面向閘門門頭運行軌跡檢測的激光跟蹤方法研究

彭 浩 王化明 周凱強

（1.江蘇省周山河船閘管理所，江蘇 泰州 225300；2.南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016）

0 引言

人字閘門或三角閘門轉(zhuǎn)動時，門體以底樞中心與頂樞中心間的軸線為中心軸轉(zhuǎn)動。底樞是閘門中最易磨損的部件，其在水下工作，球面摩擦副潤滑失效就會導(dǎo)致底樞球軸頭磨損。當?shù)讟谢蝽敇挟a(chǎn)生磨損導(dǎo)致軸線偏移時，門體工作狀態(tài)就會惡化，通?？赏ㄟ^檢測閘門門頭跳動量來判斷閘門的工作狀態(tài)[1-2]。現(xiàn)有人字閘門或三角閘門門頭跳動量檢測方法為經(jīng)緯儀測量法，需要將閘門停止在若干角度，既影響船閘的正常通航，又需要較多人工，無法實現(xiàn)門頭跳動量的自動在線檢測和閘門全行程的檢測。

人字閘門或三角閘門的門頭運行軌跡能反映閘門全行程的運行狀態(tài)，通過不同時間和位置運行軌跡數(shù)據(jù)的對比分析，既可以計算得到閘門門頭跳動量，又能得到門頭軌跡的歷史數(shù)據(jù)，為閘門運行狀態(tài)的分析提供客觀數(shù)據(jù)。閘門門體尺寸較大，采用全站儀、激光跟蹤儀和攝像機測量系統(tǒng)等設(shè)備可以獲得門頭的空間坐標，得到門頭的運動軌跡，但其價格昂貴，目前還不能實現(xiàn)全行程自動檢測，不適用于船閘現(xiàn)場閘門門頭運行軌跡的自動檢測[3]。因此，本文提出了一種基于二自由度激光跟蹤的閘門運行軌跡檢測方法，可為將來實現(xiàn)閘門全行程自動化軌跡檢測提供思路[4-5]。

1 激光跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

二自由度激光跟蹤系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示，激光測距儀發(fā)射的激光光束經(jīng)過分光棱鏡，通過轉(zhuǎn)鏡反射至靶鏡（角錐棱鏡），靶鏡將激光束按入射方向的反方向平行返回，經(jīng)過轉(zhuǎn)鏡反射到達分光棱鏡。

圖1 激光跟蹤系統(tǒng)設(shè)計方案

此時激光光束分成兩部分：部分激光光束返回激光測距儀，完成距離測量；部分激光光束反射至PSD（Position Sensitive Device）上，得到光斑當前坐標。控制模塊根據(jù)光斑當前坐標與初始坐標之差計算俯仰軸電機與偏轉(zhuǎn)軸電機需要轉(zhuǎn)過的角度，使得光斑坐標回到初始坐標，實現(xiàn)對靶鏡的實時跟蹤。工控機根據(jù)激光測距儀的距離信息、俯仰軸與偏轉(zhuǎn)軸電機編碼器轉(zhuǎn)角，計算靶鏡的空間三維坐標。

1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由工控機、二自由度激光跟蹤測量裝置、靶鏡等構(gòu)成。激光跟蹤測量裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括激光測距儀、分光棱鏡、PSD、支架、偏轉(zhuǎn)DD馬達、俯仰DD馬達、俯仰軸座、俯仰軸、轉(zhuǎn)鏡等。激光測距儀、分光棱鏡和PSD固定安裝于支架內(nèi)，保持如圖1所示的位置關(guān)系。偏轉(zhuǎn)DD馬達安裝于支架上，使得激光測距儀的激光光束與偏轉(zhuǎn)DD馬達的中空軸線重合。俯仰DD馬達及俯仰軸座安裝于偏轉(zhuǎn)DD馬達上，帶動俯仰軸轉(zhuǎn)動，且偏轉(zhuǎn)DD馬達的軸線與俯仰DD馬達的軸線垂直且相交。轉(zhuǎn)鏡安裝于俯仰軸上，且俯仰軸軸線位于轉(zhuǎn)鏡平面內(nèi)。

圖2 激光跟蹤測量裝置結(jié)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)布置方案

系統(tǒng)布置方案如圖3所示。工控機與激光跟蹤測量裝置設(shè)置于閘門頂樞處地面上，閘門門頭安裝靶鏡。閘門轉(zhuǎn)動過程中，激光跟蹤測量裝置一直跟蹤靶鏡，根據(jù)激光測距儀的距離以及俯仰角、偏轉(zhuǎn)角即可計算出閘門運行過程中的門頭三維坐標，形成閘門門頭的運行軌跡。

圖3 系統(tǒng)布置方案

1.4 跟蹤目標的三維坐標計算

圖4所示為目標三維坐標計算示意圖，激光跟蹤系統(tǒng)得到空間點的球坐標（l，α，β），其中l(wèi)是被測點與轉(zhuǎn)鏡的距離，通過激光測距儀得到；α是被測目標的偏轉(zhuǎn)角，通過偏轉(zhuǎn)軸編碼器得到；β是被測目標的俯仰角，通過俯仰軸編碼器得到。被跟蹤目標的球坐標可以通過式（1）轉(zhuǎn)換為直角坐標系內(nèi)的三維坐標。

