激光跟踪测量系统（精选9篇）
激光跟踪测量系统 篇1
0引言
激光跟踪测量系统源于机器人计量学,它是计算机技术、电子技术、精密机械、控制技术相结合的产物[1],是一种新型的无导轨型坐标测量系统[2]。
激光跟踪测量系统按其跟踪头数量和工作原理可以分为三种: 单站式球坐标法、双站式三角法和多站式距离交会法[3]。单站式球坐标法的典型应用是一站式激光跟踪仪[4],测量一个长度值和两个角度值,从而计算出点空间坐标值。目前,瑞士Leica公司最近推出的LTD840激光跟踪仪带有T-Probe及T-Scan功能,测量范围可达40 m,美国API公司生产的3D/6D激光跟踪仪精度可达5 ppm[5,6]。双站式三角法的典型应用是经纬仪系统,利用完全相同的两台经纬仪通过对点的方式测量纯角度值,英国Surrey大学采用两台空间相对位置经严格标定的激光跟踪仪作为测量基站,由空间角度关系计算了被测点三维坐标[7]。多站式距离交会法的典型应用是全站仪,采用多路激光以不同角度跟踪测量被测点到测站间的距离,计算空间点信息,日本国家计量研究院建立了四路激光跟踪干涉测量系统[8,9],2009年清华大学刘永东博士设计了三站激光跟踪坐标测量系统[10]。
本课题研究的激光跟踪测量系统结合单站式球坐标和双站式三角法的优势,设计一种基于三角法的一站式PSD激光跟踪测量系统。通过利用三角法原理设计测量系统本体和测头部分,系统本体利用步进电机带动转镜使激光光斑移动,测头部分主要采集数据。 本研究应用VC + + 6. 0软件在上位机开发基于对话框的可执行控制程序,下位机采用两个STM32微处理器,其中一个处理采集来的数据并通过射频模块无线发送,另外一个微处理器则接收发送的数据并通过串口传给上位机。由上、下位机共同组成该激光跟踪测量系统的控制系统。
1工作原理
三角法测量原理如图1所示。
距离 L—固定已知常量; α1,α2,β1,β2—系统测量过程中,为已知参数; P—测头部分上的靶标点
笔者研究的激光跟踪测量系统左、右转镜之间的距离为固定已知常量L,测量过程中步进电机带动转镜运动,测得左、右转镜的转角分别为 α1,α2,β1,β2,经过左右转镜的激光束在测头上交会,该交会点即为靶标点P。通过解三角形可得:
或
式中: α1,α2—测得的水平方向角度值; β1,β2—测得的竖直方向角度值; L—固定的已知常量。
2工作流程
基于三角法原理设计的激光跟踪测量系统结构如图2所示。该测量系统结构包括系统本体和测头部分两个单元。系统本体上主要是步进电机带动转镜运动,以改变激光光斑在空间的坐标位置。测头部分装有位置敏感探测器( PSD) 以采集激光光斑在PSD上的位置信息,并内嵌了各种电子模块对采集的数据进行处理。笔者研究的激光跟踪控制系统也相应的分为两个部分,上位机采用工控机IPC、运动控制卡PCI8134实现对系统本体上步进电机的运动控制,下位机以嵌入式微处理器STM32为主控制器,配合运放模块、A/D转换模块、射频模块等电子设备处理PSD传感器的数据并无线发射。
上位机控制系统主要由控制器、驱动单元、执行单元组成,控制系统流程如图3所示。工控机通过PCI总线与运动控制卡PCI-8134进行通信,通过调用运动控制卡的库函数来实现对步进电机的运动控制。
下位机控制系统主要由信息采集单元、数据处理单元和各电子模块组成。控制系统流程如图4所示。
下位机分为信息的发送方和接收方,均以微处理器STM32为主控制器。发送方位置敏感检测器PSD采集激光光斑在PSD上的重心位置信息,并将采集的模拟信号传送给PSD处理板SPB100进行放大处理, 经PSD处理板输出的放大的模拟量不能直接传送给微处理器STM32处理,必须经过 模/数转换模 块AD7606将输出的模拟量转变成数字量在传给微处理器,虽然微处理器STM32本身带有多个通道的A/D转换功能,但是受电压的限制,STM32的参考电压是3. 3 V,而PSD处理板的输出模拟电压在正负10 V的范围,所以PSD处理板的输出模拟电压不能直接送到STM32处理,同时,陀螺仪MPU6050通过UART不断的向微处理器发送采集的测头角度信息,最后经过微处理器处理的数据通过SPI总线传给频率为2. 4 GHz的射频模块NRF24L01进行发送。接收方射频模块NRF24L01接收发送端发送的数据,并通过SPI总线将接收的数据传送给微处理器STM32,微处理器接收到射频模块传送过来的数据便立即通过UART经UART转USB模块传送给工控机IPC。
3系统硬件设计
3.1运动控制模块
运动控制单元主要是运动控制卡连接步进电机驱动器以驱动步进电机,该控制系统采用的是凌华PCI8134系列四轴步进和伺服运动控制卡,它具有32位PCI总线,即插即用,输出脉冲频率最高可达2. 4 MHz, 通过调用运动控制卡自带的动态链接库函数即可实现对步进电机精确可靠的运动控制功能。运动控制卡通过PCI总线与工控机通信,并向外引出了接线端子,运动控制卡与电机驱动器单轴的连接示意图如图5所示,其他轴的连接与此类似。
3.2主控制器模块
控制系统采用的微处理器为STM32F103C8T6, ARM 32-bit Cortex-M3 CPU主频高达72 MHz,片内提供了多个通信接口,包括2个IIC接口、3个USART接口、2个SPI接口、1个CAN接口和1个USB接口。该处理器最小系统的引脚定义如图6所示。图6中只给出了要用到的引脚描述。端口PA2、PA3分别与陀螺仪MPU6050的RX、TX连接,用于读取陀螺仪绕三轴旋转的角度、角速度和角加速度。PA4、PA5、PA6、PA7是STM32的SPI1片内外设接口,分别与无线射频模块的SPI口连接,用于将STM32处理的数据通过无线方式发送。端口PA0、PA1、PA8、PA11、PA12、PB13、 PB14与模数转换模块AD7606连接,PA0用于选择转换范围,PA1提供片选信号,PA8提供开始转换信号, PA11用于复位,PA12提供是否正 处于转换 状态, PB13提供时钟信号,PB14用于数据传输。
3.3陀螺仪模块
陀螺仪安装在激光跟踪测量系统本体和测头部分,其作用是读出本体和测头三轴的角度值,通过对比得出测头和系统本体的相对角度值,用于后续的误差补偿,以提高测量提供的精度。陀螺仪模块如图7所示。
陀螺仪与MCU既可以采用串口通讯,也可以利用IIC接口通讯,这里采用串口通讯方式。MPU6050不断的向MCU发送信息,其输出的每帧数据分为3个数据包,分别为角度包、角速度包和角加速度包,3个数据包通过包头提供的标识信息进行区分,若包头数据为0X51则接收的数据为角度信息,若包头数据为0X52则接收的数据为角速度 信息,若包头数据为0X53则接收的数据为角加速度信息。上位机设置波特率为115 200 bps,每隔10 ms输出一帧数据,通过判断包头标识得到角度信息,对角度包进行解析得出系统本体和测头绕三轴旋转的角度。
3.4无线通讯模块
本研究采用无线通讯模块NRF24L01如图8所示。其工作频段为2. 4 GHz ~ 2. 5 GHz,内置数据链路层,SPI口通讯方式,自动应答及自动重发功能,地址及CRC检验功能。该模块共有两个,分别用于数据的发送和接收,其通讯接口是一样的,可通过软件设置工作模式。无线传输的数据为PSD传感器采集的位置信息和陀螺仪角度信息,将其打包成一个数据帧,共27个字节,采用自动应答和自动重发功能,选择通道0进行数据的发送和接收。
发送数据时,系统将配置寄存器位PRIM_RX置低,使NRF24L01工作在发送模式,接收节点地址TX_ ADDR和有效数据TX _ PLD通过SPI口写入TX _ FIFO,设置CE位为高,启动发射。发送完数据后,系统将通道0设置为接收模式来接收应答信号,若在有效时间内接收到应答信号,则状态寄存器TX_DS位置高并将数据从TX_FIFO清除,若未接收到应答信号, 则重新发送数据。当需要接收数据时,系统将配置寄存器位PRIM_RX置高,使NRF24L01工作在接收模式, 配置EN_RXADDR寄存器使能接收通道0,配置EN_AA寄存器使能自动应答功能,配置RX_PW_P0寄存器选择有效数据宽度为8位,设置CE位为高,启动接收。接收到数据后,系统将数据存储在RX_FIFO中,同时RX_ DR位置高,并产生接收中断,发送确认应答信号,MCU将数据以合适的速率通过SPI口将数据读出。
3.5PSD模块
PSD传感器及处理电路如图9所示。
本研究采用方形二维Si Tek 2L20 PSD,位置非线性最大 ± 0. 8% ,测量精度可达1 μm,当有激光光斑照射到光敏面上时,PSD会产生光电流,光电流经4个电极引脚引出,经PSD处理板处理。PSD处理板采用Si Tek SPC02,该电路包括了电流电压并放大电路、加减法运算、除法运算等功能,将光电流转化成只有X、Y独立的两路电压模拟信号输出。
4系统软件设计
上位机软件是在VC + + 6. 0环境下编写的程序,主要由运动控制部分、与下位机通讯部分和数据处理显示部分3部分组成,上位机图形用户界面如图10所示。
