多角度测量（精选8篇）
多角度测量 篇1
摘要：角度视觉测量是一项基于图像处理的角度测量技术,可实现快速和非接触式测量,同时克服了人为因素。以三角形工件为研究对象,首先利用Canny算子实现工件边缘检测,然后利用Hough变换获取图像中的多条线段特征,经处理获取三条边对应的线段特征,最后确定三个角的位置及角度值,从而实现了工件多角度自动化测量。试验表明,该算法可以同时获取三个角的对应角度值,实现了快速测量;同时其绝对误差在±0.1°内,可以满足当前工件角度检测要求。
关键词：工件,线段,多角度,视觉技术,霍夫变换
0 引言
传统工件角度测量主要有万能角度尺、正弦规、角度块规等方法,存在读数过程繁琐、效率低、人为误差大等不足;而角度视觉测量是一项基于图像处理的角度测量技术,可实现对工件进行快速、非接触式测量,同时克服了人为因素。当前研究主要集中于单个角度的自动测量[1~3]和多角度交互测量[4],前者与传统测量方法相比体现不出测量效率的优势,后者无法实现图像采集、处理和测量的自动化作业。
本文以三角形工件为研究对象,首先利用Canny算子实现工件边缘检测,然后利用Hough变换获取图像中的多条线段特征,经处理获取三条边对应的线段特征,最后同时确定三个角的位置及角度值,从而实现了工件多角度自动化测量。
1 工件的边缘检测
1.1 图像采集
为了保证从图像中测量的角度反映工件的真实角度,须使图像传感器光轴垂直于被测工件的平面。采集设备获得的图像为4000×3000、JPG格式的彩色图像。
1.2 边缘检测
边缘是图像的最基本特征。边缘检测通常是机器视觉系统处理图像的第一个阶段。
本文边缘检测须满足三个要求:1)边缘定位精度高;2)滤除噪声即是滤除不是边缘上的散点;3)可不考虑边缘出现间断或漏检现象。基于以上三点,采用了阈值较大的Canny算子。它是最佳边缘检测算,在边缘检测方面具有良好的效果[5]。将原始图像(如图1所示)转化为灰度图像,利用Canny检测算子提取灰度图像的边缘,得到边缘检测二值图像,如图2所示。
2 三条线段的检测
霍夫变换是从图像中识别几何形状的基本方法之一,应用广泛。最基本的霍夫变换是从二值图像中检测直线(线段)。线段特征提取的准确程度将影响着后续工件角度值的提取。
2.1 多条线段的检测
霍夫变换是把图像空间中的一条线对应Hough空间中的一个点即给定点(x,y)集,找出所有的(m,b),且满足y=mx+b;最后通过统计特性来检测各个线段特征。
从在严格的意义讲,由于加工表面不平整,从而造成工件的边缘并不是一条线段,而是一条凸凹不平的曲线段。每个凸点或凹点将把一条线段分成两条或多条线段,其检测结果如图3所示。
2.2 删除斜率相等的线段
从图3可以看出,图像中检测出6条线段。为了后续的夹角提取,须保留且只能保留相应的3条线段,即在线段1、2保留其一、在线段3、4、5中保留其一与线段6组成工件的三条边所在的线段,检测结果如图4所示。
3 顶点坐标及角度的获取
在三角形工件中,须获取三个角度值并确定角度值与角的对应关系,即确定∠A的角度值,同理确定∠B、∠C的角度值。三个角度值可由图4中的线段1、线段2和线段3间的倾斜率差的绝对值确定;角的顶点可由任两线段或其延长线的交点确定。
顶点位置的确定可由3步完成:
1)由线段1、线段2的端点坐标(start_x1,start_y1),(end_x1,end_y1)、(start_x2,start_y2),(end_x2,end_y2);可确定两条线段的斜率a和截距b,分别为:
2)线段1的直线方程为:y=a1*x+b1;
线段2的直线方程为:y=a21*x+b2。
3)顶点坐标为(peak_x,peak_y),则有
其工件的各个角的角度值在原图像中标记如图5所示。其中,角度值为两线段或其延长线的夹角或其夹角的补角的大小。
4 算法验证
为便于验证算法的准确性和有效性,采集角度块规图像进行验证,其检测算法流程如图6所示。本文采用哈尔滨量具刃具厂生产的角度块规。它是一种角度计量基准,如图7所示。三角形角度块规只有一个工作角,所以在角度值提取的过程,虽然获取了三个角度值,但最后验证算法时只使用了工作角作为角度值的理论值。
试验所用的部分图像处理效果如图8所示,角度视觉测量结果如表1所示。
从表1数据来看,可以获取顶点坐标值,从而确定角的位置;角度值由理论值、测量值及绝对误差三部分组成。在所验证的角度值中,除70°块规外,其他的绝对误差在±0.1°内;而70°块规的绝对误差为-1.02。经分析,70°块规存在较大误差的主要原因是:在采集图像时,工件的边缘出现了模糊现象,其原始图像图9所示。
5 结论
本文提出的工件多角度视觉测量技术以三角形工件为研究对象,实现了工件多角度自动化测量。它可以应用在一般的角度测量中,有效地对工件实现快速、非接触角度测量,具有较好的检测精度,克服了人为误差。
参考文献
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多角度测量 篇2
一、复习：
1、水平较测量原理
2、竖直角测量原理
二、引入：
根据测量水平角和竖直角的原理和要求，而设计制造的一种测角仪器称为经纬仪，这节课我们主要学习，认识下光学经纬仪。
三、新课：
光学经纬仪
经纬仪按精度分为DJ0.7、DJ1、DJ2、DJ6、DJ15、DJ20六个等级，D—大地测量、J—经纬仪、下标表示经纬仪的精度，以秒为单位，数字越小，精度越高。<一>、DJ6级光学经纬仪的构造
它主要由照准部(包括望远镜、竖直度盘、水准器、读数设备)、水平度盘、基座三部分组成。现将各组成部分分别介绍如下：
１．望远镜
望远镜和横轴固连在一起放在支架上，并要求望远镜视准轴垂直于横轴，当横轴水平时，望远镜绕横轴旋转的视准面是一个铅垂面。为了控制望远镜的俯仰程度，在照准部外壳上还设置有一套望远镜制动和微动螺旋。在照准部外壳上还设置有一套水平制动和微动螺旋，以控制水平方向的转动。当拧紧望远镜或照准部的制动螺旋后，转动微动螺旋，望远镜或照准部才能作微小的转动。
２．水平度盘
水平度盘是用光学玻璃制成圆盘，在盘上按顺时针方向从0°到360°刻有等角度的分划线。相邻两刻划线的格值有1°或30′两种。度盘固定在轴套上，轴套套在轴座上。水平度盘和照准部两者之间的转动关系，由离合器扳手或度盘变换手轮控制。
３．读数设备
我国制造的DJ6型光学经纬仪采用分微尺读数设备，它把度盘和分微尺的影像，通过一系列透镜的放大和棱镜的折射，反映到读数显微镜内进行读数。在读数显微镜内就能看到水平度盘和分微尺影像。度盘上两分划线所对的圆心角，称为度盘分划值。
在读数显微镜内所见到的长刻划线和大号数字是度盘分划线及其注记，短刻划线和小号数字是分微尺的分划线及其注记。分微尺的长度等于度盘１°的分划长度，分微尺分成６大格，每大格又分成10，每小格格值为1′，可估读到0.1′。分微尺的0°分划线是其指标线，它所指度盘上的位置与度盘分划线所截的分微尺长度就是分微尺读数值。为了直接读出小数值，使分微尺注数增大方向与度盘注数方向相反。读数时，以在分微尺上的度盘分划线为准读取度数，而后读取该度盘分划线与分微尺指标线之间的分微尺读数的分数，并估读到0.1′，即得整个读数值
４．竖直度盘
竖直度盘固定在横轴的一端，当望远镜转动时，竖盘也随之转动，用以观测竖直角。另外在竖直度盘的构造中还设有竖盘指标水准管，它由竖盘水准管的微动螺旋控制。每次读数前，都必须首先使竖盘水准管气泡居中，以使竖盘指标处于正确位置。目前光学经纬仪普遍采用竖盘自动归零装置来代替竖盘指标水准管。即提高了观测速度又提高了观测精度。
