第19卷第3期2011年3月
光学精密工程
OpticsandPrecisionEngineering
V01.19No.3
Mar.2011
文章编号1004—924X(2011)03—0598—07
俯仰角组合测量系统的设计
潘明华,文香稳,朱国力
(华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室,湖北武汉430074)
摘要:利用准直激光、单轴倾角仪和CCD摄像机建谚了一种俯仰角组合测量系统以提高俯仰角测量的精度和稳定性。首先,给出了俯仰角组合测量模型,基于坐标旋转算法和迭代方法研究了俯仰角的组合测量原理。然后,采用蒙特卡罗法对影响组合测量系统精度的各个因素进行了全局灵敏度分析。结果表明,与目前工程测量中普遍采用的倾角仪直接测量俯仰角法相比。组合测量法能够获得更高的测量精度和稳定性。利用高精度三轴转台进行的俯仰角测量实验表明:±8。测量范围内,组合测量法误差绝对值最大为0.3mrad,标准差为0.16mrad。理论分析和实验结果证明,提出的组合测量法有效地提高了俯仰角测量精度和稳定性,适合工程上的测量需要。关键词:俯仰角测量;CCD摄像机;组合测量;蒙特卡罗法
中图分类号:TB92;TP212.12
文献标识码:A
doi:10.3788/0PE.20111903.0598
Designof
combinationmeasurementsystem
forpitchingangles
PANMing—hua,WENXiang—wen,ZHUGuo-li
(StateKeyLaboratoryofDigital
Manufacturing
EquipmentandTechnology,
HuazhongUniversityofScience&Technology,Wuhan430074,China)
Abstract:Acombinationmeasurementsystemforpitchingangleswasputforwardbasedtedlaser,asingle—axisinclinatorand
a
ona
collima-
CCDcamera
to
improvetheprecisionandstabilityofmeasuring
pitchinganglesinengineering.Thecombinationmeasurementmodelwasintroducedanditscombina-tionmeasurementprinciplewasstudiedindetail
on
thebasisofthecoordinaterotationalgorithmand
theiterationmethod.Theglobalsensitiveanalysisofeachfactoraffectingthecombinationmeasure-mentwascarried
rect
out
byusingMonteCarlomethod.Obtainedresultsshowthatcomparedwiththedi-
an
measurementmethodwith
can
inclinatorwidelyusedinpitchinganglemeasuring
at
present,the
proposedmethodmentlute
on
a
obtainmuchhighermeasurementprecisionandstability.Ameasurementexperi—
three—axisturntablewasperformed,whichindicatesthatthemaximumabso—
are
highly
accurate
error
iS0.3mradandthestandarddeviationiS0.16mrad.Thesedata
betterthanthatfrom
thedirectmeasurementmethodwiththeinclinator,andmeettherequirementsoftheengineeringap-plications.
Keywords:pitchinganglemeasurement;CCDcamera;combinationmeasurement;MonteCarlomethod
收稿日期:2010—04—20;修订日期:2010-10—30.
基金项目:国家973重点基础研究发展规划资助项目(No.2007CB714005)
万方数据
第3期潘明华,等:俯仰角组合测量系统的设计
599
1
引言
目前许多大型工程机械都实现了自动控制,为确保自动控制的可靠性及施工的安全性,需要对其运动执行机构进行高精度的实时姿态测量,以实现有效的运动控制,但以光栅测角、激光干涉测角和激光自准直测角为代表的高精度(测量误天、军事和通讯等领域,系统结构复杂、测角量程动角大多采用双轴倾角传感器直接进行测量,但倾电荷耦合器件(CCD)具有响应速度快、灵敏能稳定、输出信号易于处理等优点。以准卣激光和CCD组合的光学测量法,近年来已经作为一种71。因此,本文利用准直激光、单轴倾角仪和CCD摄像机构建了俯仰角的组和利用高精度的三轴转台的模拟实验证明了组合测量模型
