行光之间的夹角和投影在摄像机上图像点之间的对应关系,在给定一个预测摄像机主点的基础上计算它和实际主点之间的偏差以及摄像机焦距。分析了图像特征提取误差对于平行光夹角测量精度的影响,并给出一种基于平行光夹角误差最小的最优估计,从而进一步提高摄像机内部参数的标定精度。通过仿真实验分析了图像特征提取精度和平行光夹角测量精度对摄像机参数标定精度的影响。结果显示,当图像特征提取精度为0.1pixel,二维转台精度为0.5″时,主点标定精度可以达到0.56pixel,焦距标定精度可以达到0.06mm。利用精度为0.5″的二维转台对摄像机参数进行了实际标定,通过分析像点和标定结果所计算的平行光夹角和实际测量的平行光夹角的误差,可知本文算法的误差是经典精密测角法的68.6%,由此证明该算法对于面阵摄像机参数标定具有更好的结果。     

非接触式扫描反射镜转角测量系统

为了提高扫描反射镜转角检测系统的测角范围,建立了基于一字线激光器和线阵CCD的高精度非接触式扫描镜角度检测系统。介绍了检测系统的结构和工作原理,该系统根据激光光斑在CCD上的位置计算扫描反射镜的转角,并利用特殊设计的阵列反射镜增大测角范围。为了降低对加工及装调精度的要求,对系统进行了误差分析,给出了采用多项式拟合法进行角度测量的理论依据。讨论了影响系统检测精度的一系列误差源,计算了系统测量的总误差。最后进行了相关的测量实验。实验结果表明：系统的检测系统分辨率为2.5",测角范围为11°,测角精度可达3",可以满足扫描反射镜对角度测量系统提出的高精度、非接触、大测角范围的要求。     

基于视觉正交迭代法改进的激光跟踪姿态测量

针对航空航天、汽车船舶以及机器人应用等领域对姿态精准测量的需求,研究了一种基于视觉加权加速正交迭代 (WAOI)的激光跟踪姿态角测量方法。 首先阐述了测量系统组成、建立了数学测量模型,并分析了系统的主要误差源;其次 在正交迭代(OI)的基础上,通过物方重投影误差设置参考点权重系数,引入常系数矩阵整合迭代过程中的冗余计算,提出了 一种 WAOI 算法,并通过实验验证了算法的性能;最后搭建实验平台,利用精密二维转台对基于 WAOI 的姿态角测量进行精 度评定。 结果表明,在-20° ~ 20°角度范围内,3 ~ 15 m 测量范围内,方位角精度可达 0. 11°,俯仰角精度可达 0. 26°。 相较比 例正交投影迭代变化(POSIT) ,方位角和俯仰角测角精度均提升 75% 以上。 本文提出的 WAOI 算法有效提升了激光跟踪姿 态测量系统的精度。     

点云频域配准的双目双线结构光列车轮对检测

针对单线结构光测量因范围有限以及遮挡等原因而无法检测整个车轮的轮缘及踏面的问题,提出了一种列车轮对双目双线结构光检测方法。该方法采用两组双线结构光传感器进行测量和数据采集。在两传感器产生的点云进行配准的过程中使用截面点云数据还原点云矩阵,然后对其进行傅里叶变换,在计算旋转角度时先进行极坐标转换,最后求取两矩阵的互功率谱,从而得到点云的旋转和平移矩阵。在此过程中考虑到点云噪声的存在,将辛格函数近似代替无噪声的互功率谱傅里叶反变换,从而确定在频域配准时噪声对配准参数的确定并无影响。接着采用相对值比较的算法和主成分分析拟合基准平面,对轮对直径方向进行标定。利用标定值对扫描数据进行处理,得出包括车轮直径、车轮滚动圆径向跳动等对尺寸参数。实验表明:点云频域配准的双目双线轮对检测技术对车轮直径的测量尺寸误差≤±0.05mm,车轮端跳的测量误差≤±0.06mm,车轮径跳的测量误差≤0.04mm。与标准轮对检测数据相比可知,该系统满足轮对检测精度的要求。     

