一種小型激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的研制

顧超偉, 繆東晶, 嚴(yán)利平, 劉 洋, 李建雙

(1.浙江理工大學(xué) 納米測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

大型工藝設(shè)備如飛機(jī)機(jī)身、船舶殼體、鐵路車輛等,其生產(chǎn)制造的質(zhì)量均需要通過(guò)大尺寸測(cè)量技術(shù)提供保證[1,2]。為了滿足各類大型設(shè)備測(cè)量需求,目前已有的大尺寸坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)主要有激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)、近景攝影測(cè)量系統(tǒng)、室內(nèi)空間測(cè)量定位系統(tǒng)等[3]。其中激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)是一種可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤與坐標(biāo)測(cè)量的系統(tǒng),具有精度高、量程大、速度快等優(yōu)點(diǎn),因此廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代大型裝備制造中[4～7]。

國(guó)外對(duì)激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的研究起步較早,技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟并且早已有成型的產(chǎn)品投入到市場(chǎng)中。國(guó)內(nèi)從1996年沈飛集團(tuán)首次引入激光跟蹤儀開始[8],逐步開展了激光跟蹤儀的研究。1999年清華大學(xué)劉永東等設(shè)計(jì)了三站激光跟蹤坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了平面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)坐標(biāo)的跟蹤測(cè)量[9];2003年天津大學(xué)李杏華等設(shè)計(jì)了基于多邊法的四路激光跟蹤干涉柔性測(cè)量系統(tǒng)[10],開展了跟蹤測(cè)試實(shí)驗(yàn),跟蹤速度為0.4 m/s;2007年四川大學(xué)謝馳等設(shè)計(jì)的激光跟蹤儀[11],利用同軸光路雙頻干涉測(cè)量尾數(shù)計(jì)算距離,采用CCD器件作為光斑位置反饋單元,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了20 m范圍內(nèi)測(cè)長(zhǎng)精度為±(40+1.5×10-6L)μm;2012年天津大學(xué)張亞娟設(shè)計(jì)了一種單站式跟蹤儀,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在3.2 m的范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)以0.5 m/s的速度進(jìn)行跟蹤[12];2015年哈爾濱工業(yè)大張逸飛、吳婷等設(shè)計(jì)了基于雙頻干涉量的跟蹤儀[13,14],跟蹤距離范圍0.3～10 m,最大跟蹤速度0.9 m/s;2016年中國(guó)科學(xué)院董登峰、周維虎等設(shè)計(jì)了基于干涉測(cè)距的激光跟蹤儀[15],該系統(tǒng)跟蹤測(cè)距范圍可達(dá)41.7 m,跟蹤速度可達(dá)2 m/s;2020年北京工業(yè)大學(xué)宋輝旭提出了一種以固定標(biāo)準(zhǔn)球?yàn)榉瓷溲b置的二維回轉(zhuǎn)軸系結(jié)構(gòu),分析了二維回轉(zhuǎn)軸系回轉(zhuǎn)誤差,有效抑制了軸系回轉(zhuǎn)誤差對(duì)系統(tǒng)測(cè)距精度的影響[16];2021年哈爾濱工業(yè)大學(xué)王紅智設(shè)計(jì)了一種基于相位式測(cè)距的跟蹤儀[17],該系統(tǒng)在11 m的跟蹤范圍內(nèi)跟蹤角速度可達(dá)126.81°/s;2021年中圖儀器股份有限公司上市的GTS激光跟蹤儀,在大尺度空間測(cè)量工業(yè)科學(xué)儀器中具有高精度和重要性,同時(shí)具有μm級(jí)別精度。因此,國(guó)內(nèi)雖然對(duì)激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的研究起步相對(duì)較晚,但近幾年也逐步有產(chǎn)品投入到市場(chǎng)中。通過(guò)對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上的激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能分析,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)正越來(lái)越往小型化、高集成、便攜式的方向發(fā)展。

