基于激光测距的三坐标测量系统研究

文章编号: 1005-5630( 2002) 02-0007-06 基于激光测距的三坐标测量系统研究 陈 琳 (华中光电技术研究所 湖北 武汉 430073) 摘要:提出了基于激光测距的三维坐标测量系统 G 介绍了系统所采用的 PSD 光学三角 法测位移原理 并 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了影响测量精度的因素 提出了相应的补偿 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 G 最后 研究了系统 的控制方法 G 关键词:激光测距;三维测量;非接触测量 中图分类号: T~741 文献标识码: A The 3-dimension measuring system based on the laser ranging CHEN Lin (~uaZhong Institute of Electro-optics Wuhan 430073 China) Abstract: In this paper the 3-dimension measuring system based on the laser ranging is presented. The measuring ranging of PSD optical 3-angle is adopted in the system. The factors and a technigue of compensating for inf luencing measuring-precision are researched. In the end the controlling of the apparatus is studied. Key words: laser ranging; 3-dimension measuring; non-contact measuring l 引 言 当被测工件的数学模型未知或很难直接获取时 就要先对待测轨迹实施布点测量 再把这些指定点的 测量数据进行相应的算法处理 从而得到待测轨迹的理想数学模型 G 如果采用手工点动测量 则存在精度 差 ~对操作者要求程度高以及费时费力等缺陷 G 研究了应用激光点光源测头的非接触式快速测量系统 它 能有效地克服上述缺陷 G 另外 该方法对目前 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 领域广泛采用的接触式测量中存在的测量速度慢 ~引起 目标面的磨损及弹性变形 ~要进行测头半径的三维补偿等问题的解决也是一个很好的办法 G 2 系统的组成 整个系统的组成框图如图 1 主要由以下几部分组成: 2. l 激光测头 本系统采用了激光点光源非接触式测头 该测头安装在垂直轴上 完成测量信号的提取 G 测头内置激 光发射器和接收装置 接收装置接收由待测工件反射回来的激光 G 测头测量量程为 60mm*100mm 抗震 性好 精度稳定 可在 50 温差下正常工作 因而非常适合工厂环境 G 测量频率有 10~Z~ 100~Z~ 1k~Z 3 种 可选 以适应不同响应速度和测量精度的要求 G 测头输出信号包括一个测量距离的模拟电压量和 3 个反应 第 24 卷 第 2 期 2002 年 4 月 光 学 仪 器 OPTICAL INSTRUMENTS Vol. 24 No. 2 April 2002 收稿日期: 2002-02-08 作者简介:陈 琳( 1967-) 女(壮族) 广西人 工程师 学士 主要从事水下光电技术的研究 G 测头状态的开关量 其中模拟电压量输出与距离关系如图 2 所示; 3 个开关量分别是报警信号 ~ 远报警信 号与有效测量信号 在系统中利用这 3 个信号 实现测量的自动控制 图 1 基于激光测距的三坐标测量系统的组成框图 图 2 测头输出电压与距离关系 PSD 驱动及采样信号处理电路 