激光跟踪虚拟坐标测量系统与自标定方法的实验研究

激光跟踪虚拟坐标测量系统满足了工业领域大型工件和空间形位测量所提出的要求。这些要求包括 :高精度、无导轨测量、动态实时跟踪测量、全姿态测量等。在实验室建立了基于角度 距离法的激光跟踪测量系统和基于纯距离法的多站跟踪测量系统 ,分别在三坐标测量机、光学平台光栅位移系统下进行了实际跟踪测量和精度比对实验。并运用虚拟坐标自标定算法在虚拟坐标系下确定了初始点位置、目标点坐标及各点间距离。最后 ,对两种方法的特点进行了分析比较     

动态几何量多站法激光跟踪测量自标定

采用激光跟踪控制系统实现工业几何量动态测量,提出了实现动态几何量测量的基本目标和任务。重点分析了采用多个激光跟踪测量系统实现动态几何量测量的基本原理,以及多站法完成自标定的方法。分析了自标定的仿真算法并给出实验结果,仿真结果表明影响自标定精度的主要因素为标准尺的精度     

一种应用于大尺寸测量系统的坐标系自动标定方法

针对现有方法在标定过程中过于繁琐的问题,提出了一种应用于大尺寸测量系统的坐标系全自动标定方法。该方法通过固定两个在测量单元局部坐标系已知坐标的测量节点作为标记靶,测量单元之间相互测量彼此的标记靶获得标记靶上的测量点在不同坐标系下的坐标值,利用这些坐标值建立三维几何约束,从而自动标定不同坐标系之间的坐标转换关系。借助于精密激光定位系统平台进行实验验证,结果表明,所提方法可以实现测量单元局部坐标系之间的自动标定,降低了坐标系标定过程中的人工成本。在距离测量单元布站区域约2 m,大小为5 000 mm×5 000 mm×500 mm的测量空间中长度测量的精度在0.46 mm/m以内,测试点三维坐标测量的标准偏差在0.026 mm以内,可以满足绝大部分工业测量的需求。该方法极大的提高了系统的标定效率,有望为具有自动标定功能的大尺寸测量设备的产品化提供新的理论基础。     

四路激光跟踪干涉三维坐标测量系统

介绍了基于多边法原理的四路激光跟踪干涉三维坐标测量系统 ,包括系统的工作原理、冗余特性、激光跟踪干涉仪、新型目标靶镜、系统的布局及实验结果等 ,并进一步指出下一步的工作。实验表明 ,在距跟踪干涉仪80 0mm远处 70 0mm× 6 0 0mm平面范围内 ,系统三维坐标测量不确定度为 0 .0 6 2 0mm。     

线结构光自同步扫描三维形貌测量系统

针对空间目标操控任务中非合作目标近距离三维形貌测量的需求,设计了基于激光三角法原理的线结构光自同步扫描三维形貌测量系统.分析了经典的点扫描测量系统模型,扩展建立了线结构光扫描系统模型.构建了测量系统桌面样机,利用二维平面棋盘靶标构建虚拟立体靶标完成了系统参量的标定.分别对已知结构的工件及天宫一号缩比模型进行了测量实验,结果表明:测量距离为1m时,系统三坐标测量误差均优于1mm,Z向距离误差为0.18mm,测量点到拟合平面的距离误差均值为0.31mm.该系统简化了扫描系统结构,能降低空间载荷的重量和功耗,满足空间任务中快速三维形貌测量的需求.     

激光束空间位姿高精度标定方法

关节型激光传感器是新型的跨尺度空间、非接触三维坐标测量仪器。为使关节型激光传感器实现精密测量,需要精确标定其系统参数,尤其是标定激光束的空间位姿。提出一种基于平面靶标和球靶标相结合的激光束空间位姿标定方法。通过建立像素坐标系和世界坐标系的矩阵关系,得到激光点的三维坐标,进而通过直线拟合得到激光束的空间位姿。转台旋转轴的空间位姿通过最小区域圆拟合得到。实验结果表明,在1 m的测量范围内,传感器系统的最大距离测量误差约为0.05 mm,新标定方法准确有效。     

扫描成像跟踪激光雷达

设计了一种基于激光图像跟踪的激光雷达系统来实现目标的跟踪测量。该系统通过激光光束二维扫描,形成包含距离和角度信息的三维图像,由测量视场内运动目标的几何中心与视场中心的角度偏差获得脱靶量,利用脱靶量驱动伺服机构使目标几何中心处于雷达扫描视场中心,从而实现目标的实时跟踪,并输出目标距离和角度信息。实测结果表明：采用设计的激光雷达系统对距离900 m的目标进行测量,测距精度优于0.25 m,角跟踪精度优于0.07°,角跟踪能力优于1.2（°）/s,实现了快速捕获目标、高精度跟踪测量和系统小型化等既定目标。     

信息光学 其他

TP242．62 2006065154光笔视觉测量系统结构参数的自标定与仿真=Self-cali- bration and simulation of structure parameters in a light- pen vision measurement system[刊．中]/黄风山(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津(300072)),刘书桂…//光电子·激光．—2006．17(6)．—705-708介绍了光笔式三维坐标视觉测量系统的工作原理,由于系统具有冗余特性,可以实现系统的自标定。重点研究了光笔结构参数的自标定原理,建立了正确的自标定模型,综合运用各种数值算法对自标定模型进行了计算机仿真。仿真结果表明,点光源三维坐标的测量误差对光笔结构参数自标定结果的影响很大。因此,在光笔结构参数自标定过程中,需要保证光笔上点光源三维坐标的测量精度。图1表2参6(严寒)     