５．水准器
照准部上的管水准器用于精确整平仪器，圆水准器用于概略整平仪器。
６．基座部分
基座是支撑仪器的底座。基座上有三个脚螺旋，转动脚螺旋可使照准部水准管气泡居中，从而使水平度盘水平。基座和三脚架头用中心螺旋连接，可将仪器固定在三脚架上，中心螺旋下有一小钩可挂垂球，测角时用于仪器对中。光学经纬仪还装有直角棱镜光学对中器。光学对中器比垂球对中具有精确度高和不受风吹摇动干扰的优点。<二>、DJ2级光学经纬仪
DJ2级光学经纬仪的构造，除轴系和读数设备外基本上和DJ6级光学经纬仪相同。我国某光学仪器厂生产的DJ2型光学经纬仪外形。下面着重介绍它和DJ6级光学经纬仪的不同之处。
１．水平度盘变换手轮
水平度盘变换手轮的作用是变换水平度盘的初始位置。水平角观测中，根据测角需要，对起始方向观测时，可先拨开手轮的护盖，再转动该手轮，把水平度盘的读数值配置为所规定的读数。
２．换像手轮 在读数显微镜内一次只能看到水平度盘或竖直度盘的影像，若要读取水平度盘读数时，要转动换像手轮10，使轮上指标红线成水平状态，并打开水平度盘反光镜5，此时显微镜呈水平度盘的影像。若打开竖直度盘反光镜1时，转动换像手轮，使轮上指标线竖直时，则可看到竖盘影像。
３．测微手轮
测微手轮是DJ2级光学经纬仪的读数装置。对于DJ2级经纬仪，其水平度盘（或竖直度盘）的刻划形式是把每度分划线间又等分刻成三格，格值等于20′。通过光学系统，将度盘直径两端分划的影像同时反映到同一平面上，并被一横线分成正、倒像，一般正字注记为正像，倒字注记为倒像。下图为读数窗示意图，测微尺上刻有600格，其分划影像见图中小窗。当转动测微手轮使分微尺由零分划移动到600分划时，度盘正、倒对径分划影像等量相对移动一格，故测微尺上600格相应的角值为10′，一格的格值等于1″。因此，用测微尺可以直接测定1″的读数，从而起到了测微作用。
DJ2级光学经纬仪读数窗
具体读数方法如下；
１）转动测微手轮，使度盘正、倒像分划线精密重合。
２）由靠近视场中央读出上排正像左边分划线度数，即30°。３）数出上排的正像30°与下排倒像210°之间的格数再乘以10′，就是整十分的数值，即20′。
４）在旁边小窗中读出小于10′的分、秒数。测微尺分划影像左侧的注记数字是分数，右侧的注记数字1、2、3、4、5是秒的十位数，即分别为10″、20″、30″、40″、50″。将以上数值相加就得到整个读数。故其读数为：
度盘上的度数 30°
度盘上整十分数 20′
测微尺上分、秒数 8′00″
全部读数为 30°28′00″
４．半数字化读数方法
我国生产的新型TDJ2级光学经纬仪采用了半数字化的读数方法，使读数更为方便，不易出错。中间窗口为度盘对径分划影像，没有注记，上面窗口为度和整10′的注记，用小方框“”标记欲读的整10′数，下面窗口的上边大字为分，下边小字为“10秒”。读数时，转动测微手轮使中间窗口的分划线上下重合，从上窗口读得5°10′，下窗口读得2′34″，全部读数为5°12′34″。
四、小结：
1、重点：光学经纬仪的构造和操作方法
2、难点：光学经纬仪的读数
五、作业：
无 讲授方法：
物体的旋转角度快速测量 篇3
当前我国的制造业已达到以信息化带动工业化的新阶段,因此自动化水平在当今社会起着非常重要的作用。在生产线上利用工业机器人普及智能化已成为当今社会的必然趋势。在机器人抓取系统中,物体的识别和定位对整个生产流程的效率有很大的影响,其中最重要的是对物体的旋转角度的快速准确获得[1]。
现有的测量角度的方法很多,文献[2]中提出了一种室内空间测量定位系统,结合多面棱镜和平行光管作为调整手段的角度测量系统,周星炜提出基于光纤Sagnac干涉仪的敏感角速度光纤传感器结合单片机的方式测量角度[3],上述方法角度测量均达到了很高的精度,但是光学测量系统对条件要求较高且系统复杂,所以其适用性受到限制;计算机视觉测量具有非接触、高速、高精度的优点,近年来基于图像的角度测量方法也有很多,其中包括利用图像的轮廓特征和利用物体的局部特征点法。白福忠等[4]提出对采集到的被测工件图像进行边缘检测、细化处理和霍夫变换来确定物体的旋转角度,该方法得到了较好的效果。但是对于轮廓缺失或是图像中直线特征不明显的情况适应性较差;文献[5]针对任意角度图像配准提出利用基于Zernike矩的互相关算法也达到了0.1°的测量精度;尺度不变特征变换SIFT[6]由David Lowe在1999 年发表,2004 年完善总结,SIFT特征是图像的局部特征,对旋转、尺度缩放、亮度变化保持不变性,对视角变化,仿射变化噪声等也保持一定程度的稳定性,而且具有独特性、快速性、高速性、可扩展性等好处,因此自SIFT出现以来就受到广泛关注,应用SIFT测量角度的方法也层出不穷。朱齐丹等人[7]利用SIFT得到的特征点的主方向结合聚类分析对角度进行测量,但是由于算法中主方向是将圆周的方向分成36 份进行计算,自身就会有1°左右的误差,利用SIFT特征点分别结合OTSU,RANSAC[8]和矩阵[9]的方法被提出,它们均可准确计算物体的旋转角度。但是上述方法均受制于SIFT本身,因为SIFT要完成尺度空间极值检测,关键点定位,主方向确定及128 维描述子的建立等,所以需要消耗较多的时间。
二进制鲁棒不变尺度变换BRISK[10]是由SIFT发展而来,也是一种求局部描述子的方法,在将BRISK用于家中服务机器人的识别[11]和索春宝等人[12]利用Mikolajczyk和Schmid所提供的数据集[13]比较了SIFT,BRISK等几种方法在旋转、尺度、光照变化下的鲁棒性对比中,BRISK均表现出较高的时空效率和实时性。由此提出用BRISK来计算物体的旋转角度,由于BRISK匹配点的精度较低,因此在利用汉明距离筛选出匹配点后,选定匹配点间的最小汉明距离为参考值对得到的匹配点进行二次筛选来提高配准点的准确度。将最终的匹配点对分别结合OTSU[15],矩阵及中位值法来求取物体的旋转角度及所需时间,并对其抗噪性能和对轮廓缺失及其他不同情形下的鲁棒性进行测试。
1 BRISK算法的基本原理
BRISK[10]之所以具有低计算复杂度,关键在于应用了由Mair[16]等人提出的对FAST(Features from Accelerated Segment Test)特征点检测算法扩展的AGAST角点探测算法来提取角点特征和基于强度对比的二进制比特串图像块描述方法。BRISK算法的实现过程包括:① 特征点提取;② 特征点描述与匹配。
1.1 特征点提取
为保持尺度连续,BRISK也是先构建尺度金字塔,包括n层ci以及n个内层di(i=0,1,…,n-1)。ci从源图像开始由上一层以系数为2 的降采样得到,内层di处于层ci和层ci+1之间。第一内层d0由源图像下采样1.5 倍得到,其余内层通过上一内层半采样得到。若t表示尺度,则每层的尺度t(ci)=2i,t(di)=2i×1.5。在高斯金字塔上检测特征点:首先计算每层的FAST[16]得分,如图1,选取FAST9-16 的模型,即在圆周的16个像素,中心像素p至少连续高于或低于其中9 个像素,利用阈值τ 得到潜在的关键点。具体见文献[10]。
1.2 BRISK特征点描述和匹配