為了設(shè)計(jì)一種體積更小、重量更輕、便攜性良好的激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng),本文首先從激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)理論基礎(chǔ)入手,分析了系統(tǒng)整體工作原理與跟蹤控制關(guān)鍵參數(shù),設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、光學(xué)模塊以及跟蹤控制模塊,開發(fā)了三維可視化測(cè)量軟件,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)跟蹤穩(wěn)定性、位移分辨力、跟蹤速度、跟蹤距離測(cè)量范圍以及三維測(cè)量軟件功能。

2 激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)理論分析

2.1 激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)工作原理

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)水平和俯仰電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤,通過(guò)角度編碼器與測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)偏擺角度與跟蹤距離的測(cè)量,通過(guò)上位機(jī)對(duì)偏擺角度與跟蹤距離進(jìn)行解算來(lái)得到目標(biāo)的三維坐標(biāo)。圖1所示為激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的工作原理圖,其中PSD(position sensitive detector)為位置敏感探測(cè)器,BS為分光鏡,MH、MV分別為水平和俯仰步進(jìn)電機(jī),DH、DV分別為水平與俯仰步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。

圖1 激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Principle of laser tracking measurement system

首先,相位式測(cè)距儀中發(fā)出的光束經(jīng)BS反射到目標(biāo)靶球,經(jīng)目標(biāo)靶球反射后的光束平行于原光束返回到BS上,BS將返回的光束分成2束,其中1束反射回至相位式測(cè)距儀進(jìn)行跟蹤目標(biāo)靶球距離的測(cè)量,另外1束透射BS后入射至PSD表面,進(jìn)行激光偏離目標(biāo)靶球中心位置量的精密探測(cè),探測(cè)信號(hào)處理電路將PSD探測(cè)到的電流信號(hào)先進(jìn)行電流信號(hào)至電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換,然后再進(jìn)行信號(hào)放大處理。信號(hào)采集電路同步采集PSD位置偏移電壓、測(cè)距值以及水平和俯仰角度值,然后傳輸至基于STM32的控制電路?？刂齐娐愤M(jìn)行數(shù)據(jù)處理與脈沖信號(hào)的生成,并將生成的脈沖信號(hào)傳輸至驅(qū)動(dòng)器,隨后驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)二維電機(jī)旋轉(zhuǎn),進(jìn)而使PSD位置偏移量趨近于0,完成對(duì)目標(biāo)靶球的跟蹤控制。最后,上位機(jī)根據(jù)接收的偏擺角度值與測(cè)距值來(lái)進(jìn)行目標(biāo)三維坐標(biāo)值的解算。

系統(tǒng)的三維空間坐標(biāo)的測(cè)量方式為球坐標(biāo)測(cè)量,其基本原理主要為:由相位式測(cè)距儀測(cè)得目標(biāo)至系統(tǒng)的距離L,由角度編碼器測(cè)出跟蹤目標(biāo)的水平角θ和俯仰角φ,再通過(guò)球坐標(biāo)與直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系式(1)獲得目標(biāo)的空間直角坐標(biāo)(x,y,z)。

(1)

2.2 系統(tǒng)跟蹤控制關(guān)鍵參數(shù)分析

為提高系統(tǒng)的跟蹤控制性能,必須對(duì)系統(tǒng)在跟蹤過(guò)程中的所有關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析。圖2所示為系統(tǒng)在水平方向跟蹤時(shí)的參數(shù)分析模型,P1位置處激光正好位于靶球中心位置,目標(biāo)靶球移動(dòng)dT(dT小于系統(tǒng)脫靶距離)到達(dá)了下一個(gè)位置P2,此時(shí)PSD位移探測(cè)值為dP。跟蹤控制模塊每隔周期T采集1次dP的值,因此為了提高跟蹤速率要求系統(tǒng)在時(shí)間T之內(nèi)完成當(dāng)前dP重新為0的跟蹤工作。上述過(guò)程中,dT、靶球偏擺角θ、系統(tǒng)至靶球的距離L之間的關(guān)系為:

圖2 參數(shù)分析模型Fig.2 Parameter analysis model

dT=θ·L

(2)

