激光跟踪仪精密跟踪系统的设计

对激光跟踪仪的跟踪伺服控制系统进行了整体研究并给出了总体设计方案。针对跟踪目标的精密探测问题,研究了新型探测手段以及微弱光电信号的精细调理技术与数字滤波方法,使得脱靶量探测稳定性优于±2.0μm。针对跟踪角度精密测量问题,设计了圆光栅数据采集系统,实现了角度脉冲的细分、辨向与准确计数;基于谐波分析方法建立了跟踪过程中的误差补偿模型,将角度测量精度由3.5″提高到1.5″。建立了跟踪伺服电机的数学模型,分析了电流环在跟踪控制中的作用机理,提出了电流、速度、位置三闭环控制结构和复合跟踪控制策略。跟踪实验表明:系统最远跟踪距离不小于41.7m,跟踪速度不低于2.0m/s。该项技术还能为空间动态目标跟踪、激光通信等提供有益借鉴。     

球载观测系统的无线图像传输系统设计

为实现系留气球观测系统轻量化无线图像高速稳定传输,文中采用了ZYNQ+AD9361硬件架构和正交频分复用技术实现无线图像传输系统设计。ZYNQ的FPGA部分实现了与AD9361射频前端的数字接口,与ZYNQ的ARM部分的数据通道,以及基于IEEE 802.11a标准的基带处理器物理层。ARM部分运行Linux操作系统,可在该系统上完成对AD9361配置的应用程序的开发、物理层管理以及与上位机和摄像机的数据交互。无线图像传输系统的引入,实现了空中系留气球观测平台与地面控制中心点对点的无线图像传输,增强了系留气球观测系统目标监测的可靠性。该通信系统结合了软件无线电系统灵活性配置、正交频分复用技术频谱利用率高以及抗多径效应等优点,能够随着系留气球观测系统应用于各种复杂环境中。     

最小二乘参数估计若干问题的讨论

讨论了最小二乘估计中应注意的几个问题,指出了最小二乘估计的一些新的研究和应用方向。     

空间坐标转换技术的分析与研究(一)

系统分析了空间坐标转换的不同形式及其相互关系,运用旋转矩阵理论作了较为深入的探讨,指出了使用中应注意的问题。提出了齐次矩阵,微分算子及雅可比阵矩等有用概念,作为例子,讨论了这些概念在机器人学中的应用。     

基于栅格节距中心峰值检测的扫描探针显微镜校准方法

为了解决扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope, SPM）现有校准方法复杂程度高且存在局限性的问题,提出了一种基于二维标准微尺度正交栅格的SPM校准方法,通过对扫描获取的栅格图像进行互相关 / 卷积（Cross?correlation / Convolution, CC）滤波,实现对栅距中心坐标的峰值检测。校准的运动几何误差包括x轴和y轴位置偏差Δx和Δy、沿x轴和y轴扫描的直线度偏差δy和δx以及两轴之间的正交性偏差γ_xy。根据x轴和y轴扫描像素数、扫描范围、标准栅格计量检定节距平均值、栅距平均值计算得出校准因子C_x和C_y。采用标称节距为10 μm的正交栅格样板对原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）进行校准实验,结果显示C_x和C_y分别为0.925和1.050,γ_xy为0.015°,该台AFM的校准扩展不确定度为0.33 μm（k = 2.56）。研究成果对于推动SPM校准标准文件的具体实施和执行具有积极意义,并为SPM仪器研制及性能评估提供了技术参考。     

基于加权最小二乘的激光跟踪姿态角测量方法

针对现代工业生产中大型装备的生产、制造和装配对于姿态精准测量提出的需求,提出了一种基于加权最小二乘的激光跟踪姿态角测量方法。首先,阐述了姿态测量系统的组成,并对姿态测量系统中使用的坐标系进行定义;其次,建立了姿态测量数学模型,在此基础上利用加权最小二乘法对冗余角度信息进行数据融合,并采用蒙特卡洛法对融合方法进行了仿真分析;最后,搭建了姿态测量实验平台,利用精密二维转台对系统姿态角测量精度进行了评定。实验结果表明:在[?30°, 30°]角度范围内,测量距离为3 m时姿态角测量精度为0.28°,测量距离为8 m时姿态角测量精度为1.76°;与单目视觉法相比,姿态角测量精度在3 m时提升了6.7%,在8 m时提升了18.8%。文中提出的数据融合方法对姿态角测量精度的提升具有较好效果。     

基于加权加速正交迭代算法的相机位姿估计

单目视觉中的位姿估计是三维测量中的一个关键问题,在机器视觉、精密测量等方面运用广泛。该问题可通过n点透视（PnP）算法求解,正交迭代算法（OI）作为PnP算法的代表,因其高精度的优点在实际中得到了广泛运用。为了进一步提高OI算法的稳健性和计算效率,提出了一种加权加速正交迭代算法（WAOI）。该方法首先根据经典正交迭代算法推导出加权正交迭代算法,通过构建加权共线性误差函数,利用物点重投影误差更新权值,达到迭代优化位姿估算结果的目的;在此基础上,通过自适应权值,整合每次迭代过程中平移向量以及目标函数的计算,减少迭代过程中的计算量,从而实现算法的加速。实验表明,在12个参考点中存在两个粗差点的情况下,WAOI的参考点重投影精度为0.64 pixel,运算时间为8.02 ms,精度高且运行速度快,具有较强的工程实用价值。     

基于FPGA的圆光栅编码器数据采集系统设计

介绍了一种基于FPGA的圆光栅编码器数据采集系统的设计方法。通过分析圆光栅的实际工作情况,将系统分为三大模块,详细阐述了滤波模块实现消除高频信号干扰,计数模块实现四倍频、辨向与脉冲计数,以及数据通信模块实现跨时钟域数据传输功能的具体方法。最后通过Modelsim仿真验证了系统设计的可行性与可靠性。本系统具有高集成、可扩展、便于移植的特点,可广泛应用于相关领域。     

激光跟踪仪测角误差补偿

由于激光跟踪仪的角度测量精度直接影响仪器的测量精度,本文提出了用自准直仪结合多面棱体对跟踪仪金属圆光栅测角误差进行离散标定的方法。研究了基于谐波分析的误差补偿方法,取金属柱面圆光栅测角误差中幅值较大且相位基本不变的谐波分量建立了补偿模型,避免了最小二乘法不收敛的问题。分析了标定测角误差的不确定度,结果显示：水平测角精度补偿前后分别为1.60"和0.90",俯仰测角精度补偿前后分别为4.89"和0.91",精度分别提高了44%和81%,从角秒级提高到了亚角秒级。结果表明,提出的方法可为激光跟踪仪水平和俯仰轴系提供测角误差补偿,对类似测角系统的误差补偿也有参考价值。