运动控制部分采用PID控制算法实现了对步进电机的控制功能,包括初始化设置,绝对运动控制和相对运动控制。初始化设置是开始测量前对测量参数进行选择,例如测针长度、测量时间间隔等; 绝对运动控制通过输入电机位置对电机进行控制,实现了电机运动位置的粗调; 相对运动控制通过设置参数和方向按钮对电机进行控制,实现了电机运动位置的微调,PSD激光跟踪程序主要采用逐次逼近算法,分别让两束激光轮流交替向PSD传感器坐标原点靠近,并不断重合在PSD坐标原点处,实现自动跟踪功能。与下位机通讯部分实现了接收下位机传输的数据信息的功能,下位机通过串口转USB接口模块与工控机IPC连接,将采集的陀螺仪角度信息和激光光斑在PSD上的位置信息传输给该程序。数据处理显示部分实现了数据运算处理并显示的功能,首先该程序测得的激光光斑转角信息代入坐标计算公式,对陀螺仪角度信息解码,将接收的PSD处理器电压值转换成位置量,并将这些数据信息在图形用户界面上输出显示。
下位机软件部分用Keil编写,将程序烧入微控制器实现控制功能。下位机程序主要由陀螺仪MPU6050模块、模/数转换AD7606模块、无线射频NRF24L01模块、串口通信模块等子程序组成,下位机控制系统框图如图11所示。
MPU6050模块子程序实现串口接收数据包,判别角度数据包并解码。AD7606模块子程序实现MCU通过GPIO口对AD转换进行控制,通过SPI口接收转换的数据。NRF24L01模块子程序实现通过SPI通信对射频模块的控制和数据的发送接收。串口通信子程序实现USART协议收发数据。各个模块子程序通过嵌入式实时操作系统UCOS进行任务的调度和数据通信,使系统更可靠、稳定。
5实验及结果分析
被测对象选用某涡轮转子叶片,被测对象如图12所示。
测量装置如图13所示。
笔者在测量时将其10 × 10等分,测得部分数据如表1所示。
以上数据显示了该测量系统和三坐标测量机的实验结果。数据显示,该测量系统的实验精度大约在亚毫米级,基本满足大尺寸坐标测量的要求。影响测量系统精度的主要因素包括激光初始对零位置、传感器精度、信道存在干扰等因素。在改善测量环境的基础上, 系统精度有较大的提升空间。
6结束语
通过对激光跟踪仪、双站式经纬仪及多站式全站仪等坐标测量系统进行研究,本研究结合单站式球坐标和双站式三角法的优势,设计了PSD激光跟踪控制系统,光路的瞬间遮挡不会对测量产生影响,避免了采用昂贵的激光干涉系统,测量前只需光斑对零,避免了经纬仪系统相互定位; 开发了基于对话框的图形用户界面,并加入了嵌入式控制系统,利用嵌入式实时操作系统 μC /OS进行任务调度和同步通信,在实现激光跟踪测量功能的同时,使控制系统的稳定性和可靠性得到了提高。
通过大量的测量实验证明,该控制系统可成功应用于激光跟踪测量。
激光跟踪测量系统 篇2
数字摄影测量系统三维跟踪通用适配器设计
三维采集单元是数字摄影测量工作站主要的人机交互设备.三维采集设备的类型较多,目前广泛使用的是三维鼠标和“手轮脚盘脚开关组合”.笔者认为,为了兼顾作业质量和作业效率,数字摄影测量工作站的最佳三维采集模式,应该是三维鼠标与手轮脚盘的.联合使用.结合实际的开发研制经验,提出了一种针对两种采集模式的通用、便捷的接口转换设计方案.
作 者：高延民 李晓斌 李延海 王桂霞 Gao Yanmin Li Xiaobin Li Yanhai Wang Guixia 作者单位：西安测绘信息技术总站,陕西西安,710054刊 名：测绘技术装备英文刊名：GEOMATICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT年，卷(期)：2009“”(3)分类号：P2关键词：数字摄影测量 三维采集 接口
激光跟踪测量系统 篇3
关键词： 风洞； 激光片光； 污染物扩散； 污染源； 气流运动
中图分类号： X 5文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.001
Abstract： In order to perform wind tunnel experimental studies on pollutant dispersion， a laser sheet light system for measuring pollutant concentration fields and a pollutant releasing system were developed. Based on the laser sheet light system for concentration measurement， the distribution patterns of pollutants released respectively from point， line and face sources under urban environments were investigated by wind tunnel experiments. Based on the boundary conditions in the wind tunnel test case， the pollutant dispersion was simulated numerically by computational fluid dynamics （CFD）. The CFD results are qualitatively matched the laser sheet concentration measurements in the wind tunnel. By combining the laser sheet light system for concentration field measurement with the concentration sampling method， it will be expected to realize the quantitative measurement of pollutant concentration fields in wind tunnel modeling.
Keywords： wind tunnel； laser sheet light； pollutant dispersion； pollution source； airflow
引言
城市环境下的大气污染物迁移扩散是当前环境科学领域的研究热点之一[1]。对于该类问题的研究有风洞试验[23]、计算流体动力学（CFD）数值仿真[1，45]和现场实测等技术。风洞试验由于边界条件可控，以及可为CFD仿真模型的验证提供重要基础数据等特点，已成为模拟大气污染物迁移扩散的重要技术手段。但目前在风洞试验中，测试大气污染的扩散分布大多采用的是定点采样方法[2]，该方法可定量得到污染物浓度，但带来流场干扰，且采样点数目有限，很难得到全场的污染物浓度分布概貌。
本文将介绍我们集成开发的、用于大型环境风洞模拟的大气污染物浓度激光片光测试系统，激光片光浓度场测试系统属于非接触式、全场（激光片光照射平面）测量，可避免流场干扰并能有效获得污染物浓度的场分布。采用污染物发放系统在大型风洞中模拟典型点源（建筑物屋顶烟囱排放）、线源（城市道路交叉口及街道内机动车尾气连续排放）和面源（城市交通隧道洞口大气污染物排放）的污染物，采用大气污染物浓度激光片光测试系统，测试这些污染物的扩散分布状况。
1污染物浓度测试系统和污染物发放系统的组成
1.1激光片光污染物浓度场测试系统
图1为用于风洞模拟大气污染物扩散的污染物浓度激光片光测试系统。
该浓度场测试系统由激光器、光学镜片和高速数字图像记录系统等组成。激光器为连续波半导体激光器，通过光学镜片汇聚激光器所发出的激光能量，得到输出波长为 532 nm的激光片光（光束直径小于4 mm，发散角小于0.7 mrad）；高速数字图像记录系统（CCD系统）由计算机（含记录软件）、尼康AF镜头（相机）、CORE传输主机、固态硬盘（存储设备）和连接线等构成。测量过程中，将激光片光作为照射光源照射大气污染物，CCD系统采集粒子的散射光，散射光越强则说明粒子浓度越大[6]。
1.2污染物发放系统
图2为污染物发放系统，由变频器、旋涡气泵和烟雾发生器等组成。发烟材料在烟雾发生器内燃烧产生烟雾，烟雾在旋涡气泵作用下通过导管导入风洞内，产生点源、线源和面源的污染源，而旋涡气泵送风量可由变频器控制。
2激光片光浓度场测试系统在风洞模拟大气污染扩散中的应用
采用激光片光污染物浓度测试系统和污染物發放系统，在上海理工大学的大型环境风洞（工作段空间为长20 m、宽2.2 m和高2.1 m）中模拟了点源、线源和面源污染物在城市环境下的扩散分布状况。试验中，通过CCD系统采集激光片光照射平面上的污染分布图案，然后利用MATLAB软件对图像进行处理，得到污染物浓度分布云图，该云图可表示平面上各处污染物浓度的相对大小。此外，通过CFD数值仿真的方法，获得污染物浓度分布云图，并将该云图与风洞试验得到的云图进行比较。
nlc202309081804
2.1點源污染物扩散的风洞模拟