俯仰角的组合测量模型如图1所示,测量装置主要包括CCD摄像机和单轴倾角仪。由于任意平行光束透过凸透镜后会在凸透镜的焦平面七汇聚成一点,因此将CCD芯片调至摄像机镜头的焦平面上,从而使得激光器发射的准直激光经过镜头聚焦能在CCD芯片上形成一个近似圆形的光斑。准直激光的水平角和垂直角都可以由激光器直接测得。单轴倾角仪的测量轴与CCD表面的横坐标0X平行,用于实时测量运动物体绕自身轴线oy旋转的角度即滚动角a。如图2所示,万方数据
Inclinator
图l测量模型
Fig.1
Measurementmodel
图2滚角与俯仰角关系
Fig.2
Relation
betweenrollingangleandpitching
angle
值口7得到,因为它还与轴线OY相对水平面的夹角即俯仰角口相关,两角度关系如式(1)所示。
a=arcsin(!坚导).(1)
COS
p
为了描述准直激光的水平角、垂直角以及运动物体的姿态角,引入世界坐标系Ow—X。Y。Z。。另外,以CCD摄像机的镜头光心为原点、光轴为y轴建立固连在运动物体上的测量坐标系D时,可以认为运动物体的俯仰角口和滚动角口都为0;反之,运动物体所具有的俯仰角和滚动角可以看成是测量坐标系OXYZ先沿轴线OX旋转俯仰角变为DX7y727,再沿轴线oy旋转滚动角变为O-X”PZ,,所引起的,各个角度旋转的正方向如图3所示。假设此时激光矢量在CCD上形成的光斑坐标为(∥,∥),则其在测量坐标系O-X”矿,Z”中可以表示为(∥,f,∥),将之归一化为彤,
即:
彤。万丽1[∥f朔’‘2’
式(2)及以下各式中的/均表示CCD摄像机镜头
的焦距。
差<1”)测角装置主要应用于精密加工、航空航小,抗干扰性差,不适用于工程机械的姿态测量领域。在工程机械的姿态角测量研究中,俯仰角及滚角传感器输出信号具有明硅的非线性特性,其受环境因素(如温度、振动等)的影响会发生漂移,稳定性较差。近年来,研究人员通过曲面拟合、神经网络等补偿算法来提高倾角传感器的精度,取得了一定效果,但精度和稳定性仍不够理想。
度高、动态范围大、工作电压低、抗冲击与震动、性快速、有效的非接触测量手段,在各种角度测量系统中得到了广泛应用f1合测量系统,并基于蒙特卡罗法L8‘12’的误差分析测量方法的可行性和有效性。
XYZ。当测量坐标系和世界坐标系的方向一致2组合测量方法
2.1
滚动角口不能直接通过倾角仪测量轴0X的测量
600
光学精密工程
第19卷
z丝XX
z蹩
XⅪ1
图3测量坐标系的旋转
Fig.3
Rotationofmeasurementcoordinatesystem
2.2测量原理
为测得俯仰角,首先将测量坐标系oX”矿Z,,
图4俯仰角的组合测量示意图
Fig.4
Schematicdiagramofcombinationmeasure—mentforpitchingangle
沿轴线。矿旋转,使其回到oX7y727。如图4所示。假设此时的光斑坐标变为(U7,可7),则激光矢
量在O-X7y727坐标系中的单位矢量R7可由式(3)
求得。
∥2万斋h7,∥,]一
-COs
a
O—sina]
Jr×1
0
10
I,
(3)
lsin口
o
cos口J
由式(3)进一步可以求出光斑坐标(“7,口7)为
{fUt2u"cos口+v"sin口
,
,,.
.
(4)
l口一一U
sin口TVCOS口
在图4中,&表示准直激光的垂直角,由几何
万方数据
关系不难求得其在oVz屉铷c!;in(sin位×呸罂,(5)
7平面上的投影角岛为
~1弋飞
则最终可获得俯仰角口为
J9一位--arctan(乡)一
arcs¨sin展×丽名要黯,一
arctan(一u"sln
a-'Pv'cos
a).
(6)
j
综上所述,通过测量准直激光在CCD上形成
的光斑坐标(∥,∥)并结合准直激光的垂直角度和单轴倾角仪测得的滚动角a,就可以通过快速运算实时地求出运动物体的俯仰角口。
不过,由式(1)可知,滚动角口与俯仰角口相关,且俯仰角此时未知。为了获得足够精度的滚动角和俯仰角,较为理想的方法是采用迭代方法来求取近似解。具体过程如下:首先假设俯仰角p的初始值卢。为0,则由式(1)可推出滚动角的初始值为单轴倾角仪的测量输出值口7,进而由式(6)可求取一次迭代的俯仰角岛;将向代入式(1)中,则又可得到一次迭代的滚动角口t;将口,代入式(6)中求取二次迭代的俯仰角岛。若两次迭代的俯仰角之差的绝对值小于绝对误差限£,则结束迭代求解,否则,继续迭代。整个迭代算法的流程如图5所示。
图5俯仰角的迭代算法流程图
Fig.5
Flowchartofiterativealgorithmforpitehingangle
为了证明迭代算法的收敛性,首先将式(1)代
人式(6)中,以求得俯仰角的迭代关系式。如式(7)
所示。
∥汁”=9(∥。),i=0,1,…,
(7)
第3期
潘明华,等:俯仰角组合测量系统的设计
60l
当单轴倾角仪的测量输出值口7、准直激光的垂直角&以及光斑坐标“”和口”的变化范围分别是±15。,±5。,±800像素和士600像素时,对俯仰角在士8。范围内的任意值,可以得到迭代函数声(・)的导数的绝对值远远小于1,即
I妒7(卢)l《1,Vp∈[一8。,8。].