圖4 被跟蹤目標三維坐標計算

1.5 系統(tǒng)跟蹤原理

系統(tǒng)跟蹤原理如圖5所示。初始狀態(tài)下，激光測距儀的激光束透過分光棱鏡經(jīng)轉(zhuǎn)鏡反射至目標靶鏡處，此時光束正射靶鏡中心。靶鏡為角錐棱鏡，激光會以入射方向的反方向返回，經(jīng)過分光棱鏡反射至PSD，得到跟蹤計算的光斑初始坐標。

圖5 系統(tǒng)跟蹤原理

當被跟蹤目標（靶鏡）開始移動時，激光測距儀的激光束偏離靶鏡的中心，靶鏡的返回激光與入射激光平行，在水平與垂直方向會產(chǎn)生偏移量。靶鏡返回激光經(jīng)分光鏡反射作用反射至PSD，激光光斑形成的當前坐標會偏離原光斑初始坐標，坐標變化量等于靶鏡在水平和垂直方向的偏移量。

控制器采集PSD當前坐標，根據(jù)與初始坐標的偏差計算出激光光斑重回PSD初始坐標時的俯仰電機與偏轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)動角度，則激光光束重射目標靶鏡中心，在PSD上形成的光斑坐標回到初始坐標。重復(fù)上述過程，激光跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)被測目標的跟蹤。

2 激光跟蹤系統(tǒng)構(gòu)建與試驗

2.1 激光跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)建

構(gòu)建激光跟蹤系統(tǒng)，實物如圖6所示，其中二維跟蹤轉(zhuǎn)臺包括偏轉(zhuǎn)DD馬達、俯仰DD馬達、俯仰軸，跟蹤測量光路包括激光測距儀、分光棱鏡、轉(zhuǎn)鏡和PSD。為方便試驗，將靶鏡固定安裝在線性運動平臺上，當平臺運動時激光跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)對靶鏡的跟蹤。

圖6 激光跟蹤系統(tǒng)實物

圖7所示為激光跟蹤系統(tǒng)控制框圖，其中運動控制器型號為JMC-804，采用PID控制律進行偏轉(zhuǎn)電機與俯仰電機的運動控制[6]。運動控制器讀取PSD當前坐標及電機編碼器的輸出角度，根據(jù)PSD當前坐標與初始坐標之間的偏差計算偏轉(zhuǎn)電機與俯仰電機的控制量，控制跟蹤轉(zhuǎn)鏡的偏轉(zhuǎn)與俯仰，實現(xiàn)對靶鏡的跟蹤。經(jīng)過多次測試，確定PID控制參數(shù)分別為：Kp=2、Ki=41、Kd=0.000 97。

圖7 激光跟蹤系統(tǒng)控制框圖

2.2 激光跟蹤系統(tǒng)的跟蹤測試

圖8所示為目標（靶鏡）激光跟蹤測試示意圖，分別測試系統(tǒng)在俯仰和偏轉(zhuǎn)方向的跟蹤性能。將靶鏡固定安裝于運動平臺，當平臺水平安裝時測量偏轉(zhuǎn)跟蹤性能，豎直安裝時測量俯仰跟蹤性能。

圖8 靶鏡激光跟蹤測試示意圖

圖9所示為目標跟蹤時俯仰軸電機和偏轉(zhuǎn)軸電機的理論跟蹤角度計算方法，并與實際跟蹤角度進行對比。

圖9 電機跟蹤理論角度計算

設(shè)靶鏡沿Y軸運動速度為vy，運動距離為d，初始時靶球與轉(zhuǎn)鏡距離為ls，偏轉(zhuǎn)電機跟蹤角度α為：

同理，設(shè)靶鏡沿Z軸運動速度為vz，俯仰電機的跟蹤角度β為：

圖10所示為對靶球的激光跟蹤測試過程，結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對靶鏡的穩(wěn)定跟蹤，在跟蹤過程中偏轉(zhuǎn)電機和俯仰電機能及時響應(yīng)，控制激光光束位于靶球的中心。

圖10 靶球的激光跟蹤過程

圖11所示為在40 mm的跟蹤行程內(nèi)，偏轉(zhuǎn)軸與俯仰軸的實際與理論跟蹤角度的對比，可以看出兩者偏差隨靶鏡移動發(fā)生變化，但偏差不超過0.1°，驗證了跟蹤控制方法的有效性。

圖11 偏轉(zhuǎn)和俯仰電機的跟蹤角度

2.3 系統(tǒng)跟蹤重復(fù)精度測試

為測試系統(tǒng)重復(fù)性精度，設(shè)置平臺的初始位置，控制平臺移動一定行程后再返回初始位置，如此反復(fù)進行20次，激光跟蹤系統(tǒng)持續(xù)跟蹤靶鏡，記錄每次平臺返回初始位置時的靶鏡坐標。

根據(jù)記錄數(shù)據(jù)計算得到測量坐標（x，y，z）的標準差，利用3倍標準差衡量重復(fù)性精度，分別為±71 μm、±80 μm和±23 μm，由于平臺本身也存在定位誤差，可以推斷出激光跟蹤測量系統(tǒng)的單點測量重復(fù)性精度優(yōu)于80 μm。

3 結(jié)語

本文介紹了面向船閘閘門門頭運行軌跡的激光跟蹤系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)建，包括跟蹤裝置結(jié)構(gòu)和控制器設(shè)計，試驗表明該系統(tǒng)能實現(xiàn)目標的實時跟蹤，跟蹤重復(fù)精度優(yōu)于80 μm，為閘門門頭運行軌跡的檢測提供了一種可行方法。

在以后的工作中，將進一步優(yōu)化硬件和控制算法，實現(xiàn)更高速度和更遠距離的高精度跟蹤，為其在船閘的實際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。