主要由两部分组成:光电位敏元件驱动电路及 A/D 转换电路与 PSD 连接在一起 共同安装在激光测 头及其控制盒内; PSD 的控制电路插在 P 机的扩展槽内 它们分别完成光信号向电信号的转换 模拟信 号向数字信号的转换以及相应控制信号的传输 伺服驱动系统和相应的执行机构 它们完成测量过程中计算机发出的运动指令 软件模块 它主要完成以下任务:测头运动速度和空间位置控制 采样数据处理以获取 3 个坐标轴的当前值 测 量数据的处理与存储等 现场总线及其控制器 本系统中的 A 现场总线用来连接各硬件模块 以组成一个实时性强的嵌入式控制系统 现场总线 具有可靠性高 ~实时性好 ~数据传输速率高 ~连接方便 ~支持产品多的优点 在进行坐标测量时 待测工件放在工作台上 在相应的控制系统控制下 进行待测轨迹的数据采集 工 8 光 学 仪 器 第 24 卷 作台按位置指令运动,只要待测工件被测 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面光点在点光源激光测头的测量范围内, PSD 驱动装置就可 以由伺服电机驱动自由地上下运动 O 物镜焦点与被测件的距离通过 PSD 光电耦合器上光点的位置求得, 其结果经串行接口送至计算机 O 计算机就此进行随动控制,使被测表面光点始终保持在物镜焦点附近 O 3 测量原理 如图 3 所示,采用激光点光源测头作为测量工具,其光电位敏元件 PSD 器件作为位置探测器 O 安装在 缩束透镜组后的半导体激光器 LD 发出的光束经其缩束后,再经过一光阑形成一束直径和发射角很小的 发射光束投射在被测物的表面上,这样便形成一光斑,物体表面光斑的漫射光又由接收透镜收集,成像于 光敏器件 PSD 光敏面上 O 图 3 测量原理图 当 tgZ= a( )b tg 时,投射光始终成像于 PSD 光敏面上,且待测目标的位移量 X 和 PSD 光敏面上像 点的位移量 X/的关系为: X= aX/ SinZbSin +X/ Sin( + Z) ( 1) 因为根据一维 PSD 的工作原理有: X/ = L( z2-z1) 2( z1+ z2) ( 2) 式中 X/为光能质心对 PSD 几何中心 0 /的偏移量, L为 PSD 读得有效工作长度 O 如图 4 所示 O 图 4 激光测头光敏元件工作原理图 将式( 2)代入式( 1)中得: .9.第 2 期 陈 琳: 基于激光测距的三坐标测量系统研究 X= OL( z2-z1) Sin9 2}( z1+ z2) Sin +L( z2-z1) Sin( + 9) ( 3) 从式( 3)可知,在光学系统的结构确定后,系数 O~ }~ 9~ 和 PSD 的 L的值都以常数值给出 O 在进行测量时,激光测头的激光器投射在被测物体表面上的光点,通过透镜在 PSD 上成像, PSD 上的 光敏元输出电脉冲信号到驱动器中,再经过接口电路传给计算机 O通过计算机中的测量软件模块叠加计算 获得待测工件曲面上待测点的三维坐标数据,计算机并按一定规律 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 存储,从而完成待测工件的测量 O 4 影响测量精度的因素及其补偿方法 激光测头以其高响应 ~ 高分辨力 ~ 受电磁场环境影响小 ~ 工作距离大 ~ 测量精度高 ~ 易于实现自动化等 特点而被广泛使用 O 但它也存在一些不足之处 O 主要有 , 原理上的非线性 ~易受环境温度影响,测量结果与 被测表面的光泽 ~颜色 ~粗糙度以及倾斜度有关 O下面分析影响精度的因素,通过采取一定的补偿方法来保 证测量的精度 O 4. 