(8)
由此证明了迭代法∥计1’=妒(∥订)对任意初始俯仰角∥∞∈[一8。,8。]均收敛且收敛速度很快。3
误差分析
由俯仰角的组合测量原理可知,准直激光的
垂直角像、CCD摄像机的焦距,、光斑坐标∥和u”以及滚动角口的误差对俯仰角口的测量都有影响。由于滚动角口是采用单轴倾角仪直接测量的,而且俯仰角的误差对滚动角的影响很小,因此可以认为滚动角的误差仅与单轴倾角仪相关。为了获得组合测量方法的综合误差△。首先基于蒙特卡罗法对各因素进行了全局灵敏度分析,结果分别如图6~图9所示。
Absolute
error
ofinclinometer/mrad
图6倾角仪(滚动角的变化范围为±15。)的灵敏度
分析
Fig.6
Sensitiveanalysisofinelinatorandrollingan—
glewith
range
from一15。tO15。
图6表明假设倾角仪的测量误差为l
mrad,
当直接用来测量俯仰角时,则俯仰角也会具有1mrad的误差;而采用组合测量方法后,1mrad的倾角仪误差最终对俯仰角测量的影响不超过0.2mrad。因此,组合测量方法非常有效地减轻了倾角仪的测量误差对俯仰角的影响。
另外,从图7~9可以看出,组合测量方法中准直激光的垂直角位、CCD摄像机的焦距厂、光
万方数据
Absolute
error
ofverticalangleoflaser/(”)
图7激光垂直角(变化范围为士5。)的灵敏度分析
Fig.7
Sensitiveanalysisoflaserverticalanglewith
range
from一5。to5。
Absolute
error
offocal
len.gth/pixel
图8焦距的灵敏度分析
Fig.8
Sensitiveanalysisoffocallength
口芒
{
盖
磊罂
专
甚弓
呈
Q
害夏乏
Absoluteerrorofspot
coordinate/pixels
图9光斑坐标(∥。∥的变化范围分别为土800和士
600像素)的灵敏度分析
Fig.9
Sensitiveanalysisoflight
spot
coordinates
(Variation
ranges
of叠anddare±800and
±600pixels。respectively)
斑坐标∥和u”的误差对俯仰角测营的影响也很小,而且由于是光学测量,因此长期工作稳定性很高。假设各误差是相互独立的且服从均匀分布,
光。1产1;l}{瞥I。群
≈l9巷
则越过式(9)埘择十谨篮进行合成.监终能够得到组☆测量^法的综台沉差水超垃(】3
mead。
△一√∑群-
(9)
式(9)中^表示并个影响闻索n奠误差范刖山对
俯仰角测量造成的蛙大洪置值。
4实验分析
为了进一步骑证鲥舟测II}疗防的可行性和冉嫂件,利片I高精度的=轴转行进行了远神物体懈仲角的测量丈骑.包括采…倾珀仪J。i接洲恃奠|睁和娃于组合测量^法的{111址实骑,3KIf)j6j删一轴转台枷削lo所,J:.娃术参数为内外杜的倾角叫转谨靛=r,中杜的倾m川转误差=5”.t}-山
枢的轴线乖自窟d-5”.r{,外骶的轴线晕…g』r.
、;一
£"wⅡph女1鸣an∞mⅢ砷
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02Ⅲra‘¨
万方数据
“;目l!Ⅲ台■世*∞∞∞mlR《"☆fⅨ##m#:
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6…dj
Fig】z
r’”,rdisl
r‰lion
c…11c……P…cth口J
nf
pitchi“g
angle…s
ur“b、一1h;11a1I(…Ⅲld4rl【‘10vl^¨ⅢIuf
crro
r:c1
I6|llfdd)
m倪氍渊节辅懂!17。
轴转台可以使馕动角n
±Ir,俯仲角扯±8。内变化。通过比较测站值与二轴转台的标定角度fA.分别得到r如俐】l和围
I
2所日i的谋摹分布吲町“看出.与采川倾角仪
A接洲量法相比,组合测量方法明监提高r俯fCO角怕删黯精』变,此得俯仰角_『『=}r变化时“误篮
的绝对幢小越过0#…tj.误差标准置也从n甜
m¨‘j降低刮r
O
16…d。
4:文提出r种基了二单捌l倾角仪手uCUD摄
像帆组合的俯仰角测量方法。通过jjl|l量噬I‘L激光在CCI)上J6成的光斑坐如、J}:结合滚动期和准直激光的垂直角参数.采川选ft方法iir以决逋地术
出琏动物怵的蚺仲角.同时还可“对滚动角进{7进一步枝止。虽然滚动角是川竹轴倾角仪直接测请的.但基j紫特卡罗法的误差理论分析已证‘月
倾角仅的删壁拱差时最终俯仲角删姑的影响很小。宴骑也证叫r盟l台测鞋7『法的精J旦同倾角仪直接测量法相比从¨8mr:ld提高到r
0
l
mr“I,业为重萤的址.}I【台测蟹方让融^r光学测时技术.刷此抗环境l扰能力强、K期『.作稳定性,琏扁可以满足J.样fJ【械施l叫,矗动测量的璺求。
第3期
潘明华,等:俯仰角组合测量系统的设计
603
参考文献:
[1]
KIRKPATRIcKSJ,DUNCAND【).Noncontact
microstrain
measurementsinorthodonticwires[J].
JournalofBiomedicalMaterialsResearch。1995,
29(11):1437—1442.
[2]
I,IUD,WANGF,CENKF,eta1..Noncontact
temperaturemeasurementbymeansofCCDtamer-
as
in
a
participating
medium[J].Optics
Letters,
2008,33(5):422-424.
[3]TANGW
SH,LIQH,TANQCH,eta1..A
newmethodof
noncontact
measurementof
the
plane
parameters[C].2009
IEEE
International
Conference
on
Mechatronics
andAutomation.445
HoesLane-P.o.Box
1331,Piscataway。NJ08855—133
l,‰ited
States:IEEEComputerSoci—ety,2009:2554—2559.
[4]郝鹏飞。张新军,董志国,等.基于面阵CCD的高精度测量技术及应用[J].天津大学学报,2008,
41(12):1443—1447.HAOPF,ZHANGX
J,DONGZHG,etal..Ar—
ea
CCD--basedhighaccuracy
measurementtechnol—
ogy
andits
application[J].JournalofTianjin
U-
niversity,2008,41(12):1443—1447.(inChinese)[5]李瑁.姚进,任违.天平校准系统中位置姿态非接
触式测量与计算方法[J].四川大学学报(工程科
学版),2003,35(3):90-92.