在来流风速为5 m/s的条件下，用风洞模拟建筑物屋顶烟囱排放污染物的扩散。图3为两等高建筑物的点源污染物扩散分布测试结果，图3（a）为实测获得的污染物分布图，图3（b）为采用MATLAB软件对图3（a）进行处理所得到的云图，图3（c）为风洞试验工况下，采用CFD数值仿真方法获得的污染物分布图案。比较图3（c）与图3（a），可以看出两者定性结果一致，都表明污染物都往下风向扩散分布。图4为上游建筑物高于下游建筑物条件下的污染物扩散分布测试结果，风洞模拟结果和数值仿真结果都表明污染物往上游建筑物扩散分布，这是由于在上游建筑物后部形成一个顺时针方向的大旋涡所致[7]。
2.2线源污染物扩散的风洞模拟
在来流风速为5 m/s的条件下，风洞模拟城市道路交叉口排放污染物的扩散。图5为线源污染物在街道和交叉口处的扩散分布情况，且风洞模拟和CFD数值仿真结果都揭示污染物在街道峡谷的背风侧聚集，这是因为在街道峡谷内存在一个顺时针的大旋涡，该大旋涡使街道地面发放出的线源污染物聚集到峡谷的背风面[8]。
2.3面源污染物扩散的风洞模拟
在来流风速为5 m/s的条件下，风洞模拟城市交通隧道的洞口大气污染物扩散。由于污染物从整个隧道洞口排放，所以污染源为一面源。图6为面源污染物在隧道洞口周围的扩散分布情况，且风洞模拟和CFD数值仿真的定性分布规律一致。
3结论
本文介绍了一种用于大型风洞模拟试验的大气污染物浓度激光片光测试系统，该系统为非接触式、全场测量，能有效避免流场干扰和获得污染物浓度的场分布。采用污染物发放系统、大气污染物浓度的激光片光测试系统，在大型风洞中模拟了代表性点源（建筑物屋顶烟囱排放）、线源（城市道路交叉口和街道上的机动车尾气连续排放）和面源（城市交通隧道洞口大气污染物排放）的污染物扩散分布，清晰获得了污染物扩散分布的图案。风洞模拟得到的污染物扩散分布图案和CFD数值仿真结果定性一致，达到了相互印证的效果，使研究结果更加可靠。
需指出的是，本文介绍的激光片光浓度场测量系统，只能获得污染物浓度场的定性分布（灰度分布），如将激光片光浓度场测量系统和传统的定量采样方法相结合，有望在风洞试验中实现污染物浓度场的定量测试。
参考文献：
[1]HUANG Y D， HE W R， KIM C N. Impacts of shape and height of upstream roof on airflow and pollutant dispersion inside an urban street canyon[J]. Environmental Science and Pollution Research， 2015， 22（3）： 21172137.
[2]KASTNERKLEIN P， PLATE E J. Windtunnel study of concentration fields in street canyons[J]. Atmospheric Environment， 1999， 33（24/25）： 39733979.
[3]NIACHOU K， LIVADA I， SANTAMOURIS M. Experimental study of temperature and airflow distribution inside an urban street canyon during hot summer weather conditions. Part II： Airflow analysis[J]. Building and Environment， 2008， 43（8）： 13931403.
[4]YASSIN M F. Impact of height and shape of building roof on air quality inurbanstreet canyons[J]. Atmospheric Environment， 2011， 45（29）： 52205229.
[5]HUANG Y D， LONG C， DENG J T，et al. Impacts of upstream building width and upwind building arrangements on airflow and pollutant dispersion in a street canyon[J]. Environmental Forensics， 2014， 15（1）： 2536.
[6]SAGRADO A P G， BEECK J， RAMBAUD P，et al. Numerical and experimental modelling of pollutant dispersion in a street canyon[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2002， 90（45）： 321339.
[7]CHAVEZ M， HAJRA B， STATHOPOULOS T， et al. Assessment of nearfieldpollutant dispersion： Effect of upstream buildings[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2012， 104： 509515.
[8]HUANG Y D， HU X N， ZENG N B.Impact of wedgeshaped roofs on airflow and pollutant dispersion inside urban street canyons[J]. Building and Environment，2009，44（12）： 23352347.
激光跟踪测量系统 篇4
1激光跟踪测量技术
激光跟踪仪为集激光干涉测距技术、光电检测技术、精密机械技术、计算机技术、现代数值计算理论等于一体的新型测量仪器[2], 通过数字化设计模型提取的理论数据与测量获取数据的比对评价, 实现零组件、部件外形的精确测量。激光跟踪仪是基于球坐标系的空间坐标测量机, 可实现目标的静态坐标测量和动态轨迹跟踪。目前使用的Leica AT901-LR激光跟踪仪的测量范围已达160m, 测量精度达到15μm+6μm/m。激光跟踪仪测量原理如图1所示, 即通过测量一个长度和两个角度 (一个方位角、一个高度角) 来确定被测点的三维坐标:设跟踪器的旋转中心和被测靶镜的中心分别为O点和P点。两个角度编码器可分别测量出P点的水平方位角α和垂直方位角β, 激光干涉仪可测得O点到P点的距离D, 那么P点坐标 (X, Y, Z) 可由下列公式计算得出:
2基于激光跟踪仪的典型零组件外形测量
某发动机舱罩后段上盖组件如图2所示, 根据设计要求对其外形进行测量并进行分析。
2.1测量任务分析
测量任务分析主要包括该发动机舱罩后段上盖组件采用的测量方式, 测量对象和对应测量对象处的公差要求, 然后设置相应激光跟踪仪的站位, 完成该发动机舱罩后段上盖组件的测量。
2.1.1测量方式
该发动机舱罩后段上盖组件外形由于其刚度不够, 在型架上组装完后会产生一定的变形, 因此测量方式主要采用架下测量, 即在组装完成后先在架上测量合格后, 然后取下并在型架下再进行检测。架下测量采用粗定位和精确定位两步完成测量坐标系到装配坐标系的转化。
2.1.2测量对象及公差要求
该发动机舱罩后段上盖组件的测量对象是其整个外形, 公差要求是整个外形的公差要求是1.5mm, 且超出误差范围内的点不得超过总数的8%, 最大超出点的误差不大超过要求的120%, 即最大超差点的误差应在±1.8mm内。
2.1.3站位设置
Leica AT901 LR激光跟踪仪的测量范围已达160m, 测量精度达到15μm+6μm/m。同时考虑到激光跟踪仪布站原则, 激光跟踪仪设置在该发动机舱罩后段上盖组件的中间, 距离为2.5mm左右处。
2.2测量方案实施
2.2.1粗定位
将该发动机舱罩后段上盖组件stp格式的CAD模型导入到计算机测量软件中。此CAD模型包含零组件及部件的MBD数字化定义模型。在此CAD模型上选取六个特征点如图2所示, 此六个特征点应尽量包括该曲面的所有特征, 且要限制住此型面的六个自由度。然后在设置好的激光跟踪仪站位下, 测量此六个特征点, 通过最小二乘法完成该发动机舱罩后段的初步对齐。
2.2.2精定位
六点粗定位后, 该发动机舱罩后段上盖组件在激光跟踪仪下的测量坐标系已经初步转化到装配坐标系下, 结合该组件的自身特点, 对其关键测量点进行测量。因组件一般较小, 考虑测量效率和测量准确度, 一般直接通过扫描其外形, 测量出外形的OTP点如图所示, 然后将扫描测量出来的OTP点云和数模CAD模型通过最小二乘法进行迭代拟合, 最终完成该发动机舱罩后段上盖组件的精确定位, 完成基准的统一。同时最佳拟合完成后, 将扫描测量出来的OTP点的偏差值显示出来。
2.3测量报告与分析
测量报告如图3所示, 可见有8个测量点超差。原则上每个OTP点的超差值不得超过其公差的20%, 并且超差总数少于8%的属于合格产品。而此组件外形只有一个点的误差为-2mm, 超出公差要求的±1.5mm的20%, 对此点进行分析由于其外形周围只有此点超差, 可判定是测量因素造成的。最终通过测量分析该发动机舱罩后段上盖组件外形合格。
3结语