BRISK使用二进制字符串来描述每个特征点,每个特征点利用512 位的字符串进行描述,过程如下:利用以像素点为中心的一个半径为3 pixels的离散化的Bresenham圆,如图2 所示,圆周上共有60 个均匀分布的点,共60×(60-1)/2=1 770 个点对,由长距离采样点对和短距离采样点对分别估计特征点方向和生成二进制描述子。由于这种采样模型在采样时会产生灰度重叠,所以BRISK中先使用方差为σi的高斯函数平滑每个采样点,并且σi与采样点在各自的圆圈上的距离成正比。这1 770 个采样点对(pi,pj)的平滑强度值分别设为(pi,σi)和(pj,σj),则两点间的距离梯度:
定义短距离采样对的S子集和长距离采样对的L子集分别为
阈值 δmax=9.75t,δmin=13.67t,t为关键点的尺度。由于长距离采样点对包含有更多的特征点角度信息,并且局部梯度相互抵消,因此在集合L中计算关键点的模式方向为
为了保持旋转不变性,仿照SIFT,将坐标轴旋转到特征点的主方向,然后再次采样。最后在集合S中对所有的点对进行像素值比较生成二进制描述子。
1.3 特征点的二次阈值筛选
在BRISK中,利用二进制描述子对特征点进行描述,匹配点对的获得往往是通过对关键点对间的汉明距离设置特定的阈值。阈值的选取对匹配点对的选取有很大的影响,当阈值越大,留下的匹配点对越多,匹配点对间的相似度就越小;当阈值选取过小,我们就只能得到很少一部分匹配点,甚至得不到匹配点。因此提出二次阈值的方法,当利用通常设置的阈值对关键点筛选后,利用初步得到的匹配点对间的最小汉明距离为参考值,保留汉明距离小于参考值二倍的匹配点来完成对匹配点对的进一步筛选,由此可以减少第一次阈值的选取对匹配精度的影响,而且可以保留汉明距离最小,也即特征点间最相似的点,下文将对该原理的结果进行具体的验证。
2 角度测量原理
2.1 仿射变换
仿射变换是二维平面中一种重要的变换,仿射变换包括旋转、平移、翻转、错切变换。当图像在X和Y方向缩放比例相同,沿Y轴做剪切变换时,其复合矩阵为
式中: Δx 、 Δy表示将一点(x,y)移动到(x+Δx,y+Δy)的移动量;s表示尺度缩放因子;ψx表示纵向剪切角度;θ 表示目标图像相对原图像的对应像素的旋转角度。实验中对仿射矩阵的求取利用find Homography,数据处理方式选用CV_RANSAC。
2.2 中位值法
中位值是利用求得的匹配点的精坐标,找到在源图像中的两条直线的斜率k1,并找到目标图像中对应的匹配点组成的直线的斜率k2,由k1,k2计算图片旋转角度。在得到的多个匹配点中,考虑到精度和速度的要求,当匹配点对超过50 对时,隔点选取50 个点组成的1 225 条直线进行计算,将对应直线求得的斜率按大小顺序排列,取中间值作为测量结果;匹配点对不超过50 对时,将所有点参与运算,求其中位值。
2.3 最大类间方差
最大类间方差(OTSU)[8,15]是一种自适应求取阈值的方法。再利用OTSU得到的阈值对图像进行二值化处理,结合二值化图像中像素不为0 的点为对象和图像中利用BRISK求得的匹配点的像素坐标,求得两部分的共有部分作为目标点对,仿照中位值法,利用源图像中任意两匹配点组成的直线的斜率k1和对应在匹配图像中的两个点的斜率k2计算旋转角度,最终对所有求得的角度值利用三倍的标准差进行处理,将处理后的值作为最终的角度值。
3 实验结果与分析
实验采用Intel(R) Core(TM)i5-2520M CPU@2.50 GHz的处理器,RAM 4.00 GB,测试图片如图3(a)使用标准图像数据库[13]、标准图像库[14]中的baboon和plane及图片nut,测试图片均利用ACDSee软件进行旋转,程序是在VS2010+open CV2.3.1 下进行,环境设置为RELEASE。
3.1 旋转角度的测量精度
图4,5 分别介绍了BRISK利用二次阈值筛选前后的匹配点结合OTSU,矩阵,中位值三种方法测量不同旋转角度时对应的旋转角度的绝对误差值,表1 代表BRISK利用二次阈值筛选前后的匹配点数目。
从图4 可看出,利用筛选前的点结合三种方法可以大致确定物体的旋转角度,图像的特征点越多,测得值就越准确。从图5 可看出,利用筛选后的匹配点结合三种方法的测量误差基本都在1°以内,其中OTSU的测量误差大多在0.5 以内,且能保持较好的稳定性;利用矩阵法的测量结果在特征点数目多时效果较好,特征点数目少时相比其它两种方法来说波动较大,而且当点数少于4 就无法完成测量,但是矩阵法可计算六参数仿射模型,适用性广;中位值法的结果也比较稳定,利用上面图像测得的角度绝对误差均在0.5 以内,当特征点数目少时也可以得到好的结果,而且在图4 中匹配精度低时依然可以有较好的结果。对比图4 和图5 可以看出,经过二次筛选,旋转角度的测得值变得更精确。从表1 中的匹配点数目的变化可以看出,在经过二次筛选后,匹配点的数目大量减少,综合可说明,筛选后的特征点配准精度更高,筛选后的特征点的数目也大大减少,而这势必都会提高整个算法的效率。
3.2 测量旋转角度的速度
图6 显示了利用二次阈值筛选前后的点结合三种方法测量角度所需要的时间,通过对boat,plane,baboon三幅图片进行测试,结果可看出当特征点较多时,利用二次阈值筛选后的点结合三种方法测角度的时间明显缩短,当物体的特征点少时,两者的时间相差不多;三种测量方法,当图片较大时,OTSU所需时间最多,因为OTSU需要先对图像整体求取阈值进行二值化处理,图片越大消耗的时间越多,矩阵法和中位值法两者消耗的时间相差不大。改进后测量所需时间多在1 s以内,基本上可以满足实时性的要求。
3.3 算法对噪声的鲁棒性测量
上面的实验验证了利用BRISK测量角度的可行性,下面将对该算法对噪声的鲁棒性进行测量,此处用MATLAB给图片添加不同程度的椒盐噪声,实验图片选取boat和baboon,实验方法选取筛选后的点结合OTSU进行。表2 可看出添加噪声后测量精度有了一定程度的下降,但在一定范围内保持稳定,对图片添加不同程度的高斯噪声后也是同样的结论。
3.4 对轮廓缺失,光照变化,尺度变化等的鲁棒性测量
为研究算法在不同情形下的适应性如遮挡,光照变化,模糊,尺度缩放时的稳定性,实验选用图7 中baboon和plane(遮挡),并且利用牛津图像库中的bakesimg1-3(模糊变换)和leuvenimg1-2 及boatimg1800 缩放50%,实验结果如表3,对比轮廓缺失前后的值可以看出,轮廓缺失前测得的角度值的精度高于轮廓缺失后的角度值的精度,但是轮廓缺失一部分测得的角度值的误差虽说较大,但是仍然保持在1°以内,当图片发生光照变化,尺度缩放还有模糊变换时算法的精度依然很高。
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4 利用自己拍摄的图片进行测量
为了确保算法可行,利用实际旋转物体(图3(b))进行测量,由于图片是人为旋转,所以真实值会有一定偏差,因此将SIFT结合矩阵和中位值的结果作为参考值(由于实际拍摄效果欠佳,二值效果差,因此对OTSU的结果不予讨论),其结果如表4,得到了稳定结果。
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5 结论
多角度测量 篇4
一、八角手刻磨机传统的角度测量方法