I。1
J,YAoJ,RENW.Non—contactedmeasure
tOconfirmthebalance’Spositioninadjustmentofbal-
ante[J].Journalof
Sichuan
University(Engi-
neeringScienceEdition),2003・35(3):90—92.(inChinese)
[63李慧鹏,王军。张军,等.一种新型非接触式线径测
量系统[J].仪器仪表学报,2004,25(4):209—211.
LIH
P,WANGJ,ZHANGJ,以口Z..Anovel
noncontact
measurmentsystemforthediameterof
wires[J].ChineseJournalofScientific
lnstru—
ment,2004,25(4):209—211.(inChinese)
万方数据
[7]
艾莉莉。袁峰。丁振良.应用线阵CCD的空间目标外姿态测量系统[J].光学精密工程,2008,16
(1):161-165.
AlLL,YUANF,DINGZHL.Anexterioratti—tudemeasurementsystemforspatialobjectbased
on
linear
CCD[J].Opt.Precision
Eng.,2008,16
(1):161一165.(inChinese)
[8]
SRIKANTAM,NEILD,RUSKAUFFG.Global
sensitivity
analysis
techniques
for
probabilistic
groundwatermodelingEJ].GroundWater,2009,
47(5):730—747.
[9]STEFANO
C,LOVATOT,RATTO
M.Global
an-
certaintyandsensitivityanalysisofa
food-webbio-
accumulation
model[J].Environmental
Toxicolo-
gY
andChemistry,2009,28(4):718—732.
[10-]邓兆祥,颜长征.基于蒙特卡罗法的摩托车车架灵敏度分析[J].重庆大学学报,2008,31(10):1113—
1117.
DENGZHX。YANCHZH.Sensitivityanalysis
Of
a
motorcycle
frameusingtheMonteCarlometh—
od[J].Journalof
ChongqingUniversity,2008,
3l(10):1113一1117.(inCHinese)
[11]于德介。李睿.Sobol’法在非线性被动隔振体灵敏度分析中的应用研究[J].振动工程学报,2004,17
(2):200—213.
YUD
J。LIR.ApplicationofSobol’method
tO
sensitivityanalysisof
a
non—linearpassivevibration
isolators[J].Journalof
VibrationEngineering,
2004,17(2):200-213.(inChinese)
[12]陈刚。汪玉,毛为民,等.冲击载荷作用下舰艇管路
系统全局参数灵敏度分析[J].振动与冲击,2006,
26(3):45—48.CHEN
G。WANGY,MAoWM,以口Z..Global
parametersensitivityanalysisofshipboardpipingsystemsundershock
loads[J].Journalof
Vibra—
tio埠andShock。2006。26(3):45—48.(inChinese)
I、r)I
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微硅狭缝紫外可见光谱仪杂散光的产生与抑制
黎海文,郝鹏.吴一辉
中国科学硅k毒光学精密机械々特理研究所应用光学冒末重点实验室,吉特长毒l30033
介绍种r|行研制的璀Ti;搜硅彼缝的紫外_¨f她光I惜仪。埘峨兜J*仪杂艘兜的产生啄冈进行r分析训论r光潜仪的关键部件j垃矾缺缝的九线废、厚J笠‘-泉{拉光之问的燕累并埘按缝I‘L线虚,生的泉敞光进行耍验骑irE,钏对“向钔灿为J匕源紫外rⅡ见_】匕l*阪进行删埘时.紫外酃井能叶低.尔散光影响/”前的川题提…
种“I台滤光H法通过存^射摧缝和探删器In增加州乖朦光H相台.叮平新紫外可
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万方数据
俯仰角组合测量系统的设计
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
潘明华, 文香稳, 朱国力, PAN Ming-hua, WEN Xiang-wen, ZHU Guo-li华中科技大学,数字制造装备与技术国家重点实验室,湖北,武汉,430074光学精密工程
OPTICS AND PRECISION ENGINEERING2011,19(3)
参考文献(12条)
1. STEFANO C;LOVATO T;RATTO M Global uncertainty and sensitivity analysis of a food-webbioaccumulation model[外文期刊] 2009(04)
2. SRIKANTA M;NEIL D;RUSKAUFF G Global sensitivity analysis techniques for probabilistic ground watermodeling 2009(05)
3. 艾莉莉;袁峰;丁振良 应用线阵CCD 的空间目标外姿态测量系统[期刊论文]-光学精密工程 2008(01)4. 李慧鹏;王军;张军 一种新型非接触式线径测量系统[期刊论文]-仪器仪表学报 2004(04)