本文应用激光跟踪测量技术, 以某型号通用飞机的发动机舱罩后段上盖组件为典型研究对象, 研究了组件外形测量中的主要技术问题, 实现了组件外形的测量。通过分析该组件外形的测量方式、跟踪仪站位设置等问题, 给出了测量方案, 实现了组件外形的测量。实际应用表明, 采用上述技术和方法能够精确、高效的完成组件外形测量。后续研究将进一步深化数字化测量技术在工程实际中的应用, 减少测量误差, 提高装配效率和装配质量。
参考文献
[1]胡问鸣.通用飞机.第1版.北京:航空工业出版社, 2008:3-8
激光跟踪测量系统 篇5
以大气作为传输介质, 激光作为信息载体进行无线通信时, 空-地激光无线通信是激光无线通信的一种常见形式, 信标光的准确捕获、瞄准与跟踪 (Acquisition, Pointing and Tracking, APT) 是其关键技术, APT系统主要用于建立和维持激光通信链路, 是进行激光无线通信的关键技术。由于激光光束窄、发散角小, 在大气传输过程中存在大气散射、折射、湍流等现象, 再加上激光通信平台的振动等因素, 会造成激光光束偏离目标, 使得瞄准、捕获和跟踪技术问题变得十分突出[1,2]。
APT系统分为粗跟踪系统和精跟踪系统。粗跟踪系统主要负责完成信标光的初始时期的大范围扫描和捕获, 引导信标光光斑进入精跟踪视场, 跟踪精度和带宽较低;精跟踪系统主要负责完成信标光的精确跟踪和锁定, 国内外已进行了有关精跟踪的不少研究[3,4,5], 它所要求的跟踪精度和带宽较高, 它的精度和带宽决定了整个APT系统的精度和带宽, 同时它的另一个主要功能是克服因大气扰动和平台振动造成的信标光光斑抖动, 维持稳定的激光通信链路。针对目前激光无线通信所要用到的关键技术, 和空-地激光无线通信终端应具有集成度高、功耗低、体积小和重量轻等一系列特点, 本文设计了一种以FPGA作为控制芯片的精跟踪系统。
1 系统组成及功能概述
以Altera公司的Cyclone系列FPGA为控制核心的双FPGA系统, 一块用于控制高帧频相机, 并将图像数据通过基于1394协议接口的传输线传输到另一块FPGA, 在第二块FPGA中进行光斑坐标提取和完成跟踪算法, 系统使用一款基于Cameralink接口的高帧频CMOS相机作为图像传感器采集信标光光斑, 以高速数/模转换芯片DAC712P、双通道PZT控制器和高精度PZT振镜用于构成光路偏转控制系统。PC机用于设定相机工作参数, 与FPGA板间数据通信采用Cypress公司提供的支持USB 2.0协议的CY7C68013芯片。
如图1所示为系统的组成框图, 在终端设备中, 由光学天线接收到的信标光经过高帧频CMOS相机转换为灰度图像, FPGAⅠ将灰度图像数据由Cameralink接口接收后, 经过重新组合, 然后通过基于1394协议的接口芯片转换为串行差分信号发送至图象处理板, 板上的FPGA Ⅱ把图像数据接收后放入其内部的一级缓存RAM中, 再从一级缓存中取出数据通过乒乓操作将其存放到其外部的二级缓存PSRAM阵列中, 然后FPGAⅡ把图像数据从PSRAM阵列中取出, 采用质心算法计算光斑中心坐标, 并把图像数据通过USB接口控制模块发送到PC机进行显示, 便于用户实时监测。同时把计算出的光斑中心坐标根据PID跟踪算法计算出偏置调节量, 通过数模转换芯片DAC712P转换为模拟信号后经过PZT控制器实现信号放大, 最后使PZT振镜在两路实时程控电压的控制下进行相应的二维偏转, 实现对因大气湍流等因素造成的接收光束的抖动进行实时补偿, 达到稳定接收光斑中心位置, 维持稳定的激光通信链路目的。
2 系统硬件部分设计
2.1 光斑采集及处理部分
光斑采集及处理部分主要由高帧频CMOS相机MV-D1024E和对其进行控制的FPGA组成。采用的两块FPGA均是Altera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8, 具有5 980个逻辑单元, 120 000个典型门资源和185个可编程I/O口, 最高工作时钟可达300 MHz以上, 核心供电电压为1.5 V, I/O供电电压3.3 V, 通过JTAG实现系统配置[6]。配置芯片EPC4串行ROM容量约为4 MB, 可重复编程50次左右, JTAG接口符合IEEE Std.1149.1标准。
MV-D1024E是高速高动态的CMOS相机系列[7], 采用CMOS主动像元技术, 具有12位的采样分辨率和1 024×1 024的像素分辨率, 在此分辨率下帧频能达到150帧/s, 曝光时间由10 μs～0.41 s, 25 ns步进可调, 采用Camera Link接口, 用串行口对相机进行配置。相机时序由帧频FVAL、行频LVAL和数据帧DVAL控制, 当它们同时为高电平时, 在相机时钟PCLK上升沿时数据总路线上才有数据。
在光斑中心提取算法中, 采用较为实用的质心法, 该算法计算简单, 便于FPGA实现, 因其抗噪声干扰能力较弱, 当噪声增大时, 光斑中心提取精度降低, 则系统选取了灰度加权质心法来计算光斑中心。若目标区域为N×N, 则质心的位置为:
式中:i, j为目标区中像元的横纵坐标;f (i, j) 为像元的灰度值。质心法反映了目标的能量分布状况。该算法适用于类似于精跟踪系统接收视场小而光班范围相对较大的情况。
2.2 数据传输及通信接口部分
Camera Link用于相机和FPGA板间的数据交换, 其传输率高达1 Gb/s, 且抗噪较好, 可以提供高分辨率和各种帧频的数字化数据, 数据输出采用了LVDS格式, 根据应用要求, 其支持基本 (Base) 、中档 (Medium) 、全部 (Full) 等数字格式, 该接口具有开放式的接口协议, 兼容性好[8]。它适用于CCD或CMOS等数字式相机与图像采集系统间的通信接口。
USB接口用于FPGA与PC机间的数据和指令的交换, 其具有高速度、低成本、低功耗、即插即用和使用维护方便等优点, 采用IEEE1394总路线协议, 最高带宽可达到480 Mb/s。采用Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片中的CY7C68013。
2.3 光路偏转控制部分
光路偏转控制系统以高速转换芯片DAC712P、双通道PZT控制器和高精度PZT振镜构成, 采用的16位双通道高速数模转换芯片DAC712P, 电压输出时间小于10 μs, 其输出电压直接用于双通道PZT控制器的输入, PZT控制器选用德国PI公司的E-503 PZT控制功率放大器, 输入电压范围为0～10 V, 输出电压范围为0～100 V, 其电压频率响应曲线如图2所示[9]。PZT振镜选用了德国PI公司的S-330, 该PZT振镜采用压电陶瓷驱动, 频率响应度高且具有极高的定位精度。
跟踪控制算法采用PID控制算法, 该算法包括位置式PID控制算法和增量式PID控制算法, 而在实时控制系统中常用增量式PID控制算法, 其公式为:
式中:Δu (k) 为输出的控制量。q0=KP, q1=KP· (TS/TI) , q2=KP· (TD/TS) 分别为比较项、积分项和差分项的系数, TS为采样时间, 对于不同的控制系统, TS各不相同, 要根据实际调试经验来确定。
3 软件部分设计
此部分包含了上位机和下位机软件设计, 下位机FPGA采用由Altera公司的集成开发环境Quartus Ⅱ、Mentor Graphics公司的ModelSim SE进行开发, 采用Verilog HDL语言进行编写, 上位机使用Microsoft公司的VC++6.0软件工具进行开发。Quartus Ⅱ通过JTAG对FPGA进行调试、配置下载, VC应用程序通过USB接口与CMOS相机控制电路板、图像处理电路板进行连接通信。整个系统流程图如图3所示。
4 试验结果及分析
图4为精跟踪系统评价曲线图, 此实验数据由相距16 km的外场激光无线通信时, 使用APT系统得到的, 图4 (a) 为未加入精跟踪时信标光斑在精跟踪接收视场内的坐标曲线, 图4 (b) 为加入精跟踪后的坐标曲线, 由两图对比可知, 加入精跟踪后, 光斑比较稳定, 集中度较好, 将集中效率提高了70%左右, 跟踪精度为5～25 μrad, 由外场激光通信效果来看, 明显降低了通信误码率, 减弱了因大气湍流和通信平台的震动而引起的信标光斑抖动时对通信造成的影响。但是, 系统对平台抖动剧烈时跟踪效果不很理想, 跟踪精度还不够。
系统由基于FPGA的硬件平台实现, 降低了对PC机的依赖性, 为低功耗便携式平台提供了参考。还待加强的问题有:提高光斑定位精度, 缩短信标光斑定位、跟踪算法时间开销, 改进跟踪算法提高鲁棒性和提高系统的跟踪精度。
参考文献
[1]Leitgeb E, Gebhart M, Fasser P, et al.Impact of Atmosphe-ric Effects in Free Space Optics Transmission Systems[A].SPIE[C].2003:86-97.
[2]艾勇, 陈晶, 谭莹, 等.2.3 km距离1.25 Gb/s速率自由空间光通信实验[J].光通信技术, 2007 (9) :53-55.