当确定某一种宝石的切磨步骤及数据后, 传统的角度测量方法为:宝石用粘胶粘上粘杆, 粘杆装上八角手手柄并抵紧, 八角手模块置于平台上, 宝石端置于磨盘上, 将量角器的直边放于磨盘上, 抬高或降低刻磨机的平台, 目测粘杆中心线与量角器某一角度 (即某一刻面所需的研磨角的补角) 的位置对齐, 方可拧紧螺栓进行切磨。这种测角方法的缺点是: (1) 需一手同时拿量角器与手柄, 另一手抬高或降低刻磨机的平台, 操作起来非常不便; (2) 以目测的方法看粘杆中心线与量角器某一角度对齐, 其测量的精度大大下降; (3) 目前市场上销售的量角器的圆心与磨盘间有一定距离, 肉眼很难正确的估算出粘杆的中心线与圆心对齐。因此, 以上缺点都给八角手角度测量的精确性带来不可避免的误差, 而误差则给宝石的切工带来直接影响, 从而导致宝石的价值下降。
二、用高度测量代替角度测量的依据及方法
1. 依据
八角手刻磨机角度测量转换成平台高度测量的理论依据基于直角三角形的三角函数关系:当平面上的三点A、B、C的连线, AB、AC、BC, 构成一个直角三角形, 其中∠ACB为直角。对于AB与AC的夹角∠BAC而言:对边a=BC, 斜边h=AB, 邻边b=AC, 正弦 (sin) 等于对边比斜边:sin∠BAC=a/h, 故a=hsin∠BAC, 即有当h为定值时, a对应∠BAC (0<∠BAC<90时) 的唯一值。基于这一原理可以在八角手刻磨机在操作过程中的角度测量转化为八角手刻磨机平台与磨盘间的高度测量。
2. 方法 (如下图示)
(1) 标准八角手刻磨机八角模块从圆心到平行边的距离为定值, 设为OA, 经测量标准八角手OA值为4CM;
(2) 粘杆插入八角手手柄中并抵紧, 手柄与粘杆的长度为定值, 设为OB, 经测量标准八角手OA值为18CM;
(3) 宝石圈型后, 其胚型高度值为定值, 设为BC (BC值可在实际操作过程中用游标卡尺测量) ;
(4) 从八角形模块中心到平台的距离设为OE;
(5) 从八角形模块中心到磨盘水平面的距离, 设为OD;
(6) 宝石材质确定好后, 宝石每一组刻面的研磨角即为定值, 设为α, 即有∠OCD=90-α, 则有∠EOA=90-α;
(7) 从E点到D点的距离设为ED, 那么根据上述原理, α的测定转换成ED的测定即当OC为定值时, H对应α (0<α<90时) 唯一值。
换算方法为:ED=OD-OE;而OD= (OB+BC) sin∠OCD= (OB+BC) sin (90-α) = (OB+BC) cosα;OE=OAcos (90-α) =OAsinα, 故有ED= (OB+BC) cosα-OAsinα。
3. 实例
如水晶亭角为43o时, 设圈形后胚型高度值即BC值经测得为1CM, 将OA=4CM, OB=18CM代入公式ED= (OB+BC) cos43-OAsin43≈13.96CM, 即如需测量水晶的亭角43o时, 即可转换成测量从八角手刻磨机的平台到磨盘水平面ED的距离13.96CM即可。
三、结语
本文论述了八角手刻磨机实际操作中所需要测量的角度——即研磨角的补角与刻磨机的平台到研磨盘的距离的转换关系, 通过将角度的测量转换成高度的测量, 能极大地减少角度测量误差对宝石切工的影响, 更加方便、实用, 提高八角手刻磨机加工宝石的效率。
参考文献
[1]包德清.实用宝石加工工艺学;武汉:中国地质大学出版社, 1995
[2]吕新彪.宝石款式设计与加工工艺;武汉:中国地质大学出版社, 1993
[3]周汉利.宝石琢型设计及加工工艺学;武汉:中国地质大学出版社, 2007
脚型数据三维测量角度的研究 篇5
鞋是人们生活里不可或缺的一部分, 其舒适度与人们的生活工作息息相关。随着生活质量的提高, 人们对鞋的要求也越来越高。但鞋楦和鞋最终都是为脚服务, 因此不论是鞋楦设计, 还是鞋样设计, 首先要了解和掌握脚的形态、生理机能及脚型规律[2]。人脚的生理构造虽然是大同小异, 但是每个人的脚型尺寸却是千差万别的。因此作为制鞋研究人员必须充分了解脚型的特点及其变化规律[1]。脚的趾跖围长、跗背围长、兜跟围长是确定脚型的重要数据, 也是制鞋的重要依据。因此如何准确获得脚型围度数据是必须要关注的问题。
目前脚型自动测量采用的方法多种多样, 主要有机械法、投影法、光学法等。这些方法从一定程度上填补了脚型自动测量研究空白, 但都不约而同地存在一些缺点。如机械法属接触式测量, 测量精度较低, 测量过程复杂;光学法则对光学系统的要求较高, 数据处理繁杂, 而且不能完整地测出脚型轮廓参数。寻找一种方便、快捷的脚型测量方法, 仍是脚型自动测量上的难点之一[3]。
本文主要通过扫描脚长相近的人群的三维脚型图像, 运用delcam测绘方法测量脚跖围、跗围、兜跟围所在平面与相关平面的夹角, 确定脚型各围度最准确的测量角度。该研究对准确快速测量脚型三维数据以及完善鞋类研究具有重要的意义。
1 试验方法
1.1 研究对象
志愿者为30名女性, 年龄相近, 体型正常, 足部健康, 脚型大小适合穿着23#鞋, 已知试验流程并自愿参与试验。
1.2 测量要求
1.2.1 测量姿势
本试验分别对站姿和坐姿状态下的测试者足部进行扫描:站姿时采用自然的直立姿势, 双肩放松, 上肢自然下垂, 受测者站立在扫描仪内的有机玻璃板上, 另一只脚站立在扫描仪旁与受测脚水平;坐姿要求与站姿相近, 并且小腿不能倾斜, 要与玻璃板保持垂直。
1.2.2 测量精度
测量的长度单位为mm;测量的角度单位为°, 保留小数点后两位。
1.2.3 测量变量
根据试验条件, 以右脚脚趾在右, 后跟在左的图像为基准, 脚底所在平面为水平面。各个围长所在平面与脚形成切面, 将切面与脚侧面的交线与水平线所成角度定义为倾斜角。同理, 跗围与跖围所在平面与脚形成切面, 把切面与脚底的交线和表示脚宽度的竖直线所成的角度定义为扭转角。已知兜跟围扭转角度为0 (如图1) 。
1.3 研究方法
1.3.1 试验仪器
3D脚型扫描仪。
1.3.2 试验流程
测试项目: (1) 运用3D扫描仪采集样本右脚站姿和坐姿时脚型的三维图像; (2) 测量脚长 (mm) ; (3) 测量兜跟围、跗围和跖围的倾斜角 (°) ; (4) 测量跗围和跖围的扭转角 (°) 。
测试流程: (1) 试验前准备工作, 确保志愿者测试前24h内未参加过剧烈运动, 并告知试验流程及注意事项; (2) 调试设备, 并进行校正; (3) 依次统计志愿者的身高、体重等基本信息, 并按照试验要求, 对志愿者在站姿和坐姿两种情况下的右脚形态进行图像扫描; (4) 将扫描的图像导出归纳整理, 并导入到delcam中, 依次测量各角度数据。 (5) 统计数据并进行分析, 得出结论。
1.3.3 测量方法
将脚型图像按照试验要求置于屏幕上, 调整图像的位置, 准确测出脚的长度。根据部位点与脚长的比例关系, 准确选取第1趾跖关节点、第5趾跖关节点、第5跖骨粗隆点、跗背最凸点、舟上弯点、后跟凸点部位, 然后测量各角度。
2 结果与分析
2.1 试验数据
由于测量总是存在一些主观因素, 具有不可避免的误差。因此, 为了减小测量误差, 本试验分别对30位志愿者的右脚脚型进行了3次测量, 将求得的平均值作为最终结果。由表1可以看出, 站姿兜跟围倾斜角为34.79°, 跗围倾斜角为44.23°, 跖围倾斜角为56.10°, 跗围扭转角为13.72°, 跖围扭转角为19.96°;坐姿兜跟围倾斜角为35.85°, 跗围倾斜角为46.94°, 跖围倾斜角为57.65°, 跗围扭转角为13.02°, 跖围扭转角为18.16°。