5. 李珺;姚进;任违 天平校准系统中位置姿态非接触式测量与计算方法[期刊论文]-四川大学学报(工程科学版)2003(03)
6. 郝鹏飞;张新军;董志国 基于面阵CCD的高精度测量技术及应用[期刊论文]-天津大学学报 2008(12)7. TANG W SH;LI Q H;TAN Q CH A new method of noncontact measurement of the plane parameters 20098. LIU D;WANG F;CEN K F Noncontact temperature measurement by means of CCD cameras in a participatingmedium [外文期刊] 2008(05)
9. 陈刚;汪玉;毛为民 冲击载荷作用下舰艇管路系统全局参数灵敏度分析[期刊论文]-振动与冲击 2006(03)10. 于德介;李睿 Sobol'法在非线性被动隔振体灵敏度分析中的应用研究[期刊论文]-振动工程学报 2004(02)11. 邓兆祥;颜长征 基于蒙特卡罗法的摩托车车架灵敏度分析[期刊论文]-重庆大学学报 2008(10)
12. KIRKPATRICK S J;DUNCAN D D Noncontact microstrain measurements in orthodontic wires 1995(11)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gxjmgc201103015.aspx
第19卷第3期2011年3月
光学精密工程
OpticsandPrecisionEngineering
V01.19No.3
Mar.2011
文章编号1004—924X(2011)03—0598—07
俯仰角组合测量系统的设计
潘明华,文香稳,朱国力
(华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室,湖北武汉430074)
摘要:利用准直激光、单轴倾角仪和CCD摄像机建谚了一种俯仰角组合测量系统以提高俯仰角测量的精度和稳定性。首先,给出了俯仰角组合测量模型,基于坐标旋转算法和迭代方法研究了俯仰角的组合测量原理。然后,采用蒙特卡罗法对影响组合测量系统精度的各个因素进行了全局灵敏度分析。结果表明,与目前工程测量中普遍采用的倾角仪直接测量俯仰角法相比。组合测量法能够获得更高的测量精度和稳定性。利用高精度三轴转台进行的俯仰角测量实验表明:±8。测量范围内,组合测量法误差绝对值最大为0.3mrad,标准差为0.16mrad。理论分析和实验结果证明,提出的组合测量法有效地提高了俯仰角测量精度和稳定性,适合工程上的测量需要。关键词:俯仰角测量;CCD摄像机;组合测量;蒙特卡罗法
中图分类号:TB92;TP212.12
文献标识码:A
doi:10.3788/0PE.20111903.0598
Designof
combinationmeasurementsystem
forpitchingangles
PANMing—hua,WENXiang—wen,ZHUGuo-li
(StateKeyLaboratoryofDigital
Manufacturing
EquipmentandTechnology,
HuazhongUniversityofScience&Technology,Wuhan430074,China)
Abstract:Acombinationmeasurementsystemforpitchingangleswasputforwardbasedtedlaser,asingle—axisinclinatorand
a
ona
collima-
CCDcamera
to
improvetheprecisionandstabilityofmeasuring
pitchinganglesinengineering.Thecombinationmeasurementmodelwasintroducedanditscombina-tionmeasurementprinciplewasstudiedindetail
on
thebasisofthecoordinaterotationalgorithmand
theiterationmethod.Theglobalsensitiveanalysisofeachfactoraffectingthecombinationmeasure-mentwascarried
rect
out
byusingMonteCarlomethod.Obtainedresultsshowthatcomparedwiththedi-
an
measurementmethodwith
can
inclinatorwidelyusedinpitchinganglemeasuring
at
present,the
proposedmethodmentlute
on
a
obtainmuchhighermeasurementprecisionandstability.Ameasurementexperi—
three—axisturntablewasperformed,whichindicatesthatthemaximumabso—
are
highly
accurate
error
iS0.3mradandthestandarddeviationiS0.16mrad.Thesedata
betterthanthatfrom
thedirectmeasurementmethodwiththeinclinator,andmeettherequirementsoftheengineeringap-plications.
Keywords:pitchinganglemeasurement;CCDcamera;combinationmeasurement;MonteCarlomethod
收稿日期:2010—04—20;修订日期:2010-10—30.
基金项目:国家973重点基础研究发展规划资助项目(No.2007CB714005)