[3]曹阳, 艾勇, 黎明.星地光通信中的精跟踪模拟实验研究[J].半导体光电, 2008 (5) :742-745.
[4]Timothy I King, Hazem H Refai, James J Sluss.et al.Con-trol System Analysis for Ground/Air-to-Air Laser Com-munications Using Simulation[A].The 24th Digital Avio-nics Systems Conference[C].2005, 1:3 990-3 996.
[5]张丽敏, 郭劲.快速反射镜双X-Y轴控制的仿真研究[J].光学精密工程, 2005 (13) :142-147.
[6]Altera.EP1C6Q240C8[EB/OL].http://www.altera.com/Cyclone Device Handbook.2008.
[7]PHOTONFOCUS AG公司.MVD1024E-Series UserManual[DB/OL].2007:1-99.
[8]王小艳, 张会新, 孙永生, 等.Camera Link协议FPGA的数字图像信号源设计[J].网络与通信工程, 2008 (7) :59-61.
激光跟踪测量系统 篇6
关键词：车载三维激光测量系统,激光点云,道路竣工测量
0引言
现代城市测量的特点表现为 “快、广、精”, 要求信息获取与处理速度快速、服务领域广、产品质量和精度高。由于城市测量的复杂性,即使全站仪、超站仪、测量机器人等一系列先进地面测量仪器不断的涌现,城市测量仍然存在作业模式单一、 重测频率高、工作效率低、劳动强度大等长期困扰地面测量的技术问题［1，2］。因此,非接触测量和高效率测量必然成为城市空间数据获取的重要手段, 而海量空间数据的快速、可靠、自动化处理必然成为研究的核心问题［3］。
随着GPS技术、惯性导航技术、CCD成像及激光扫描技术的发展和成熟,车载移动测量技术已成为城市空间信息获取的一种趋势［4 ～ 7］。本文在深入研究车载三维激光测量系统扫描成像机理的基础上,提出了完善的基于激光扫描和全景成像的车载三维激光测量系统设计方案,系统介绍车载系统的构成、工作原理及其在道路竣工测量中的应用,并通过工程实践证明,该技术用于城市道路竣工测量满足城市测量精度要求,从而为城市道路竣工测量提供了高效、全新的技术手段。
1车载三维激光测量系统的工作原理
本文的车载三维激光测量系统是由宁波市测绘设计研究院和武汉大学共同开发研制完成。如图1所示,该系统是一个多传感器集成系统,主要由定位定姿传感器、遥感传感器和同步控制单元组成。 其中,定位定姿传感器包括惯性测量单元IMU、 GPS和车轮编码器ODO三个部分,它们组成位置姿态测量系统( POS系统) ,用于获取车载系统时间、平台位置和姿态; 遥感传感器包括激光扫描仪和全景相机两个部分,本文的车载系统集成RIEGL公司两台不同型号的激光扫描仪VZ-400和LMS- Q120i,其中VZ-400安装在车体的右后侧,用于获取车辆两侧的目标点云信息; LMS-Q120i则主要用于获取地表面点云,从而实现全方位场景下的三维空间信息和反射强度信息获取。
如图1所示,车载系统的所有传感器被固定在移动平台上,并受控于车载计算机系统,通过系统标定可建立各传感器之间的严格几何关系,同时采用GPS时钟和IMU使各传感器数据在起始时的时间保持一致,即对采样频率各异的多传感器目标观测数据进行时间定位,并通过同步控制系统触发脉冲,保证所有传感器与平台的运动和姿态同步进行。当车辆以一定速度匀速行驶时,POS系统观测并记录各传感器的位置和姿态数据,地面激光雷达和全景相机以一定采样频率开始扫描和获取全景影像,从而实现全方位场景下的三维点云信息和纹理信息的快速获取［1］。
2基于车载三维激光测量系统的道路竣工测量
道路规划竣工与验收是目前城市测绘单位主要的作业领域,目前道路竣工测量主要采用全站仪观测的单点测量方式,劳动强度较大,作业效率低, 同时缺乏精确的细部特征和高密度的DEM支持, 无法为后续的三维规划提供依据［8］。车载三维激光测量系统采用非接触主动测量的方式,可高效安全地获取地物三维信息,从而为道路竣工测量提供了完善的解决方案。
2. 1外业数据采集
利用车载移动测量系统进行道路竣工数据采集前,应进行测区作业合理规划,具体包括提前进行卫星星历预报,绘制卫星环视图,选择星历预报卫星信号较好的时段采集数据; 根据已有的地形资料合理规划移动测量系统的扫描路线,并检查各仪器设备的运行状态是否良好。车载系统进入测区工作前,首先应进行POS系统的初始化,以完成IMU和GPS信号的对齐,然后开启扫描仪和全景相机, 设置扫描仪分辨率、水平及垂直方向的扫描范围、 影像采样间隔等,其中VZ-400固定在车辆一侧保持在一个角度上进行线状条带扫描,LMS-Q120i固定在车辆后侧对车辆后方进行线状条带扫描,在数据采集过程中,可实时查看GPS卫星信号、点云和影像数据的采集状态。当外业采集完毕后,仍需要将车辆停止一段时间,从而保证POS数据的精度。
2. 2 POS数据解算
车载POS数据包括GPS数据和惯导IMU数据两部分,利用Waypoint软件进行解算以获取车载系统的位置和姿态信息。具体实施如下: 首先将车载POS数据中的GPS分量与基站GPS数据进行差分处理,解算得到基于GPS的移动测量车轨迹,然后将GPS差分处理结果与惯导IMU数据进行紧耦合处理,并将紧耦合结果进行RTS平滑,从而得到高精度的位置和姿态数据。
2. 3多传感器数据融合处理
车载三维激光测量系统在车辆行进过程中对地物进行高速扫描,每秒钟的有效扫描记录高达120000个点,并同时记录扫描时刻的时间、扫描角度、扫描仪到地物的距离,通过测角和测距可解算地物目标在扫描仪坐标系下的坐标。然而,由于原始点云数据是基于瞬时扫描仪坐标系下的,而瞬时扫描仪坐标系的坐标原点和坐标轴指向随着车辆载体的不断运动瞬时发生变化,因此必须通过多传感器数据融合处理将点云和影像转换到统一的绝对坐标系下。
如图2所示,首先利用Waypoint软件对POS数据联合处理以获取车载系统的位置和姿态信息,然后根据车载系统的外参数标定结果,即激光扫描仪的外参数,进行激光点云的定位定姿处理,从而获得WGS-84系下的点云信息; 同时利用全景影像数据、相机检校参数和惯导数据,对全景影像进行定位定姿处理,将影像纠正到WGS-84坐标系下,从而实现激光点云与全景影像的高精度配准; 最后基于WGS-84系下的激光点云和全景影像进行道路竣工图的制作。
2. 4道路竣工图制作及精度检验
当车载点云与全景影像实现高精度配准后,可利用我院和武汉大学联合开发的点云处理软件Cit Scene进行道路特征边线、路灯、电线杆、信号灯等特征地物的半自动化提取,同时可将提取出的地物要素实时导入CAD中,然后利用阿拉图数据采集系统进行竣工图制作。对于路面变化较为复杂的道路,可以采用在变化处截取纵断面的方式获取准确的变化点,也可以将点云按高程裁切后直接批量进行高程点获取,并注记高程。精度检验则采用全站仪测量的外业点和基于点云提取的地物点进行精度检核。
3工程应用案例
针对宁波市环城西路( 新星路—启运路) 约6. 8km的城市道路进行了道路竣工测量。相对于传统全站仪—棱镜杆的测量模式,车载方式没有控制测量阶段,参与人数仅3人,外业时间2h,外业工作时间较传统道路竣工测量提高了近80% ,其总体工作时间节省25% ,同时避免了大多数遮挡情形, 并检查了路面裂痕和坑洞情况,获得了良好效果。
采用车载激光扫描与全景成像城市测量系统采集道路及两侧地物的激光数据与影像数据,采集的激光点云数据如图3所示。
采用采集的点云与影像配准,在此基础上制作道路竣工图,制作完成的道路竣工图如图4所示。为了验证本文方法的正确性和可靠性,采用徕卡0. 5″的TM30全站仪进行极坐标法实地检测竣工图的平面和高程精度,其中平面坐标检测的道路长度为1. 5km,占比22% ,共计159个三类地物点; 高程检测的道路长度约1. 5km,共计78个高程点, 平面和高程精度检查结果如表1和表2所示。由表1和表2可以看出,基于车载三维激光测量系统进行道路竣工图制作,平面精度可达11cm,高程精度为6. 6cm,同时,无地物要素遗漏,从而满足城市道路竣工测量的精度要求。
4结论
本文提出基于车载三维激光测量系统的城市道路竣工测量技术,全面系统地研究了车载三维激光测量系统的构成、工作原理及其在道路竣工测量中的应用。通过生产实践证明了利用车载三维激光测量进行城市竣工测量满足城市道路竣工测量的精度要求,并能显著地减少工作人数、外业工作量,提高工作效率,减少总体工作时间。
参考文献
[1]陈为民.基于全景成像与激光扫描的城市快速三维测量与重建技术研究[D].武汉:武汉大学,2012.