由表1可以看出: (1) 坐姿时兜跟围、跗围、跖围倾斜角均比站姿时略大。其变化在1~3°之间, 兜跟围倾斜角的变化为1.06°, 跗围倾斜角的变化为2.71°, 跖围倾斜角的变化为1.55°, 由此可以看出跗围倾斜角变化较大。原因在于坐姿时足弓要比站姿时低, 第5跖骨粗隆点位置会稍有变化, 导致倾斜角增大。 (2) 坐姿时跗围和跖围的扭转角均比站姿时小, 其变化在0~2°之间, 跗围扭转角的变化为0.70°, 跖围扭转角的变化为1.80°, 由此可知跖围扭转角的变化较大。原因在于站姿时一般只有第1、第2、第5趾着地, 而坐姿时几乎全部脚趾都要着地, 第5趾会略有外张, 从而使跖围扭转角度增大。
2.2 试验分析
2.2.1 站姿数据分析
由图2可以看出, 站姿各测量角度均在一个极小的范围内波动, 各趋势线几乎近似于直线。
2.2.2 坐姿数据分析
鞋是针对人们日常生活而设计的, 所以需要了解多种姿态下人脚的形态。相比站姿, 坐姿是较为轻松的一种姿态, 此时脚也比较放松。图3描绘了坐姿情况下脚型各角度的变化趋势。由图3可以看出, 坐姿各角度的变化趋势均比较小, 基本围绕一中心值在极小的范围内变动。
2.2.3 测量角度综合分析
(1) 标准差分析
由表2可以看出, 站姿和坐姿的测量角度数据标准差均在0~1.5之间, 根据统计学原理, 该数据离散程度很小, 由于不可避免测量中主观因素的影响, 数据结果变动范围属于完全可以接受的程度之内, 所以该试验数据的可靠性完全可以信任。
(2) 抽样极限误差分析
本试验只对抽取的30个样本进行了统计分析, 相比于实际生活中的众多人群, 有很大的局限性, 因此为了确定最佳的测量角度, 需要计算样本的抽样极限误差。抽样极限误差是指一定概率下抽样误差的可能范围, 也称为允许误差。在设定可靠程度的前提下, 认为样本平均值与总体平均值的误差绝对不超过抽样极限误差。因此抽样极限误差与置信度 (即可靠程度) 的大小密切相关, 在其他条件不变的情况下, 抽样极限误差越大, 相应的可信程度越大。在实际设计鞋楦时, 可以根据工艺要求, 选择不同的置信度, 找到相应的测量角度, 来进行鞋楦的测量。
°
°
°
由表3可以看出, 该试验测量角度的抽样极限误差很小, 兜跟倾斜角的抽样极限误差为0.19, 跗围倾斜角为0.14, 跖围倾斜角0.16, 跗围扭转角0.12, 跖围扭转角为0.18。
(3) 总体测量角度范围分析
本试验分别选取了0.6 8 2 7、0.9545、0.9937三个置信度 (可靠程度) 进行了数据分析, 结合抽样极限误差, 最终得出表4结果。由表4可以看出, 置信度增大, 总体测量角度的范围增大。因此, 在鞋楦设计时, 可以根据工艺要求, 选择适当的测量范围。
3 结论
(1) 对于正常的适合穿23#鞋的脚型, 各围度数据有一中心值, 根据站坐姿两种姿势下的统计结果, 得出最佳测量角度:兜跟倾斜角为35.32°, 跗围倾斜角为45.58°, 跖围倾斜角为56.87°, 跗围扭转角为13.37°, 跖围扭转角为19.05°。由于测量总会出现抽样极限误差 (允许误差) , 因此本试验计算出了总体测量角度范围:由表4可以看出, 置信度为0.9937时, 兜跟倾斜角的测量范围为34.75~35.89, 跗围倾斜角的测量范围为45.16~46.00, 跖围倾斜角为56.39~57.35, 跗围扭转角为12.89~13.73, 跖围扭转角为18.51~19.59。
(2) 在进行鞋楦测量的时候, 只需要选取一个关键点, 再结合角度数据, 就可以确定两条直线, 从而确定一个截面, 测量出各部位的围长。该方法可以方便快捷地测出兜跟围、跗围、跖围的长度。
(3) 在鞋楦设计中, 可以根据工艺要求, 选择合适的置信度, 以确定测量的角度范围, 从而能够准确而便捷的获得需要的数据, 把握鞋楦的基本框架, 最终快速设计出符合人机工学的鞋楦。
参考文献
[1]王修行, 赖军, 秦蕾, 等.三维脚型测量技术及方法研究[J].中国个体防护装备, 2008 (5) :7-10
[2]陈国学.鞋楦设计[M].北京:中国轻工业出版社, 2005:6
房地产测绘中角度测量研究 篇6
1 角度测量
水平角是指相交的两条直线在同一水平面上的投影所夹角度, 或指分别过两条直线所作的竖直面间所夹的二面角。水平角一般用β表示, 角值范围为0°~360°。在同一竖直面内, 目标方向线和水平线之间的夹角称为竖直角或称垂直角 (又称垂角或高度角) 。其大小为0°~±90°。经纬仪是用于测量水平角和竖直角的仪器, 它主要由一个水平度盘、一个竖直度盘以及照准装置和对中装置组成。
2 光学经纬仪及使用
经纬仪是测量角度的仪器。经纬仪的种类很多, 分光学经纬仪和电子经纬仪两大类。目前, 在一般的土木工程测量中使用较多的是光学经纬仪, 在工程上最常用的是DJ6光学经纬仪。DJ6光学经纬仪属于普通经纬仪。经纬仪一般都包括照准部、水平度盘和基座三大部分。
基座主要有轴座、脚螺旋和连接板。转动脚螺旋可使照准部上的水准气泡居中, 从而使竖轴铅直, 水平度盘水平。将三角架头上的连接螺旋旋进基座连接板, 仪器与三角架就可固定连在一起照准部的构件最多, 主要有望远镜、读数设备、竖直度盆、水准器和竖轴。照准部的旋转轴即为仪器的纵轴, 照准部在水平方向转动, 瞄准目标时, 由水平制动螺旋和水平微动螺旋来控制。望远镜用来照准远处的观测目标, 望过镜旋转的铀为横袖。瞄准目标时, 由望远镜制动螺旋和望远镜微动螺旋来控制。由于望远镜在竖直平面内转动, 所以又称为垂直制动螺旋和垂直微动螺旋。经纬仪的水平度盘和垂直度盘由光学玻璃制成。经纬仪的使用包括对中、整平、瞄准和读数等几个步骤。
2.1 经纬仪的对中
对中的目的是要把经纬仪的纵轴安置在测站点所在的铅垂线上, 并同时保持水平度盘的水平。其大致方法是:按观测者的身高调整好三脚架腿的长度, 张开三角架, 特三角安放在测站点上, 使三条腿的张度适巾, 成120°, 架头大致水平, 此时从仪器箱中取出经纬仪放在架头上, 一手握住仪器, 另一手将三角架的连接螺旋旋入基座底板, 并旋紧连接螺旋。对中的方法有两种, 即垂球对中和光学对中器对中。
2.2 经纬仪的整平
整平的目的是使经纬仪的纵轴铅垂, 从而使水平度盘和横轴处于水平位置, 垂直废盘位于铅垂面内。整平的方法是:首先松开水平制动螺旋, 转动照准部, 使长水准管与任意两个脚螺旋大致平行。两手以相反方向旋转两个脚螺旋, 使水准管气泡居中。然后将照准部平转90°使水准管垂直脚螺旋的连线, 旋转脚螺旋, 并使水准管气泡居中。以上操作重复进行, 直到气泡在任何位置都居中。
2.3 观测目标的瞄准
在进行观测前, 首先松开望远镜制动螺旋和照准部制动螺旋, 将望远镜对向明亮的背景 (如天空) , 调节目镜调焦螺旋, 使十字丝分划板成保员清晰。用望远镜瞄准目标的一般方法是:松开望远镜和照准部制动螺旋, 通过望远镜筒上面的瞄准器, 旋转照准部和望远镜粗略瞄准目标, 并使目标的成像位于十字丝附近, 然后旋紧制动螺旋。调节物镜调焦螺旋, 使目标成伤十分清晰, 旋转照准部和望远镜微动螺旋, 将十字丝对准目标的适当位置。
3 水平角观测误差分析
水平角观测误差的主要来源有仪器误差、观测误差以及外界条件影响带来的误差。下面分别加以分析。
3.1 仪器误差
仪器误差的来源有两方面:一方面是仪器检校不完善所引起的, 如视准轴不垂直于横轴, 以及横轴不垂直于竖轴等;另一方面是由于仪器制造加工不完善所引起的, 如度盘偏心差、度盘刻画误差等。