虚拟坐标激光动态跟踪测量系统中光路的琼斯矩阵分析

激光跟踪测量系统应用于工业领域 ,实现动态目标的实时跟踪和虚拟坐标的测量 ,是测控一体化的计算机集成系统。推导出该系统中光学系统的琼斯矩阵 ,采用矢量分析的方法 ,分析了光学系统 (包括分束器、平面跟踪镜和角锥棱镜 )对于任意方向入射光偏振态的影响以及光强变化的影响。在数值仿真的基础上 ,对光学系统进行优化设计 ,提高整个系统的跟踪测量性能。     

交汇测量系统线阵相机标定方法

为了提高大靶面交汇测量系统的测量准确度,分析了交汇测量原理,推导出脱靶量坐标公式.根据脱靶量公式分析其各项参量,利用几何关系建立像元坐标与偏移角度之间的映射模型.根据映射模型,利用光栅尺设计了一种针对线阵相机的标定方法,该方法不考虑相机参量,将整个光学系统看作一个整体,基于整体参量直接对像元坐标和它所对应的偏移角进行标定.实验结果表明,标定后的交汇测量系统在1.4m处的平均测量误差为0.4mm,最大测量误差优于0.6mm.该方法简单高效,可提高系统标定的速度,且标定误差满足系统交汇测量准确度的要求.     

三维形貌柔性测量系统标定方法及验证

为了避免机器人模型误差对三维形貌柔性测量系统手眼标定的影响,对手眼关系的标定方法进行了研究。提出了一种融合特征点拟合的手眼标定方法。将三维形貌扫描仪安装在工业机器人末端搭建三维形貌柔性测量系统。标定时,首先利用激光跟踪仪对工业机器人末端法兰盘坐标系进行测量,得到两者转换关系;然后,利用三维形貌扫描仪和激光跟踪仪对空间固定的特征点组进行测量,利用特征点约束和基于罗德里格矩阵的算法求解两者转换关系即可间接地求解出手眼关系。基于ATOS三维扫描仪、安川HP20D机器人和API公司生产的激光跟踪仪进行了手眼标定实验,并进行了精度验证。结果表明:标定后的三维形貌柔性测量系统,其重复性测量精度(3σ)不超过0.1 mm,长度测量精度的均方根误差在0.2 mm以内,点云拼接精度优于±0.7 mm。该方法有效避免了传统手眼标定过程中会引入机器人模型误差的问题,在求解手眼关系解时采用了线性的解法,并且适用于三维形貌柔性测量系统。     

结构现场可调的点激光精密测量系统

为了实现激光传感器测头可以根据现场条件来实时改变入射角度,建立了结构可调的点激光测量系统。建立了相机的针孔模型,利用张正友标定算法得到该相机模型的内部参数,定义点激光测量系统中的光心角,推导出利用像点坐标和相机内部参数实时求取光心角公式。建立了点激光测量系统的数学模型,引入点激光测量系统的结构参数:基线距和基准角,利用零平面和两个基准面标定系统结构参数。利用标定得到的系统结构参数进行实时的逆向工程在线测量。实验结果表明:测量系统量程为75mm时,该标定算法最大标定误差≤0.02mm,点激光测量系统的测量误差≤0.06mm,达到精密测量的要求。     

卡尔曼滤波在激光跟踪测量系统中的应用

激光跟踪测量系统对于测量运动目标空间位置是行之有效的,但在测量过程中,各种干扰噪声的影响会降低测量精度。采用卡尔曼滤波来减小噪声的影响以提高测量精度。介绍了激光跟踪测量系统,建立了状态方程和测量方程,给出了卡尔曼滤波算法,仿真结果表明,运用卡尔曼滤波大大提高了测量系统的精度。     

红外地平仪地球模拟器光学校准精度分析

针对适用于双圆锥扫描红外地平仪地面检测体积相对较大的地球模拟器,使用两台电子经纬仪建立三维坐标测量系统,采用全测角的方法计算并实时显示被测点的三维坐标值,可以大大提高光学校准精度。基于坐标值的计算以及地球模拟器的模拟原理,首先对地球模拟器进行精密校准,然后基于误差传递公式计算直角坐标的校准测试误差,对光学校准精度进行分析,最终实现红外地球敏感器姿态角测量的误差分析。计算与实际测量结果表明,通过使用实时三维测量系统对地球模拟器进行精密校准后,双圆锥扫描红外地平仪的姿态角模拟测试误差可降低到0.01°以下。验证了该测量系统在大型航天地面检测设备中的有效性与实用性。     

一种现场大尺寸测量精度的评价方法

针对现场全面评价大尺寸测量仪器精度的特殊性,提出了一种采用多仪器站多控制点的精度评价方法.基于四元数的空问数据配准,将多仪器站的测量数据统一到全局坐标系下,基于控制点坐标不变约束,对测量值进行统计得到测量不确定度,并从中提取仪器内部各传感器单元分量的不确定度.利用多传感器信息融合技术求得最优控制点,减小坐标转换误差对结果的影响.以激光跟踪仪为例进行了仿真和现场实验,结果表明,该方法评价测距和测角小确定度的误差可分别降至1 μm和0.1'以内.     

零锁区激光陀螺空间异面孔系投影角测量误差分析

针对异面腔零锁区激光陀螺深小孔系测量中准确性和稳定性差的问题,分析了异面腔零锁区激光陀螺深小孔测量中误差产生的原因。建立了倾角误差对空间异面孔系投影角的影响方程,发现空间异面孔系的倾角变化会改变投影角,当倾角为16时,倾角误差会以30%的分量加权到投影角误差中,并采用UG软件进行了仿真验证。采用最小二乘拟合的方法分析了影像测量仪的采点误差对角度的影响,发现了增加测量点数由2点增加到10点,超大采点误差的影响会减少至原来的50%。该方法增加了零锁区激光陀螺测量的稳定性。