[2]徐进军,张民伟.地面3维激光扫描仪:现状与发展[J].测绘通报,2007,(1):47~50.
[3]张毅.地面三维激光扫描点云数据处理方法研究[D].武汉:武汉大学,2008.
[4]韩友美.车载移动测量系统激光扫描仪和线阵相机的检校技术研究[D].青岛:山东科技大学,2011.
[5]王留召,韩友美,钟若飞.车载激光扫描仪距离测量参数标定[J].测绘通报,2010,(1):19~20.
[6]张卡,盛业华,叶春等.车载三维数据采集系统的绝对标定及精度分析[J].武汉大学学报(信息科学版),2008,33(1):55~59.
[7]杨长强,叶泽田,钟若飞.基于时空匹配的车载激光点云与CCD线阵图像的融合[J].测绘科学,2010,35(2):32~33.
三维旋转激光扫描测量系统的设计 篇7
自然对象和大部分的人造对象都具有复杂的三维形状,如何在计算机中建立三维对象的计算机模型就是三维形状的数字化问题,该项研究源于20世纪六七十年代。三维形状复杂多变、形状繁多,而且其外观、材质、颜色、用途等各不相同,这就使得三维形状数字化的问题非常复杂,至今,该项技术尚未成熟,仍是数字化技术研究的难点。目前,三维形状数字化技术种类很多,包括机械、声学、光学、电磁等类型,其中运用得最广泛、效果最好的是光学测量技术。光学测量是光电技术、机械测量、计算机技术相结合的产物,可以实现快速,准确的测量。该项技术具有速度快、精度高、非接触、易于自动化的特点,主要适用于自由曲面的测量。目前,光学测量技术得到了越来越广泛的应用,其中最典型的应用是三维激光扫描仪[1]。
1 三维激光扫描仪的工作原理
三维激光扫描仪是基于激光扫描测量的原理而设计的,主要作用是对三维形状进行数字化,基本工作原理是:线激光器发出的光平面扫描物体表面,面阵CCD采集被测物面上激光扫描线的漫反射图像,在计算机中对激光扫描线图像进行处理,依据空间物点与CCD面阵像素的对应关系计算物体的景深信息,得到物体表面的三维坐标数据,快速建立原型样件的三维模型[2],如图1所示。
2 三维旋转激光扫描测量系统
目前,普通的三维激光扫描仪存在的主要问题是难以实现复杂三维图像的扫描数字化问题,如圆柱形状的石雕、木雕等。如图2所示。
如果设计出能够旋转扫描测量的系统,则可以有效地解决数字化设计与制造之间的衔接。这样的系统,企业投入少,见效快,而且能够将激光扫描测头安装在数控雕刻机上,设计出能够旋转扫描测量的系统,可以有效地解决数字化设计与制造之间的衔接,充分利用现有数控设备,节省硬件成本[3]。
为了解决复杂物体的数字化问题,同时降低企业的投入成本,我的设计方案是,在普通三维激光扫描仪的基础上,开发出能够实现360°旋转的旋转扫描测量系统,改进已有平面浮雕扫描软件,使之适用于改进后的系统。
3 系统构成
图3是三维旋转激光扫描系统的测量平台,x轴左右运动,向左为正向;y轴前后运动,向前为正向;z轴上下运动,向上为正;三轴之间互相垂直;数控转台安装在沿y轴运动的花岗岩工作台面上。激光测头随x轴的拖板一起运动。
在该平台上有两种测量方式,一种是边测量边旋转,被测物体旋转360°就能测量物体全部外表面的形状,该种方法适合测量回转体或近似回转体;另一种方法是一次测量全部朝向光线的外表面,然后再转到下一个需要测量的方位,全部外表面从几个方位就可以测量完毕,这种方法适合形状较为规则的多面体。
在该系统中,数控转台可以获得被测物体的旋转角度,测量的数据点绕转台中心轴线可以自动拼合,其拼合精度取决于转台中心轴线的精确标定。
系统分为硬件、软件两大部分,硬件部分除机械测量平台、激光测头外,还包括步进电机与步进电机驱动器、工控机以及插在工控机主板上的图像采集卡和运功控制卡。图像采集卡将CCD摄像机拍摄的视频信号转换为计算机能够处理的数字图像。步进电机驱动器可以设置脉冲的细分数,并从运动控制卡获取脉冲与运动方向信息,驱动步进电机运动[4]。
软件部分包括测量与数据处理两部分,测量部分的软件功能主要是控制运动、图像获取、图像处理以及坐标换算,完成表面形状的数字化过程。数据处理主要包括测量数据的平滑、光顺、网格建模、显示、缩放等功能,完成表面形状的重构过程。
在系统设计过程中,转台中心轴线标定和多视拼合及重叠数据区域的处理是影响测量结果的2个重要因素,下面简单介绍这两部分的设计思路[5]。
4 转台中心轴线标定
在对三维物体进行旋转扫描测量的过程当中,通过数控转台可以实现从不同的方位对物体进行进行测量,这样才能获得被测物体全方位的外表面数据信息。然后,还需要将物体不同旋转角度的多视数据拼合在同一坐标系中。在拼合的过程当中,转台的中心轴线标定是否精确对结果有着非常重要的影响。
如图4所示,由于安装误差,转台中心轴线R与平行于z轴的z′方向难以一致,若不同角度的测量数据点绕z′旋转会产生间隙,如图5所示。
为精确标定转台中心轴线,提出如下方案:在图4的转台上固定一个标定球。通过数控系统控制转台旋转,控制球的球心绕转轴R形成一个圆,该圆的圆心O″是R上的点,该圆所在平面的法矢即为R的方向[6]。
基于该思路,在xyz三轴测量系统中测量并计算标定球三个不同位置的球心P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2),P3(x3,y3,z3),P1,P2,P3所在平面的法矢量N即为转台中心轴线的方向。
有了转台中心轴线的方向,还需要确定空间三点P1,P2,P3绕转轴R形成圆的圆心O″(x0,y0,z0)才能使转台中心轴线定位。如图6,为了求O″,首先计算转轴R在xOy面上的投影与y轴夹角α、R与z轴的夹角β,然后P1,P2,P3依次绕z轴、x轴旋转到与xOy平行的平面上,旋转矩阵分别为:
式中:P1,P2,P3旋转到与xOy平行的平面上就可以很容易求出圆心,然后将圆心再依次绕x轴、z轴反向旋转β和α,即得到O″, 转台中心轴线的方向和位置得到确定[7]。
5 多视拼合及重叠数据区域的处理
逆向工程中,对实物样件进行数字化时,因为测量范围的限制或遮挡的关系,往往不能在同一坐标系下一次测量产品全部的几何数据,需要在不同的方位(即不同的坐标系)测量产品的各个部分,其中每个方位测量的数据片称为视,多个方位测量的数据称为多视数据,将不同坐标系下的多视数据统一到同一坐标系下的处理过程,称为多视数据拼合[8]。
多视数据拼合包括两个部分,第一步是将不同坐标系的数据变换到同一个坐标系中,数据片通过旋转和平移来调整方位达到形位匹配;多视数据变换到同一坐标系后,数据片之间存在重叠区域,由于测量和变换存在误差,重叠区域内的多重数据需要做合理的运算使其融合为单层数据。第一步是方位调整,可称为“拼”(Registration),亦称数据对齐,第二步是多层数据融合为单层数据,可称为“合”(Intergration)。将数据点集看作一个刚体,两个数据点集的对齐属于空间刚体移动,因此多视数据对齐问题可看作空间两个刚体的坐标转换,问题归结为求解相应的转换矩阵,移动矩阵T和旋转矩阵R。如图7所示是2个数据片截面上两行数据融合的示意图。最简单的融合方法是中值平均,这样会在重叠区域边缘出现台阶。改进的方法是加权,使得融合后的数据片在重叠区域边缘光滑过渡,但这种方法未考虑重叠区域边缘外一定邻域内的数据点也存在误差。
6 结 语
通过激光旋转扫描测量的方式获取样件的三维信息,可方便快捷地进行雕刻制品的加工,快速实现雕刻艺术品的数字化以及复制或批量生产。从而节省硬件平台及人力成本,在木雕、石雕、玉雕等各类雕刻行业中获得极其广泛的应用,掀起了一场革新的浪潮。
摘要：为了实现三维激光扫描仪的旋转扫描测量问题,用于实现形状复杂的三维柱形物体的数字化测量,在普通三维激光扫描仪的基础上,增加了一个可以自动旋转的数控转台,从而实现了旋转测量的目的。通过在转台上安装标定球的方法来实现转台中心轴线的精确标定,获得了新的转台中心轴线的标定方法和后期的拼合和处理方案。
关键词：旋转扫描,转台标定,多视拼合,激光扫描仪
参考文献
[1]徐永安,杨钦,怀进鹏.激光旋转扫描测量系统中转轴标定及多视拼合[J].中国激光,2005,32(5):659-662.