1) 视准轴不垂直于横轴的误差:尽管仪器进行了检校, 但校正不可能绝对完善, 总是存在一定的残余误差。在观测过程中, 通过盘左、盘有两个位置观测取平均值, 可以消除此项误差的影响。2) 横轴不垂直于竖轴的误差:与视准轴不垂直于横轴的误差一样, 横轴不垂直于竖轴的误差通过盘左、盘有两个位置观测取平均值, 可以消除此项误差的影响。3) 竖轴倾斜误差:由于水准管应垂直于仪器竖轴的校正不完善而引起竖轴倾斜误差。此项误差不能用盘左、盘右两个位置观测取平均值的方法来消除。这种残余误差的影响与视线竖直角的正切成正比。因此, 在山区进行测量时, 要特别注意水准管轴垂直于竖轴的检校。在观测过程中, 应特别注意仪器的整平。4) 度盘偏心差:由于水平度盘的刻画中心与仪器照准部的旋转中心不重合而产生的照准部偏心误差称为度盘偏心差。采用对径方向两读数的平均值方法可以消除此项误差的影响。对于单指标读数的仪器, 可通过盘左、盘右取平均值来消除此项误差的影响。5) 度盘刻画误差:度盘的刻画或多或少存在误差。在观测水平角时, 采用各测回间变动度盘起始位置的办法来消除或削弱其影响。
3.2 观察误差
观察误差主要包括仪器对中误差、目标偏心误差、仪器整平误差、照准误差和读数误差等。水平角观测时必须保持水平度盘水平、竖盘垂直。若气泡不居中, 导致竖轴倾斜而引起的角度误差, 不能通过改变观测方法来消除。因此, 在观测过程中, 应特别注意仪器的整平。在同一测回内, 若气泡偏离超过2格, 应重新整平仪器, 并重新观测该测回。
照准误差除取决于望远镜的放大率以外, 还与人眼的分辨能力, 目标的形状、颜色、大小、亮度和清晰度等有关。因此, 在水平角观测时, 除适当选样经纬仪外, 还应尽量选择适宜的标志、有利的气候条件和观测时间, 以削弱照准误差的影响。
读数误差与仪器的读数设备及人的因素有关。对DJ6光学经纬仪来说, 估读误差一般不超过分划值 (1`) 的十分之一, 即土6″。如果照明情况水佳, 读数显微镜目镜末调好, 以及读数不熟练, 则估读的极限误差也可能会增大。
3.3 外界条件影响带来的误差
外界环境的影响比较复杂, 一般难以由人力来控制。大风可使仪器和标杆不稳定, 雾气会使目标成像模糊;松软的土质会影响仪器的稳定;烈日暴晒可使三脚架发生扭转, 影响仪器的整平;温度变化会引起视准轴依置变化;大气折光变化致使视线发生偏折等。这些都会给角度测量带来误差。因此, 应选择有利的观测条件, 尽量避免不利因素对角度测量的影响。
参考文献
[1]吴天全, 史宏军.房地产测绘发展浅析[J].科技信息 (科学教研) , 2007.
装载机线控转向角度测量控制研究 篇7
线控转向系统指通过微电子技术连接并控制转向系统的各个元件来代替传统的机械或液压连接。用传感器记录驾驶者的转向数据, 然后通过数据线将信号传递给车上的微计算机, 计算机综合这些和其它信号做出判断后, 再控制车辆的转向角度, 实现了方向盘与转向执行部分之间的无机械和液压连接的线控转向。工程应用中, 控转向系统可以根据不同的工况来调节方向盘的转动圈数, 分为行走模式和作业模式, 这样就能在很大程度上降低劳动者工作强度。紧急情况下, 为避免驾驶者的错误判断, 这个系统还会忽略驾驶者的转向输入, 平稳地将车保持在最安全的状态[1]。
装载机作为一种装卸成堆散料和进行轻度挖掘的专用工程机械, 已被广泛应用到建筑工地、矿山、港口、仓库、料场等国民经济的各个方面, 成为现代化建设的重要装备[2]。转向系统是决定工程车辆安全性和作业效率的关键总成。轮式装载机为实现良好的转弯性能多采用销轴铰接形式, 该车辆的车架由前后两段车架组成, 前、后车架采用销轴铰接联接, 并由油缸使前后车架保持或改变相对夹角而使车辆以不同的弯道行驶半径在地面运行[3]。
随着应用场合工况要求的提高和现代技术的发展, 车辆转向系统的性能需要进一步提高, 解决原有的转向系统中存在着灵敏度不可调节、没有路感等问题, 为提高转向性能, 科技工作者致力于研究线控转向技术。由于取消了方向盘和转向轮之间的机械连接, 完全摆脱了传统转向系统的各种限制, 因此使车辆的设计、装配大为简化, 而且还可以自由设计车辆转向的力传递特性和角传递特性, 给车辆转向特性的设计带来无限的空间, 是车辆转向系统的重大革新[4]。
1 装载机线控转向系统的组成
线控转向系统通常由以下四部分组成, 具有力反馈的电子方向盘, 液压系统, 转向油缸及电控单元。系统组成如图1所示。线控转向系统以MCU为核心, 检测来自力反馈电机、方向盘转角传感器、压差传感器、车架转角传感器等的信号, 计算并得出相应的动作指令, 控制比例减压阀的位移, 进而控制流量放大阀的位移即改变液压缸的行程, 实现转向控制。
1.方向盘;2.力反馈电机;3.方向盘转角传感器;4.微控制器MCU;5.比例减压阀;6.溢流阀;7.控制泵;8.转向泵;9.油箱;10.流量放大阀;11.压差传感器;12.转向液压缸;13.车架转角传感器
2 装载机线控转向角度检测装置的设计
现有的技术方案是在转向油缸的两端跨接安装直线位移传感器, 通过测量转向油缸的伸缩量来间接测量车辆的转向角度, 然而所需的传感器长度很大, 转向油缸所处的位置低, 接近地面, 工作过程中传感器容易受到洒落奔跳的物料的冲击, 以致破坏。铰接车辆的前后车架铰接处装有球铰, 两者之间存在着复杂的相对转动, 若检测装置设计不合理, 易引起车辆转向角度测量误差, 导致转向控制失误, 故如何准确测得前后车架的相对转向角度成为线控转向系统研究中的关键问题。
(1) 角度检测装置的组成。本文设计的用于轮式装载机转向角度检测装置, 能够准确测得前后车架的相对转向角度, 即装载机转向角度, 且能够消除因前后车架发生相对扭转、俯仰而引起的转角误差, 检测铰接车架转向角度采用轴角编码器, 直接检测装载机转向角度数据更精确。将传统两个液压缸使用的压力传感器改为压差传感器, 不仅简化系统, 也为设计路感也提供了更精确的数据。设计的轮式装载机转向角度检测装置如图2与图3所示。
1.前车架;2.支架;3.小同步带轮轴;4.轴承端盖;5.小同步带轮;6.联轴器;7.车架角位移传感器;8.同步带;9.大同步带轮;10.大同步带轮轴;11.销轴压板;12.后车架;13.销轴
在图2和图3中, 销轴压板与销轴焊接固定联接, 销轴压板与后车架通过螺栓固定联接, 前车架与后车架由销轴铰接联接, 该装置主要由支架、小同步带轮轴、轴承端盖、小同步带轮、联轴器、轴角编码器、同步带、大同步带轮和大同步带轮轴构成;支架通过螺栓固定联接在前车架上, 小同步带轮轴通过轴承安装在支架的轴承座上, 小同步带轮通过键固定联接在小同步带轮轴上, 轴角编码器通过螺栓固定联接在支架的上端, 轴角编码器的输入轴通过联轴器与小同步带轮轴固定联接, 大同步带轮通过键固定联接在大同步带轮轴上, 所述大同步带轮轴与销轴同轴心线焊接固定联接, 同步带安装在小同步带轮和大同步带轮上。
轴承端盖通过螺栓固定安装在支架的轴承座上端。轴角编码器的轴心线与小同步带轮轴的轴心线同心安装。前车架与后车架由销轴铰接联接后, 前后车架保持零度角转向时, 划出一条垂直通过销轴13的轴心线的前后车架左右对称线O-O, 支架通过螺栓安装在使小同步带轮轴的轴心线垂直通过对称线O-O、并使小同步带轮轴的轴心线与销轴的轴心线平行的位置处。小同步带轮与大同步带轮安装于同一平面上。
(2) 角度检测装置的角度检测原理。当轮式装载机转向时, 在转向油缸的推动下, 前车架与后车架之间会相对转过一定角度, 由于大同步带轮与后车架固定联接, 故同步带会带动小同步带轮转过一定角度, 从而使与小同步带轮轴3联接的转角传感器转过相应角度, 产生电信号输出, 根据同步带轮间的传动比得到前后车架的相对转向角度。当前车架与后车架发生相对扭转、俯仰时, 柔性的同步带发生轻微扭动, 避免了因前车架与后车架相对扭转、俯仰而引起的小同步带轮的附加转动带来的附加转角误差, 从而实现准确测量轮式装载机转向角度的目的。