万方数据
第3期潘明华,等:俯仰角组合测量系统的设计
599
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引言
目前许多大型工程机械都实现了自动控制,为确保自动控制的可靠性及施工的安全性,需要对其运动执行机构进行高精度的实时姿态测量,以实现有效的运动控制,但以光栅测角、激光干涉测角和激光自准直测角为代表的高精度(测量误天、军事和通讯等领域,系统结构复杂、测角量程动角大多采用双轴倾角传感器直接进行测量,但倾电荷耦合器件(CCD)具有响应速度快、灵敏能稳定、输出信号易于处理等优点。以准卣激光和CCD组合的光学测量法,近年来已经作为一种71。因此,本文利用准直激光、单轴倾角仪和CCD摄像机构建了俯仰角的组和利用高精度的三轴转台的模拟实验证明了组合测量模型
俯仰角的组合测量模型如图1所示,测量装置主要包括CCD摄像机和单轴倾角仪。由于任意平行光束透过凸透镜后会在凸透镜的焦平面七汇聚成一点,因此将CCD芯片调至摄像机镜头的焦平面上,从而使得激光器发射的准直激光经过镜头聚焦能在CCD芯片上形成一个近似圆形的光斑。准直激光的水平角和垂直角都可以由激光器直接测得。单轴倾角仪的测量轴与CCD表面的横坐标0X平行,用于实时测量运动物体绕自身轴线oy旋转的角度即滚动角a。如图2所示,万方数据
Inclinator
图l测量模型
Fig.1
Measurementmodel
图2滚角与俯仰角关系
Fig.2
Relation
betweenrollingangleandpitching
angle
值口7得到,因为它还与轴线OY相对水平面的夹角即俯仰角口相关,两角度关系如式(1)所示。
a=arcsin(!坚导).(1)
COS
p
为了描述准直激光的水平角、垂直角以及运动物体的姿态角,引入世界坐标系Ow—X。Y。Z。。另外,以CCD摄像机的镜头光心为原点、光轴为y轴建立固连在运动物体上的测量坐标系D时,可以认为运动物体的俯仰角口和滚动角口都为0;反之,运动物体所具有的俯仰角和滚动角可以看成是测量坐标系OXYZ先沿轴线OX旋转俯仰角变为DX7y727,再沿轴线oy旋转滚动角变为O-X”PZ,,所引起的,各个角度旋转的正方向如图3所示。假设此时激光矢量在CCD上形成的光斑坐标为(∥,∥),则其在测量坐标系O-X”矿,Z”中可以表示为(∥,f,∥),将之归一化为彤,
即:
彤。万丽1[∥f朔’‘2’
式(2)及以下各式中的/均表示CCD摄像机镜头
的焦距。
差<1”)测角装置主要应用于精密加工、航空航小,抗干扰性差,不适用于工程机械的姿态测量领域。在工程机械的姿态角测量研究中,俯仰角及滚角传感器输出信号具有明硅的非线性特性,其受环境因素(如温度、振动等)的影响会发生漂移,稳定性较差。近年来,研究人员通过曲面拟合、神经网络等补偿算法来提高倾角传感器的精度,取得了一定效果,但精度和稳定性仍不够理想。
度高、动态范围大、工作电压低、抗冲击与震动、性快速、有效的非接触测量手段,在各种角度测量系统中得到了广泛应用f1合测量系统,并基于蒙特卡罗法L8‘12’的误差分析测量方法的可行性和有效性。
XYZ。当测量坐标系和世界坐标系的方向一致2组合测量方法
2.1
滚动角口不能直接通过倾角仪测量轴0X的测量
600
光学精密工程
第19卷
z丝XX
z蹩
XⅪ1
图3测量坐标系的旋转
Fig.3
Rotationofmeasurementcoordinatesystem
2.2测量原理
为测得俯仰角,首先将测量坐标系oX”矿Z,,
图4俯仰角的组合测量示意图
Fig.4
Schematicdiagramofcombinationmeasure—mentforpitchingangle
沿轴线。矿旋转,使其回到oX7y727。如图4所示。假设此时的光斑坐标变为(U7,可7),则激光矢
量在O-X7y727坐标系中的单位矢量R7可由式(3)
求得。
∥2万斋h7,∥,]一
-COs
a
O—sina]
Jr×1
0
10
I,
(3)
lsin口
o
cos口J
由式(3)进一步可以求出光斑坐标(“7,口7)为
{fUt2u"cos口+v"sin口
,
,,.
.
(4)
l口一一U
sin口TVCOS口
在图4中,&表示准直激光的垂直角,由几何
万方数据
关系不难求得其在oVz屉铷c!;in(sin位×呸罂,(5)
7平面上的投影角岛为
~1弋飞
则最终可获得俯仰角口为
J9一位--arctan(乡)一
arcs¨sin展×丽名要黯,一
arctan(一u"sln
a-'Pv'cos
a).
(6)
j
综上所述,通过测量准直激光在CCD上形成
的光斑坐标(∥,∥)并结合准直激光的垂直角度和单轴倾角仪测得的滚动角a,就可以通过快速运算实时地求出运动物体的俯仰角口。
不过,由式(1)可知,滚动角口与俯仰角口相关,且俯仰角此时未知。为了获得足够精度的滚动角和俯仰角,较为理想的方法是采用迭代方法来求取近似解。具体过程如下:首先假设俯仰角p的初始值卢。为0,则由式(1)可推出滚动角的初始值为单轴倾角仪的测量输出值口7,进而由式(6)可求取一次迭代的俯仰角岛;将向代入式(1)中,则又可得到一次迭代的滚动角口t;将口,代入式(6)中求取二次迭代的俯仰角岛。若两次迭代的俯仰角之差的绝对值小于绝对误差限£,则结束迭代求解,否则,继续迭代。整个迭代算法的流程如图5所示。
图5俯仰角的迭代算法流程图
Fig.5
Flowchartofiterativealgorithmforpitehingangle
为了证明迭代算法的收敛性,首先将式(1)代
人式(6)中,以求得俯仰角的迭代关系式。如式(7)
所示。
∥汁”=9(∥。),i=0,1,…,
(7)
第3期
潘明华,等:俯仰角组合测量系统的设计
60l
当单轴倾角仪的测量输出值口7、准直激光的垂直角&以及光斑坐标“”和口”的变化范围分别是±15。,±5。,±800像素和士600像素时,对俯仰角在士8。范围内的任意值,可以得到迭代函数声(・)的导数的绝对值远远小于1,即
I妒7(卢)l《1,Vp∈[一8。,8。].