采煤机截割高度测量模型与测量误差分析

采煤机截割高度的测量及其误差分析是实现综采工作面自动化的一项重要研究内容。本文针对机身姿态传感器和摇臂摆角传感器测量方案、机身姿态传感器和调高油缸位移传感器测量方案,分别建立了采煤机截割高度测量模型。利用函数误差公式,推导了测量误差模型。以MG1000/2660-WD型采煤机为例,分析了截割高度测量误差分别随俯仰角、摇臂摆角和调高油缸位移的变化规律,得到了两种测量方案截割高度测量误差的最大值的位置。根据算例分析的结果可知,摇臂摆角传感器和调高油缸位移传感器的精度对测量误差的影响较小,机身姿态传感器的精度将决定截割高度测量误差的大小。最后,以采煤机截割高度测量误差小于5 cm为例进行分析,得出两种测量方案下各传感器的精度要求:摇臂摆角传感器精度为0.022°和机身姿态传感器的俯仰角最大动态误差小于0.16°(1 h内),调高油缸位移传感器精度为1 mm和机身姿态传感器的俯仰角最大动态误差小于0.14°(1 h内)。     

校准能见度仪用标准散射体定标系统装调技术

为了实现校准能见度仪用标准散射体的快速高精度定标,依据标准散射体校准前向散射式能见度仪的校准原理,提出了一种新型的校准能见度仪用标准散射体定标系统,重点研究了该系统的装调技术。根据定标系统的组成与工作原理,建立了定标系统装调光学模型,并提出由抛物面反射镜与全景成像能量检测系统相对位置装调以及抛物面反射镜与低反射率球形屏幕系统相对位置装调组成的定标系统装调方案。建立校准能见度仪用标准散射体定标系统极限误差计算模型,在入射光线角度为45°的情况下,计算出装调过程中抛物面反射镜与低反射率球形屏幕系统平移误差与倾斜误差的极限装调误差分别为3.18°和0.847°,抛物面反射镜与全景成像能量检测系统平移误差与倾斜误差的极限装调误差的极限装调误差均为2.14 pixel。实验证明装调后的校准能见度仪用标准散射体定标系统的最大角度检测误差为0.795°,满足定标系统的角分辨率是1°的使用要求。     

火箭喷管运动视觉测试精度的校准与实验

基于新型双轴摇摆直线升降运动校准装置,提出了一种喷管运动视觉测量系统的校准方法。首先,将校准装置提供的摆心、摆角的标准值与视觉测量系统的测量值在空间上对应起来,通过校准装置提供给喷管模型2次不同轴的摆动,推导出视觉运动测量系统的世界坐标系与喷管摆角坐标系之间的位姿关系。然后求解出二者位姿矩阵和平移向量,在视觉运动测量系统中建立喷管的摆角坐标系;通过时间同步系统向校准装置和视觉运动测量系统发送同步时间基准信号和同步触发信号,同步二者的采样时间,实现标准值与测量值在时间上的对应关系,完成摆动动态数据的直接比较。最后对喷管运动视觉测量系统进行了校准实验,分析了喷管在±12°的摆动空间内不同位置的摆心、摆角的测量误差。实验结果表明,在运动范围内摆角的最大测量误差为0.093°,摆心的最大测量误差为0.832mm。     

基于单拉线编码器测量系统的几何标定及精度分析

提出一种基于单拉线编码器测量系统的几何误差标定方法,通过在测量系统引入被测点位姿参数建立位姿求解模型,基于闭环矢量链建立测量系统误差辨识模型,采用最小二乘法对几何误差参数进行辨识。验证实例表明,标定后测量系统中几何参数最大绝对误差只有1×10^-8 μm,从而证明标定算法的有效性与高精度。进一步分析测量系统中动滑轮圆周度和转轴角度误差,拉线弹性变形,拉线编码器误差对测量系统精度的影响。分析结果表明,当拉线编码器的测量误差为0.0046 mm,动滑轮的转轴误差为0.1°时,最优标定点数目为35个,测量系统的测量误差最大为0.037 mm。