3 装载机线控转向工作原理
本文对线控转向进行了创新设计, 优化了角度检测, 并且采纳一个压差传感器取代原有两个压力传感器。设计的线控转向系统工作原理如图4所示。
当驾驶员转动方向盘时, 方向盘轴角编码器检测方向盘的转角信号, 同时车架轴角编码器检测装载机转向角度信号, 这两个信号同时送到MCU, MCU对方向盘转角信号与装载机转向角信号进行比较, 如果差值不为零, 则根据差值的大小及符号输出控制指令, 经过功率放大后驱动比例减压阀输出相应的控制压力, 控制流量放大阀主阀芯的位移, 从而使车辆实现转向;如果差值为零, 则MCU输出给比例减减压阀的电流变为零, 此时控制压力也变为零, 流量放大阀主阀芯回到中位, 车辆停止转向。
在转向系中安装有压差传感器, 当转向或在崎岖不平的路面上行驶时, 系统压力变化, 压差传感器将压差信号转换为电信号送到MCU, 经过计算后向电子方向盘系统提供反馈力矩信号, 以使驾驶员能感受到合适的路感。
4 结论
本文对装载机线控转向原理与结构进行了创新设计, 采用直接检测装载机转向角度信号的设计方案, 该装置为装载机提供了一种切实可行的装载机转向角度检测功能。转向角度检测装置采用同步带结构, 避免了因前车架与后车架相对扭转、俯仰而引起的小同步带轮的附加转动带来的附加转角误差, 并且能够承受部分来自外界的扰动, 从而实现了准确测量轮式装载机转向角度的目的。优化精简液压缸压力检测, 为线控转向的路感提供了更为精确的数据, 使装载机线控转向的性能进一步提升。在工程车辆的实际运用中, 线控转向可设置作业模式和行走模式, 极大解放了人力, 是车辆智能化的重要方向。线控转向技术必然会在工程车辆中得到广泛的应用。
参考文献
[1]王同健.线控转向技术在装载机上的应用[D].长春:吉林大学, 2006.
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[3]田晋跃.工程机械电子转向技术[J].工程机械与维修, 2002 (l) .
多角度测量 篇8
以航天测量船为例[4,5,6],一方面,船体结构会随着时间的推移而老化,产生长期的结构变形;另一方面,船舶在海上工作时,在风浪冲击、船载负荷、机械振动、温度变化等因素的作用下,船体将会产生随机角度变形。而由于系统的配置或功能方面的特殊要求,船上的测量设备或基准设备往往分散于不同位置。如果船载外测设备直接使用惯性导航系统输出的航姿信息参数,将会给测量设备的精度带来影响。要提高设备的测量精度,就需要对船体不同位置间三维角度变形进行实时测量与校正。
目前角度测量中应用最多的是各类传感器,如电位式角度传感器、电阻应变式角度传感器、光栅式角度传感器、磁栅式角度传感器、感应同步器和码盘式角度传感器等。尤其是光栅式角度传感器,具有很高的平面内单点测量精度,可数字化并能够动态测量。当角度信息沿其矢量方向在不同的平面间传递时,传感器测量也能达到较高的精度,但其传递距离较小,要通过刚性连接进行角度信息的传递,传递精度受连接件精度特性、稳定性等因素的限制[7,8]。
在测量行程较大时(基准点与被测点较远),采用这些设备沿角度矢量方向进行高精度的方位信息传递或测量的实现成本和难度大大增加,因而其应用受到限制。在这种情况下,考虑到大型结构角度变形测量的两方面特点:一是分布距离较远,二是三维实时测量,使用光学方法具有相对优势[9,10]。
1 俯仰角与偏摆角测量方法
1.1 自准直法
基准点与被测点间的角度变形可分为俯仰、偏摆以及绕连轴的扭转。自准直法作为目前最常见的光学小角度测量方法之一,可用于俯仰和偏摆变形的测量,其原理如图1所示。
反射镜作为敏感元件置于被测点,其余部分安装在基准点,工作时光源经聚光镜均匀照亮位于物镜焦平面上的十字分划板,经由物镜,出射平行光束,遇到反射镜,平行光束返回由物镜汇聚,成像于焦平面上。当被测的反射镜偏转一定角度α时,十字回像会移动相应的距离t
当α很小时,有: α= 2f/t(2)
利用光电传感器实现十字像线位移的高精度、自动化测量,通过信号处理系统对输出信号进行处理,就可以实时检测一维或二维的微小角度变化[11]。
自准直仪作为一种成熟的小角度测量仪器,可实现实时的非接触式测量,较为适合大型结构的测量,但仍有若干问题需要解决。
(1)工作距离受限,原因如下:
若物镜口径为d,则工作距离L与测量范围α间互相约束,表达式如下
但由于大型结构的角度变形一般较小,对测量范围要求不高,因此主要限制工作距离的因素仍在于远距测量时能量衰减严重,光电传感器所接收到的像对比度下降。而激光光源的使用很好地解决了这个问题[12]。自准直光管工作距离和测量范围的关系见图2。
近些年,国外已经研制出了高性能的激光自准直仪。其中美国Newport公司的LDS-Vector型激光自准直仪较有代表性,其性能指标如表1所示。相对于传统白光自准直仪而言,该激光自准直仪在动态特性和测量距离方面得到了很大的突破,能实现2 k Hz的工作频率,最远工作距离可达20 m。
(2)除工作距离受限外,自准直法应用于大型结构变形测量的限制在于无法测量扭转角,不能同时进行三维角度的测量,因此需要与其他扭转角测量方法结合。
1.2 其他方法
双频激光干涉法[13]是根据激光多普勒原理,测量两束互相平行的激光光程变化量之差,与两激光束的距离之比,即可得到动态角度值。
光学内反射法[14]是指光从光密介质传到光疏介质时,在临界角附近随光的入射角的微小变化,光的反射率发生急剧变化,因此可以通过检测光的反射率从而检测角度的变化量。
这类方法的共同点在于测量精度很高,但工作距离短,而且对环境要求苛刻,通常用作实验室定标设备,难以在工程实践中推广。
2 扭转角测量方法
2.1 偏振光法
偏振光能量法是美国在20世纪60年代提出并应用于船体变形测量的,在船体惯导基座上安装一台偏振计,实际上是一种自准直发射接收机,在雷达基座上安装一块带有极化元件的平面反射镜,平面反射镜的法线与偏振计法线平行。发射接收机发出一束平行光经平面反射镜反射回来变成偏振光,偏振计带有检偏器,能检测出平面反射镜上起偏器的角度位移变化。若船体无横扭变形,则偏振计接收的光通量是一个固定值;若船体产生横扭形变,则偏振计接收的光通量发生相应的变化[15],表达式如下
由于光电探测器的漂移、放大电路的误差等因素影响,采用这种光强检测方式进行方位信息传递,精度最高仅能达到角分级,距离实际应用要求相差较远[11]。提高偏振光方位信息传递精度的一个有效途径就是对偏振光进行调制,将要传递的偏振光矢量信号转换为偏振态随时间的变化信号。最常见的方法是利用法拉第磁光效应对一束线偏振光进行调制,其光矢量偏振方向会随磁场变化发生旋转摆动为
检偏器与起偏器的透光轴间有一个小角度α0(α0<<1)不垂直度时,透过检偏器的光强为
在小角度范围内,基频信号分量强度是偏差角α0的一次函数,理论上可以在小角度范围内进行小角度的测量。通过选频放大、相关双采样、相关函数法等多种途径能够精确测定基频信号分量,所以,采用偏振光磁光调制技术可以得到很高的角度信息传递精度。