1 影响测量精度的内部因素 影响测量精度的测头本身因素主要包括光学系统的像差,光点大小和形状, PSD 器件固有的位置检 测误差和分辨力, PSD 暗电流和外界杂散光的影响, PSD 检测电路的测量精度和噪声,电路和光学系统的 温度漂移等 O 光学系统的像差主要包括球差 ~彗差 ~像散 ~畸变 O这主要是由于光学镜片的几何形状误差和品质非均 匀性所造成,它们会导致实际像点偏离理想像点 O 光点的形状对 PSD 的影响很小,形状的不同将通过被测物体的表面因素对测量精度产生影响 O 光点 的尺寸对 PSD 的影响较大, PSD 检测的是光点的光能质心,而不是其几何中心,因而应采用能量集中的 ~ 细的激光束 O 温度变化引起的光学元件的特性变化和传感器外壳尺寸的变化都会引起测量误差,可以通过限定使 用温度范围来尽量减少此类误差 O 一般说来,光学元件的特性随温度的变化是非常小的,而外壳尺寸的变 化则与使用的材料有关 O 消除内部影响因素可采取如下方法 , 使用高性能 ASIC 芯片和高精度的 A/D 转换器设计传感器电路,在传感器制造完毕后进行标定;不 同的被测物体,其表面特性变化很大,导致反射光的能量差别很大,因而应根据接收信号的大小改变激光 管的发光强度或改变 PSD 检测电路的放大倍数 O 由于内部影响因素更多是靠测头本身来保证,所以能做 的就是尽量减少影响精度的外部因素 O 4. 2 影响精度的外部因素 4. 2. 1 被测物表面倾斜的影响 在实际测量中被测物表面倾斜对精度的影响最为严重 O 被测物表面倾斜是指在光点处表面的法线方 向与入射光的方向不重合,其夹角称为倾斜角 UO 随着被测物表面倾斜角的不同,入射光点所产生的散射 光空间分布将发生变化,从而使接收透镜在单位立体角 ~单位时间内接收到的光能量发生变化 O 这种变化 的光能分布,将造成在 PSD 上像光斑的光能质心相对于其几何中心发生偏移 O 由于 PSD 检测的是光斑光 能质心的位置,而不是其几何中心的位置,这就使测量值和实际值有一个偏差 O这种误差具有以下特点 , 当 位移一定时,倾斜产生的误差将随倾斜角的增大而增大;当倾斜角一定时,倾斜产生的误差将随位移的增 大而增大;倾斜造成的误差与光斑的大小有关,光斑越大倾斜影响越严重 O 4. 2. 2 被测物表面光泽和粗糙度的影响 被测物表面光泽和粗糙度对测头测量结果的影响相似 O 表面过于光滑,一方面使漫反射成分减少, PSD 输出减弱,甚至没有输出;另一方面,由于正反射成分的增大, PSD 可能接收到正反射光,而正反射光 此时是一种干扰信号 O如果表面过于粗糙,容易造成照明光点的局部丢光现象,破坏了原光点的均匀性,使 输出值不稳定 O 实验证明,表面粗糙度最好控制在 1. 6pm~12. 5pmO 测量时通过对被测表面涂上辅助材料 O1 光 学 仪 器 第 24 卷 来解决 O 4~ 2~ 3 被测物表面颜色的影响 由于不同的表面颜色对测头内部的半导体激光器发出的近红外光的吸收程度不同 因而测量结果的 一致性将受到一定的影响 O 以上 3 种因素无法定量计算 而且不同的测头在实际使用中也会表现出不同的性质 可以通过实验标 定来实现误差补偿 O 4~ 2~ 4 测量速度的影响 激光测头正常扫描速度的快慢反映了它动态特性的好坏 O通过分析可知 电路部分的响应速度慢是造 成动态滞后的主要原因 O 测量速度和被测点处斜率之间的关系如式( 4)所示 O UmaX= 8Kz( 1-8) ( 4) 式中 K 为待测点处的切平面所对应的斜率 z为控制系统的时间常数 8 根据实际测量中要求的测量 准确度确定(通常选在 O~ OO1~ O~ O1 之间) O 综合以上因素 为尽量减少光散射或其它原因造成测量数据中的 坏 ' 点 使该点偏离原曲面 形成测 量误差 本系统采用多次测量并通过数据预处理的方法 以便去掉 坏 ' 点 避免一次测量带来误差大的隐 患 O 即对同一点采取多次测量 得到该测量点的数据点列 Z1 Z2 ZnO ( 1)求其算术平均值 Z= 1n E n z= 1 Zz ( 2)求其残差 Az Az= Zz-Z z= 1 2 n ( 3)求其标准偏差的估计值 6 6= E n z= 1 Az2 ~ n-1 ( 4)判别粗大误差 当 I Az I >36 则认为对应的测量数据值 Zz 为坏值 予以剔除 O ( 5)重复( 1)~ ( 4) 直至无坏值为止 O 坏值剔除后 