[2]徐永安,杨钦,怀进鹏.转台中心轴线标定误差分析与修正[J].北京航空航天大学学报,2005,31(8):899-903.
[3]高晓辉.三维数字化测量系统研究[M].北京:中国机械工程出版社,2000.
[4]吴敏,周来水,王占东,等.测量点云数据的多视拼合技术研究[J].南京航空航天大学学报,2003,35(5):552-557.
[5]王学军,刘平方,施发进,等.三维曲面激光快速自动测量系统[J].激光杂志,1998,19(2):46-50.
[6]张舜德,卢秉恒,丁玉成.光学三维形面分区域测量数据的拼接研究[J].中国激光,2001,28(6):533-536.
[7]周会成,陈洁红,阳道善.一种新型三维视觉测头的结构与原理[J].电子测量与仪器学报,2000,14(2):21-25.
[8]李晶,吴章江.基于图像处理的激光双三角法测量三维曲面[J].激光与红外,2001,31(2):87-89.
[9]徐玉春,解则晓,冯国馨,等.被测表面特征对激光测头特性的影响[J].天津大学学报,2001,34(6):796-799.
一种铁路接触网激光测量系统 篇8
铁路接触网担负着从牵引变电所所获得的电能直接供给电力机车使用的重要任务,它的质量和工作状态直接影响着电气化铁路的运输能力[1~3]。对其检修和维护,首先要进行有关参数(导高、承力索高度、接触网和承力索高差、外轨超高、拉出值、跨距等)的测量。随着铁路大规模提速以及高速铁路的建设,要求对接触网参数测量的速度不但要快,而且要更精确[4]。
目前国内在铁路接触网方面的测量方法主要有两种:
1)吊杆与卷尺相结合的测量方法;
2)激光测距仪与光学观察系统相结合的测量方法。
吊杆与卷尺相结合的测量方法,测量时间长,精度低,需要进行人工记录和计算;激光测距仪与光学观察系统相结合的测量方法,只能在轨平面垂直方向测量而不能在轨平面水平方向测量,即只能测量俯仰方向角度而无法测量方位方向角度,从而限制了对轨距、跨距、建筑侧面限界等参数的测量。
分析以上两种测量方法的优点和不足,根据接触网检修和维护的实际需求,本文研究了一种利用距离传感器、角度传感器、位移传感器、CCD摄像机和嵌入式数据处理系统进行铁路接触网参数测量的新方法,开发了一种高性能的接触网测量系统,不仅可以测量接触网的导高、拉出值、接触网和承力索高差、外轨超高等参数,而且可以测量轨距、跨距、侧面限界、红线等参数。整个测量系统操作简便、对各个参数的测量速度快、精度高。
1 系统的硬件组成及工作原理
系统的硬件部分由测量仪、CCD摄像组件、显示及操作面板组成、测量架,如图1所示。
测量仪用来测量目标的距离、方位角度和俯仰角度参数,它主要由半导体激光器、测距发射和测距接收部分、方位角度测量光栅和俯仰角度测量光栅等组成。
CCD摄像组件用来对测量目标进行观察和瞄准,它主要由物镜和CCD组成,其中物镜的焦距和口径根据观察目标的距离和大小来确定,CCD采用高分辨率像素以使目标的成像更清晰,从而减小瞄准误差。
显示及操作面板用来显示测量目标和测量参数信息,显示屏为3.5英寸液晶屏,在面板上布局各种操作按钮,可实现对不同参数的测量和对测量数据进行保存、删除、导出等操作。
测量架用来支撑测量仪并实现和铁轨的测量定位,测量架上有位移传感器和倾斜传感器,位移传感器用来测量轨距,倾斜传感器用来测量轨平面相对大地水平面的夹角。
系统工作原理:如图2所示。把测量系统安装在铁轨上,通过旋转测量仪的高低和水平向,使测距的激光点可以精确地瞄准测量目标。测量系统瞄准光轴和激光测距光轴同轴,同时在显示屏上有十字分划,十字分划和测距激光点校为重合,则十字分划的中心压住接触网线的中心时即为精确瞄准,此时通过操作面板就可对各个参数进行测量。
1.测量仪;2.CCD摄像组件;3.显示及操作面板;4.测量架
A点是测量目标点,A'是A点在轨平面内的投影,B点是A'在两铁轨中心线上的垂足,D点是测量基准点,O是D点在铁轨1上的垂足,α是A'D和DO的夹角,β是DA和轨平面夹角。利用三角形的边角关系计算出AA'(导高)和A'B(拉出值)等参数;再利用不同点的导高、拉出值,可以计算出水平间距、垂直高差及偏移角度。利用位移传感器测量轨距,结合倾斜传感器,便可测量出外轨超高。用光栅进行高精度角度测量,相位激光测距仪进行目标距离高精度测量。其中观察光轴、激光测距发射和激光测距
接收光轴三轴重合,确保测量数据的准确性。
2 测量数学模型和误差分析
测量接触网参数所用到的数据:位移传感器电阻值,倾斜传感器的角度值,测距仪的距离值和光栅的角度值。
位移传感器电阻值:5 KΩ,对应距离555mm;倾斜传感器的角度:范围[-10~+10]°,精度1′;测距仪测量的距离L:范围[0.5~70]m,精度ΔL为2mm。
光栅的角度值:和轨平面垂直向夹角β,在轨平面内的角度α;精度Δβ、Δα为2″。
2.1 目标点在轨平面内的投影和基准轨的距离计算公式为:
其中L//为目标点在轨平面内的投影和基准轨的距离;L为测距仪测量目标距离;α为目标点在轨平面内的投影和基准轨法线夹角;β为目标点和轨平面夹角。
公式(1)误差传递公式为:
当α、β为0时,ΔL//值最大:
由公式(3)知,目标点在轨平面内的投影和基准轨的距离误差主要由测距仪的误差传递影响。
2.2 导高的测量
接触线的导高计算公式为:
其中H为接触线的导高;L为测距仪测量的目标点距离;β为目标点和轨平面夹角。
如上同理,
2.3 拉出值的测量
测量要求范围:(-600mm~600mm),一般默认测量位置在铁轨左侧。
计算公式为:
其中D为拉出值;L为测距仪测量的目标点距离;α为目标点和基准轨法线夹角;β为目标点和轨平面夹角。
同理可得出,当α、β为0时,ΔD值最大,
3 系统的软件部分
系统软件是专门为图像采集显示工业控制终端定制的一套软件解决方案,采用自下而上的层次化分析和构建方法,把整个系统的软件划分为操作系、设备驱动层与应用软件层,采用嵌入式linux操作系统作为应用软件的运行环境。
嵌入式系统是嵌入式操作系统和数据处理程序运行的平台,进行各种参数测量的操作控制和计算,同时对测量目标在CCD上的图像进行采集并显示。
根据外部具体接口设计接口驱动,系统应用软件具有以下几个功能:
1)提供友好的人机界面功能,用户能够方便的进行操作;
2)实现图像采集显示功能;
3)可对数据信息进行记录、存储和导出。
软件部分的工作流程为:观察通道CCD图像经采集卡传给主板CPU,经处理后传给显示屏显示;传感器测量500mm处线岔间距、轨距和倾角,测量仪测量导线的斜距和角度等参数,传感器和测量仪测量的参数传给嵌入式主板ARM9 CPU进行数据处理,得到测量项目的参数,并把有用的数据保存起来,然后利用电子报表自动生成系统进行数据的归类统计,形成标准电子文档。
4 测量系统的不确定度分析
把接触网激光测量系统放在标定的标准轨上,对标定的接触网的高度和拉出值进行测量,按照JJF1059-1999对测试结果的不确定度分量进行分析和评定,结果可得出其测量精度为±5mm。
系统的不确定度来源主要由测量重复性、环境、测量目标位置差异和标准器引起。
4.1 测量重复性引入的不确定度分量
在标准轨的固定点,装上测量系统,进行测量,然后取下测量系统,这样重复10次类同的操作测量,测得10组数据如表1所示。
H是接触线高度;L表示拉出值。
根据贝塞尔公式计算出标准偏差:SH1=0.83,SL1=0.37。
4.2 环境引入的不确定度分量
在标准轨的固定点,装上测量系统,对接触线高度连续10次测量,测得10组数据如表2。
同理可计算出标准偏差为:SH2=0.63,SL2=0.28。
4.3 测量目标的位置差异引起的不确定度分量
在标准轨的固定点,装上测量系统,对准接触线,进行测量,每测量完一次,在重新对准接触线,同样步骤进行10次测量,测得10组数据如表3。
同理可计算出标准偏差为:SH 3=0.5 1,SL3=0.28。
4.4 标准器引入的不确定度分量
在测量时,用10m卷尺,准确度为II级,用其测量标准铁轨,在轨距1435mm距离上的误差为:Δ=0.2*1.435=0.287mm。由此引入的不确定度分量为:SL4=0.287mm。
试验用0.02mm/m水平仪校正标准铁轨上的平面,按最大量程轨距1435mm计算,带来的误差为0.0287,由此引入的不确定度分量为:
SH4==0.0287mm,SL5=0.0287mm。
4.5 合成标准不确定度
各不确定度分量为独立分量,不存在相关性,则合成不确定度为:
相关的数据带入计算可得:SH=1.2,SL=0.61。
由此可得出接触线高度和拉出值合成不确定度3SH和3SL分别小于5mm,因而该测量系统满足精度±5mm误差要求。
5 结束语
作为接触网测量中心任务之一的接触网几何参数自动测量已引起国内外有关专家的极大关注。本文介绍了一种距离传感器、角度传感器、位移传感器、单CCD摄像机和嵌入式数据处理技术实现对铁路接触网参数的激光测量系统。相比国内目前的几种测量方法,这种测量系统原理正确、精度高达±5mm、速度快、测量的参数全,测量数据可自动生成电子报表格式。它将被广泛应用于铁路接触网的日常检修和维护中,对高速铁路的正常运行产生极其重要的作用。
参考文献
[1]吴昌博,周洪.接触网应力实时检测及短线事故预警系统[J].微计算机信息,2009,25:102-103.