西安光机所基于该原理设计了三维姿态同步系统[16],由两个部分构成,分别是偏振光信号发送单元(polarized light signal generator)和三维姿态误差检测单元 (tridimensional azimuth error processingunit)。偏振光信号发送单元发出一束偏振平行光,平行光经过磁光调制器进行调制。三维姿态误差检测单元中的前端是镀膜偏振分光棱镜,正常同步到位后,分光棱镜透光轴与偏振光信号发送单元的偏振棱镜透光轴正交。信号检测单元的偏振分光棱镜右侧是二维自准直测角部件,由光学元件和面阵CCD及其电路组成;下部是偏振调制信息检测单元,由一组能量汇聚透镜和一个光电二极管构成。二维自准直测角部件完成两个功能单元之间绕X轴和Y轴的失调角度差。绕Z轴的失调角,通过光电二极管解调出的信号进行检测,其基本原理也与前面的论述相同。磁光调制三维姿态同步系统如图3所示。
研究表明,该方法实验室测量重复精度优于1″,同时设计了实用系统,能够满足户外多种复杂条件,其传递精度也达到了5″,传递距离达到12 m以上,系统工作不需要预热。此测量方法精度很高,工作距离远,但设备昂贵,控制分析处理电路复杂,距离普及使用仍有一段距离。
2.2 莫尔条纹法
莫尔条纹的产生如图4所示。
当光束经过具有一定夹角的两个光栅时,会产生明暗相间的干涉条纹,即莫尔条纹。条纹宽度与夹角具有特定的关系如下
其中,d1、d2为光栅常数;ζ为栅间夹角。
基于莫尔条纹的角度测量系统如图5所示。结构与光电自准直仪相似,区别在于在平面反射镜和光电探测器前加装二维光栅。当靶镜绕x轴扭转时,扭转角即为光栅间夹角的变化量[17],所以有
式中,w1和w2分别是扭转前后莫尔条纹的宽度;d是光栅常数。
同时根据自准直原理,通过条纹横向位移l1和纵向位移l2的可以测得俯仰角α和偏摆角β分别如下
式中,f为物镜焦距。
长春光机所试制了基于莫尔条纹和自准直原理的三维角度变形测量样机[18],其中扭转角测量分辨率达到0.2″,综合误差在1.5″内,工作距离2 m。由于光源功率、光学系统透过率、光束发散等因素的限制,样机的工作距离有限。
1.激光二极管;2.光栏;3.棱镜;4.物镜;5.主光栅;6.可调反射镜;7.示值光栅;8.电荷耦合器件(CCD)
2.3 光源靶标法
光源靶标法测量方法的基本原理[19]是在外测设备基座上安装两个点光源,两个点光源为刚性连接;在惯性导航系统基座上对应位置安装两个面阵CCD探测器件,两个面阵CCD也采用刚性连接;分别测量两个点光源在面阵CCD上的成像位置,通过位置的相对变化和两个点光源之间的距离可以计算出扭转角变化的大小。
在此基础上,有如下改进[20]:使用分光器件来减少光源数量;使用角锥棱镜作为目标,避免了远端的分析处理线路,使系统集成化。改进的测量系统如图6所示。
如图6所示,角锥A和角锥B刚性连接,绕轴上一点O扭转θ角后到达位置A’B’。该结构将绕z轴的扭转转化成角锥棱镜在XOY平面上的位移为
当光线经过角锥反射时,出射光线的位置变化与角锥棱镜的位移量之间存在线性关系,并且对其移动量有两倍的放大作用。根据此特性,把角锥棱镜作为位置敏感元件进行直线度测量可使测量精度提高一倍。所以CCD1和CCD2上像点的位移之和为
则扭转角为
此方法原理简单,精度较高,但为了保证精度需要测量元件横向跨距较大,难以做到小型化。此外,在探测器面积一定的情况下,分辨率与测量范围互相约束,难以同时获得理想值。
2.4 像形畸变法
传统自准直仪采用平面镜作为目标只能测量俯仰角和偏摆角,若采用特殊棱镜作为合作目标则可以达到 同时测量 三维角度 的目的。 俄罗斯Saint-Petersburg国家研究大学信息技术、力学和光学中心的Igor A Konyakhi等人在为大型毫米波级射电望远镜设计三维角度变形测量系统(如图7所示)时即采用了这种方法[21]。毫米波射电望远镜主轴三维角度变形测量系统参数见表2。
系统基本结构与自准直仪一致,区别在于使用方孔光阑替代十字分划板,并使用特殊的组合棱镜作为目标。两种特殊棱镜如图8所示。变形棱镜由两块同样的楔形棱镜组成,可以对光束进行一维方向上的缩放;四面体反射镜具有类似角锥的后向反射特性,但在反射的同时会使光束绕光轴方向扭转90°。
光束变形原理如图9所示。经过光阑后光束轮廓呈方形,当方形光束正向通过变形棱镜(变形系数为A)时,在y方向放大A倍,经过特殊四面体反棱镜反射,光束绕z轴扭转90o,此时光束x方向宽度为y方向宽度的A倍,然后逆向经过变形棱镜,在y轴方向被压缩至1/A,最后被CCD探测器接收。
当目标端,即变形棱镜与四面体反射镜,随待测物一起扭转时,如图9所示,CCD接收到的光斑形状也会随之改变,由此可以测得扭转角。图10是缩放系数A=2时扭转角与CCD测得光斑形状关系图。图像采集后处理算法较多,可以基于顶点位置/或是边的斜率/或是边长比例,各方法复杂程度不一,结果精度也有所不同,这里不再赘述[21,22,23]。
该方法的优势在于与传统自准直测角完美地结合到一起,通过像的位置测量俯仰角和偏摆角,通过像的形状测量扭转角,系统结构简单,工作距离远,测量范围大。不足之处在于扭转角测量精度不高,通过使用更大倍率的变形棱镜和图像的细分处理可以达到更好的效果。
3 其他三维角度测量方法
上述方法都是与自准直法相结合才能达到三维实时测角的目的,但也有的方法可以直接获取三维角度数据。
摄影/摄像测量法是研究利用摄像机、照相机等对动态、静态景物或物体进行拍摄得到序列或单帧数字图像,再应用数字图像处理分析等技术结合各种目标三维信息的求解和分析算法,对目标结构参数或运动参数进行测量和估计,具有非接触、高精度等特点,在风洞试验中机翼变形等测量得到了广泛应用[24]。然而,此方法是基于直线光路,在待测量的两个物体之间在空间上不能通视,或者两个物体与摄像机之间的视角、视场太大,或者摄像机安放在不稳定的平台上等条件下,对需要测量和监测这两个物体之间的三维位姿、变形的实际需求,传统的摄像测量原理和方法不能适用。
在此基础上,国防科技大学的于起峰院士等提出了像机链位姿传递摄像方法,使用多个像机和标志,通过链位的方式传递位置姿态参数,并将其应用在船体变形测量研究方面。船体变形像机链摄像测量原理图如图11所示。在2009年9月和10月进行了三次海上实验,获得了长时间、连续的船体位置和姿态等六维变形数据,变形角测量精度优于0.2’,验证了测量方法和测量系统的有效性、可靠性和实用性[25,26,27]。航行状态下姿态角变形测量数据统计结果见表3。部分光学测角方法及对比见表4。
4 结 论
根据大型结构角度变形测量的需要,简要地介绍了几种可用于实际工程场合的光学测角方法。其中,自准直法用于二维角度测量;偏振光法、光源靶标法、莫尔条纹法、像形畸变法用于扭转角测量;而像机链位姿传递法可同时测量三维角度。
这些方法都具有较远的工作距离,并可以实时测量,基本满足了需要。但综合考虑到精度、系统复杂程度和成本等因素,仍然没有一种解决方案是完美的。所以,一方面要根据实际使用中仍需要考虑到工程环境和精度要求,来选择合适的方法构建系统;另一方面,近年来随着小型激光光源的应用,大尺寸高分辨率光电传感器的普及,测量设备的性能指标都有了长足的进步,相信在不久的将来,这些设备会更加小型化、低成本、高性能。
摘要：根据工程实践中大型结构三维角度变形的产生原因和测量需要,对目前能实际应用到工程场合的光学小角度测量方法的研究现状进行了叙述和分析,着重介绍了自准直法,偏振光法、光源靶标法、莫尔条纹法、像形畸变法、摄影摄像测量法等,对比各方法的特点,探讨了光学三维角度变形测量技术面临的问题和未来的发展趋势。