(8)
由此证明了迭代法∥计1’=妒(∥订)对任意初始俯仰角∥∞∈[一8。,8。]均收敛且收敛速度很快。3
误差分析
由俯仰角的组合测量原理可知,准直激光的
垂直角像、CCD摄像机的焦距,、光斑坐标∥和u”以及滚动角口的误差对俯仰角口的测量都有影响。由于滚动角口是采用单轴倾角仪直接测量的,而且俯仰角的误差对滚动角的影响很小,因此可以认为滚动角的误差仅与单轴倾角仪相关。为了获得组合测量方法的综合误差△。首先基于蒙特卡罗法对各因素进行了全局灵敏度分析,结果分别如图6~图9所示。
Absolute
error
ofinclinometer/mrad
图6倾角仪(滚动角的变化范围为±15。)的灵敏度
分析
Fig.6
Sensitiveanalysisofinelinatorandrollingan—
glewith
range
from一15。tO15。
图6表明假设倾角仪的测量误差为l
mrad,
当直接用来测量俯仰角时,则俯仰角也会具有1mrad的误差;而采用组合测量方法后,1mrad的倾角仪误差最终对俯仰角测量的影响不超过0.2mrad。因此,组合测量方法非常有效地减轻了倾角仪的测量误差对俯仰角的影响。
另外,从图7~9可以看出,组合测量方法中准直激光的垂直角位、CCD摄像机的焦距厂、光
万方数据
Absolute
error
ofverticalangleoflaser/(”)
图7激光垂直角(变化范围为士5。)的灵敏度分析
Fig.7
Sensitiveanalysisoflaserverticalanglewith
range
from一5。to5。
Absolute
error
offocal
len.gth/pixel
图8焦距的灵敏度分析
Fig.8
Sensitiveanalysisoffocallength
口芒
{
盖
磊罂
专
甚弓
呈
Q
害夏乏
Absoluteerrorofspot
coordinate/pixels
图9光斑坐标(∥。∥的变化范围分别为土800和士
600像素)的灵敏度分析
Fig.9
Sensitiveanalysisoflight
spot
coordinates
(Variation
ranges
of叠anddare±800and
±600pixels。respectively)
斑坐标∥和u”的误差对俯仰角测营的影响也很小,而且由于是光学测量,因此长期工作稳定性很高。假设各误差是相互独立的且服从均匀分布,
光。1产1;l}{瞥I。群
≈l9巷
则越过式(9)埘择十谨篮进行合成.监终能够得到组☆测量^法的综台沉差水超垃(】3
mead。
△一√∑群-
(9)
式(9)中^表示并个影响闻索n奠误差范刖山对
俯仰角测量造成的蛙大洪置值。
4实验分析
为了进一步骑证鲥舟测II}疗防的可行性和冉嫂件,利片I高精度的=轴转行进行了远神物体懈仲角的测量丈骑.包括采…倾珀仪J。i接洲恃奠|睁和娃于组合测量^法的{111址实骑,3KIf)j6j删一轴转台枷削lo所,J:.娃术参数为内外杜的倾角叫转谨靛=r,中杜的倾m川转误差=5”.t}-山
枢的轴线乖自窟d-5”.r{,外骶的轴线晕…g』r.
、;一
£"wⅡph女1鸣an∞mⅢ砷
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red
Hythr…。1matord【rpftlvf_ItlndarddP
vlalⅢcl“o
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02Ⅲra‘¨
万方数据
“;目l!Ⅲ台■世*∞∞∞mlR《"☆fⅨ##m#:
0l
6…dj
Fig】z
r’”,rdisl
r‰lion
c…11c……P…cth口J
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pitchi“g
angle…s
ur“b、一1h;11a1I(…Ⅲld4rl【‘10vl^¨ⅢIuf
crro
r:c1
I6|llfdd)
m倪氍渊节辅懂!17。
轴转台可以使馕动角n
±Ir,俯仲角扯±8。内变化。通过比较测站值与二轴转台的标定角度fA.分别得到r如俐】l和围
I
2所日i的谋摹分布吲町“看出.与采川倾角仪
A接洲量法相比,组合测量方法明监提高r俯fCO角怕删黯精』变,此得俯仰角_『『=}r变化时“误篮
的绝对幢小越过0#…tj.误差标准置也从n甜
m¨‘j降低刮r
O
16…d。
4:文提出r种基了二单捌l倾角仪手uCUD摄
像帆组合的俯仰角测量方法。通过jjl|l量噬I‘L激光在CCI)上J6成的光斑坐如、J}:结合滚动期和准直激光的垂直角参数.采川选ft方法iir以决逋地术
出琏动物怵的蚺仲角.同时还可“对滚动角进{7进一步枝止。虽然滚动角是川竹轴倾角仪直接测请的.但基j紫特卡罗法的误差理论分析已证‘月
倾角仅的删壁拱差时最终俯仲角删姑的影响很小。宴骑也证叫r盟l台测鞋7『法的精J旦同倾角仪直接测量法相比从¨8mr:ld提高到r
0
l
mr“I,业为重萤的址.}I【台测蟹方让融^r光学测时技术.刷此抗环境l扰能力强、K期『.作稳定性,琏扁可以满足J.样fJ【械施l叫,矗动测量的璺求。
第3期
潘明华,等:俯仰角组合测量系统的设计
603
参考文献:
[1]
KIRKPATRIcKSJ,DUNCAND【).Noncontact
microstrain
measurementsinorthodonticwires[J].
JournalofBiomedicalMaterialsResearch。1995,
29(11):1437—1442.
[2]
I,IUD,WANGF,CENKF,eta1..Noncontact
temperaturemeasurementbymeansofCCDtamer-
as
in
a
participating
medium[J].Optics
Letters,
2008,33(5):422-424.
[3]TANGW
SH,LIQH,TANQCH,eta1..A
newmethodof
noncontact
measurementof
the
plane
parameters[C].2009
IEEE
International
Conference
on
Mechatronics
andAutomation.445
HoesLane-P.o.Box
1331,Piscataway。NJ08855—133
l,‰ited
States:IEEEComputerSoci—ety,2009:2554—2559.