做一近似处理:以剩下有效数据的算术平均值为该测量点的测量值 O 即 Z= Z/ = 1n/ E n/ z= 1 Zz 式中是剔除坏值后的有效数据个数 O 5 装置的控制 由于激光测头有一定的体积 且有测量盲区;当激光束射入小而深的孔中或待测件的棱边时 如果不 加限制 测头就可能碰撞到待测面而造成测头或待测面的损坏 所以在激光测头测量之前 必须根据实际 面形的尺寸定义测头运动的下安全面;同时为了保证测量的效率而定义测头的上安全面 O 待测量件表面应始终处于测头的量程范围之内 以确保被测数据的有效性和正确性 因此必须解决测 头对工件表面的跟随运动问题 使测头运动能够密切跟随曲面形状的变化 O 测量系统从接口电路采样得到测头测量值 DS 测头测量控制程序根据 DS与预定距离值 DSO 之差 ADS 求出测头运动速度 并通过伺服控制系统发出速度控制指令 驱动相应轴的伺服电机以调整测头位 置 O 控制框图如图 5 所示 O 若曲面上有较高的凸台或较深的凹坑时 测头突然越出测量范围 出现测头找不着目标 无法对曲面 继续进行测量跟踪的情况 此时应进行寻位处理:即测头所在运动轴做正负向移动直至测点进入激光测头 视野内 同时测头控制系统设置数据无效标志 不对采样数据进行存储 O寻位处理时 测头只在预先设置的 安全平面内上下移动 若走完一遍后 测点仍未进入测头视野 则认为该点无法测量 丢掉此点 继续进行 11 第 2 期 陈 琳: 基于激光测距的三坐标测量系统研究 下一点的上下寻位 通过对激光测头进行相应的寻位处理和跟踪控制后 可以保证测量时测头是在其最优 的线形特性段进行测量 图 测头控制示意图 结 论 文章介绍的基于激光测距的三维坐标测量系统充分发挥了激光测头的测量精度和现场总线的优点 对解决过去接触式三坐标测量系统中存在的一些实际工程问题起到了有效作用 具体表现在以下几个主 要方面 由于本系统采用激光非接触式测量 既解决了接触压力引起的测量误差问题 也不存在测头半径 三维补偿的难题 只要光可达到的区域 便可进行测量 同时测量精度不再取决于操作者所确定的测量间距精度 采用的激光数字化采集元件的采集频率高 有效地解决了手工操作时费力的困扰 同时也能保证 测量精度 参考文献 李友善 自动控制原理 北京 国防工业出版社 刘松强 数字信号处理系统及应用 北京 清华大学出版社 > >> > 6 消 息 新型干涉仪 德国斯图加特大学的物理学家最近制成一种新型干涉仪 这种新型干涉仪测量距离的精度可以比现有的器件高 OO 倍 许多光线在该器件中经过干涉后会产 生一种间隔精细的衍射图形 这种衍射图形能够显示出比所使用的光的波长小 OOO 倍的距离变化 据制 作这种干涉仪的有关人员认为 这种新型干涉仪可以用来进行超精密度测量和制作光纤系统用的新的光 开关 摘自<红 外> - - 光 学 仪 器 第 4 卷 基于激光测距的三坐标测量系统研究 作者： 陈琳 作者单位： 华中光电技术研究所,湖北,武汉,430073 刊名： 光学仪器 英文刊名： OPTICAL INSTRUMENTS 年，卷(期)： 2002,24(2) 被引用次数： 16次 参考文献(2条) 1.刘松强 数字信号处理系统及应用 1996 2.李友善 自动控制原理 1989 引证文献(16条) 1.王春谊.吕且妮.王晶 激光三角法溢油油膜厚度测量技术研究[期刊论文]-海洋技术 2010(1) 2.曲兴华.吴宏岩.戴建芳.张福民 基于手持式激光测距仪的大尺寸测量应用研究[期刊论文]-计量学报 2009(6) 3.徐庆富.裴仁清.何岚岚.王黎俪.余建宏 面向浮雕的激光测量中光刀中心提取[期刊论文]-光学仪器 2009(5) 4.张忠捷.韩焱 激光位移传感器在零件圆度公差检测中的应用[期刊论文]-硅谷 2009(15) 5.曲兴华.戴建芳.张福民 基于激光测距的大尺寸测量应用研究[期刊论文]-仪器仪表学报 2009(3) 6.赵少美.沈景鹏 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