[2]邸荣光.准高速铁路接触网动态参数测量研究[J].科技广场,2005,1:90-92.
[3]于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都:西南交通大学出版社,2001.
激光跟踪测量系统 篇9
激光武器装备的作战效能直接取决于发射激光到达靶目标处光斑的能量密度及分布[1]。激光武器都是远距离作战, 通用的激光功率/能量检测设备因接收口径有限, 只能检测到极小特定空域内的激光能量[2], 不能满足在远场对激光武器光束质量的检测。远场激光的检测必须采用专用的方法和设备。目前, 远场激光光斑的测量主要有两种方法, 一种是非接触式的摄像法[3];一种是探测器阵列直接测量法, 即用探测器阵列靶直接接收激光[4], 通过探测器后续处理电路得到激光光斑空间的绝对能量密度分布。本文重点研究探测器阵列测量系统中的硬件电路设计。
1 热释电探测器噪声特性分析
当前光斑测量所用探测器材料品种众多, 其中热释电探测器由于具有高灵敏度而备受关注, 它是由钽酸锂 (LiTaO3) 材料制成。钽酸锂探测器是利用晶体的自极化效应工作的, 具有热电效应。无外部机械力或电场的作用时, 钽酸锂晶体的自发极化强度随温度变化而改变。在探测器光敏面受到激光照射时, 会使其晶片的温度发生变化, 从而产生电荷流动, 外电路闭合便形成热电流[5]。
钽酸锂热释电探测器具有温度稳定性高、环境温度适应范围宽、频率范围宽等优点, 同时也存在一些不足, 如干扰噪声较难控制。该探测器噪声主要是由电子无规则热运动产生的热噪声。
热噪声也叫约翰逊噪声[6]:
式中:k是玻尔兹曼常数;T是导体或电阻的绝对温度 (单位:K) ;R是电阻或阻抗的实部;Δfn是等效噪声功率带宽。这个噪声对大信号影响不大, 但对微弱信号会产生较大的干扰。所以在设计电路时要对探测器的噪声进行严格控制。
2 激光光斑测量系统的电路设计
激光光斑测量系统的电路设计框图如图1所示。热释电探测器光敏面接收激光照射信号, 经热释电效应将光能量转换成电脉冲信号, 再经峰值保持、可变增益放大、A/D采集和主控计算机处理得到该探测器点对应的激光参数[7]。
2.1 信噪比选取及放大电路设计
热释电探测器由晶体的极化效应产生的电压[8]为3.05 mV～3.05 V, 为保证在输出端有足够的信噪比, 应尽量提高信号放大器的输出电压。由于放大器在信号放大的过程中, 噪声也同时被放大, 在满足最小10 mV的前提下应尽量减少放大倍数。因此, 取系统信噪比SNR=3。
为保证输出信号有足够的电压值, 根据前置放大的输出幅值和后级放大带宽影响, 增益选择30 dB的动态范围。前置放大电路必须采用高输入阻抗的低噪声前置放大器, 在该设计中放大器采用了仪表用高精度线性放大器。为降低外部电磁干扰, 放大电路外壳体采取了屏蔽措施。为降低共模噪声干扰, 放大电路采用了差分电路, 以提高输入信号的信噪比[9], 如图2所示。
2.2 峰值保持控制及采集系统设计
采用峰值保持电路, 将增益放大输出电压值进行峰值保持, 为使后级采集系统具有足够的采集时间, 需要将电压值保持200 μs左右, 以便采集系统采集处理[10]。控制电路由单片机电路组成, 其一, 单片机根据输入光脉冲产生的电信号给采集系统触发信号;其二, 峰保电路为充放电电路, 存在充放电时间, 为缩短放电时间, 在峰保采样完成后应合上放电开关, 将电容上的电压放掉, 在下一个脉冲到来前应提前断开放电开关, 对新的脉冲进行峰保。放电开关的控制信号由输入信号经延时得到, 具体控制过程由单片机完成。
在采集系统方面, 为降低外部电磁干扰, 采集卡采用差分输入, 将64路/卡合为32路/卡差分输入, 以减小长线传输带来的噪声和损失。采用16位A/D转换以提高采样精度。具体电路设计实现如图3所示。
主控计算机完成对光斑数据的实时接收和存储, 然后根据光斑图像计算光斑的形心、质心、总能量和能量密度等参数。
3 设计电路在激光光斑测量系统中的应用
该设计电路已在某型激光光斑测量系统中得以成功运用, 该光斑测量系统采用了16行×16列热释电探测器阵列。激光光斑测量系统采用图3所示电路进行设计后, 所测得的光斑原始图像如图4所示, 原始图像为探测器阵列所对应的16×16像素图像。通过处理软件处理出的激光光斑二维拟合图像如图5所示。
4 结 语
基于探测器阵列靶的远场光斑测量系统核心技术主要是探测器的选取和硬件电路的设计开发, 尤其是硬件电路的设计开发。本文通过对探测器放大电路和采集系统的设计和开发, 实现了激光远场光斑的有效测量。该系统在远场激光光斑的测量中已经成功运用, 完全能够满足目前大功率激光器的测量需求。
摘要：为了直接测量远场激光光斑, 设计开发了一套基于热释电探测器阵列靶的激光光斑测量系统。针对热释电探测器噪声特性, 将探测器响应信号通过前置放大、增益放大、峰值保持、A/D采集等电路处理, 最后由主控计算机存储光斑信息, 并对光斑图像进行分析处理。通过实际的远场激光测试实验, 验证了该设计能够有效测量远场激光光斑。
关键词：远场激光光斑,热释电探测器,自极化效应,差分电路
参考文献
[1]王云萍.探测器阵列法测量激光光斑参数关键技术分析[J].激光杂志, 2007, 28 (4) :27-28.
[2]刘京郊.光电对抗技术与系统[M].北京:中国科学技术出版社, 2004.
[3]杨子宁.光电自动报靶系统的设计与实现[J].现代电子技术, 2007, 30 (7) :38-42.
[4]朱震, 王永州, 易亚星, 等.一种新型的激光远场光斑直接测量技术[J].光电工程, 2005, 32 (11) :49-53.
[5]李强, 雷訇.大功率激光光束光斑参数的测量[J].光电子.激光, 2000, 11 (5) :473-475.
[6]胡邓华, 孙际哲, 舒涛.一种低成本噪声计设计[J].现代电子技术, 2009, 32 (23) :174-176.
[7]刑晖, 曲卫东, 雷萍, 等.激光远场直接探测系统探测器阵列靶板的设计[J].激光与红外, 2006, 36 (7) :531-533.
[8]贾养育, 任勐, 吕鸿鹏, 等.基于探测器阵列的激光远场光斑测量系统[J].激光与红外, 2009, 39 (12) :1324-1327.
[9]任骏原.差分放大电路单端输入信号的射极耦合传输及等效变换[J].现代电子技术, 2010, 33 (19) :112-116.