[4]郝鹏飞。张新军,董志国,等.基于面阵CCD的高精度测量技术及应用[J].天津大学学报,2008,
41(12):1443—1447.HAOPF,ZHANGX
J,DONGZHG,etal..Ar—
ea
CCD--basedhighaccuracy
measurementtechnol—
ogy
andits
application[J].JournalofTianjin
U-
niversity,2008,41(12):1443—1447.(inChinese)[5]李瑁.姚进,任违.天平校准系统中位置姿态非接
触式测量与计算方法[J].四川大学学报(工程科
学版),2003,35(3):90-92.
I。1
J,YAoJ,RENW.Non—contactedmeasure
tOconfirmthebalance’Spositioninadjustmentofbal-
ante[J].Journalof
Sichuan
University(Engi-
neeringScienceEdition),2003・35(3):90—92.(inChinese)
[63李慧鹏,王军。张军,等.一种新型非接触式线径测
量系统[J].仪器仪表学报,2004,25(4):209—211.
LIH
P,WANGJ,ZHANGJ,以口Z..Anovel
noncontact
measurmentsystemforthediameterof
wires[J].ChineseJournalofScientific
lnstru—
ment,2004,25(4):209—211.(inChinese)
万方数据
[7]
艾莉莉。袁峰。丁振良.应用线阵CCD的空间目标外姿态测量系统[J].光学精密工程,2008,16
(1):161-165.
AlLL,YUANF,DINGZHL.Anexterioratti—tudemeasurementsystemforspatialobjectbased
on
linear
CCD[J].Opt.Precision
Eng.,2008,16
(1):161一165.(inChinese)
[8]
SRIKANTAM,NEILD,RUSKAUFFG.Global
sensitivity
analysis
techniques
for
probabilistic
groundwatermodelingEJ].GroundWater,2009,
47(5):730—747.
[9]STEFANO
C,LOVATOT,RATTO
M.Global
an-
certaintyandsensitivityanalysisofa
food-webbio-
accumulation
model[J].Environmental
Toxicolo-
gY
andChemistry,2009,28(4):718—732.
[10-]邓兆祥,颜长征.基于蒙特卡罗法的摩托车车架灵敏度分析[J].重庆大学学报,2008,31(10):1113—
1117.
DENGZHX。YANCHZH.Sensitivityanalysis
Of
a
motorcycle
frameusingtheMonteCarlometh—
od[J].Journalof
ChongqingUniversity,2008,
3l(10):1113一1117.(inCHinese)
[11]于德介。李睿.Sobol’法在非线性被动隔振体灵敏度分析中的应用研究[J].振动工程学报,2004,17
(2):200—213.
YUD
J。LIR.ApplicationofSobol’method
tO
sensitivityanalysisof
a
non—linearpassivevibration
isolators[J].Journalof
VibrationEngineering,
2004,17(2):200-213.(inChinese)
[12]陈刚。汪玉,毛为民,等.冲击载荷作用下舰艇管路
系统全局参数灵敏度分析[J].振动与冲击,2006,
26(3):45—48.CHEN
G。WANGY,MAoWM,以口Z..Global
parametersensitivityanalysisofshipboardpipingsystemsundershock
loads[J].Journalof
Vibra—
tio埠andShock。2006。26(3):45—48.(inChinese)
I、r)I
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微硅狭缝紫外可见光谱仪杂散光的产生与抑制
黎海文,郝鹏.吴一辉
中国科学硅k毒光学精密机械々特理研究所应用光学冒末重点实验室,吉特长毒l30033
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万方数据
俯仰角组合测量系统的设计
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
潘明华, 文香稳, 朱国力, PAN Ming-hua, WEN Xiang-wen, ZHU Guo-li华中科技大学,数字制造装备与技术国家重点实验室,湖北,武汉,430074光学精密工程
OPTICS AND PRECISION ENGINEERING2011,19(3)
参考文献(12条)
1. STEFANO C;LOVATO T;RATTO M Global uncertainty and sensitivity analysis of a food-webbioaccumulation model[外文期刊] 2009(04)
2. SRIKANTA M;NEIL D;RUSKAUFF G Global sensitivity analysis techniques for probabilistic ground watermodeling 2009(05)
3. 艾莉莉;袁峰;丁振良 应用线阵CCD 的空间目标外姿态测量系统[期刊论文]-光学精密工程 2008(01)4. 李慧鹏;王军;张军 一种新型非接触式线径测量系统[期刊论文]-仪器仪表学报 2004(04)
5. 李珺;姚进;任违 天平校准系统中位置姿态非接触式测量与计算方法[期刊论文]-四川大学学报(工程科学版)2003(03)
6. 郝鹏飞;张新军;董志国 基于面阵CCD的高精度测量技术及应用[期刊论文]-天津大学学报 2008(12)7. TANG W SH;LI Q H;TAN Q CH A new method of noncontact measurement of the plane parameters 20098. LIU D;WANG F;CEN K F Noncontact temperature measurement by means of CCD cameras in a participatingmedium [外文期刊] 2008(05)
9. 陈刚;汪玉;毛为民 冲击载荷作用下舰艇管路系统全局参数灵敏度分析[期刊论文]-振动与冲击 2006(03)10. 于德介;李睿 Sobol'法在非线性被动隔振体灵敏度分析中的应用研究[期刊论文]-振动工程学报 2004(02)11. 邓兆祥;颜长征 基于蒙特卡罗法的摩托车车架灵敏度分析[期刊论文]-重庆大学学报 2008(10)
12. KIRKPATRICK S J;DUNCAN D D Noncontact microstrain measurements in orthodontic wires 1995(11)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gxjmgc201103015.aspx