步進(jìn)電機(jī)步距角與步進(jìn)脈沖頻率分別為Δθ、fh,假設(shè)系統(tǒng)在PSD信號(hào)采集周期T內(nèi)剛好完成跟蹤,則在這一過(guò)程中步進(jìn)電機(jī)一共會(huì)收到的脈沖數(shù)M為:

(3)

由于θ=M·Δθ,因此結(jié)合式(2), 式(3)可以得出步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率fh為:

(4)

在本系統(tǒng)中dP與dT存在著固定的數(shù)學(xué)比例關(guān)系

dP=k·dT

(5)

式中k為偏差比例系數(shù)。因此此時(shí)驅(qū)動(dòng)頻率可以表示為:

(6)

跟蹤速度vh為:

(7)

跟蹤加速度ah為:

(8)

上述vh、ah均為系統(tǒng)在理想狀態(tài)下的速度、加速度值;在實(shí)際的跟蹤過(guò)程中,由于受到電機(jī)延時(shí)與機(jī)械阻力等因素的影響,系統(tǒng)無(wú)法按實(shí)現(xiàn)理想情況下進(jìn)行跟蹤控制。因此,為了提高系統(tǒng)的跟蹤控制性能,在控制系統(tǒng)中引入了PID控制,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(9)

式中:dPID為經(jīng)過(guò)PID控制后的PSD的輸出量;kp稱為比例增益;ki為積分常數(shù);kd為微分常數(shù);Δe(k)=e(k)-e(k-1)為微分項(xiàng),e(k)為輸入偏差。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn),相比于未加入PID控制時(shí)的跟蹤情況,加入PID控制后的系統(tǒng)的跟蹤性能會(huì)有顯著的提高。

3 系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖3所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)計(jì)上采用了光機(jī)電一體化的集成設(shè)計(jì)方式,這種設(shè)計(jì)方式將光學(xué)模塊、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路控制模塊集成一體,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊性和內(nèi)部系統(tǒng)與外界環(huán)境的獨(dú)立性,不僅可以減小系統(tǒng)體積、提高便攜性,還可以減小外界因素對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的干擾。

圖3 光機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Opto-mechatronics structure diagram

圖3(b)為激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的正視剖面圖。測(cè)距儀置于跟蹤頭的頂端,測(cè)量光從此處射出并參與目標(biāo)的跟蹤與測(cè)量。角度編碼器分別與水平和俯仰旋轉(zhuǎn)軸系同軸連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的水平和俯仰方向偏擺角度的測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速跟蹤和保證跟蹤控制精度,水平與俯仰軸系分別同軸連接了一個(gè)電機(jī),并由各自的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3(c)為激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的側(cè)視剖面圖,由圖可知,在跟蹤頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,本系統(tǒng)將光學(xué)模塊以及電路控制模塊等整體集裝起來(lái)置于空間二維旋轉(zhuǎn)跟蹤頭上。該方式首先減少了光學(xué)器件的使用,減小了光路中測(cè)量光能量的損耗,降低了系統(tǒng)制造成本;其次該方式使得跟蹤頭在俯仰方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角度更大,可以增大系統(tǒng)的俯仰方向測(cè)角范圍;最后,該方式使內(nèi)部光路與外界環(huán)境產(chǎn)生了隔離,有效減小了外部環(huán)境因素的干擾。

圖4為系統(tǒng)的樣機(jī)圖。表1為該樣機(jī)的體積與重量及系統(tǒng)的測(cè)角范圍測(cè)試結(jié)果,由表1可知,與國(guó)內(nèi)現(xiàn)有集成度與測(cè)角范圍最高的其他商用跟蹤儀相比,該系統(tǒng)在體積上、重量上、角度測(cè)量范圍上均具有一定優(yōu)勢(shì)。

表1 參數(shù)測(cè)試結(jié)果與對(duì)比Tab.1 Parameter test results and comparison

3.2 光學(xué)模塊設(shè)計(jì)與分析

光學(xué)模塊主要功能為實(shí)現(xiàn)跟蹤目標(biāo)的距離測(cè)量以及跟蹤目標(biāo)偏差量的采集。圖5所示為激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的跟蹤測(cè)量光路圖,其中P1、P2分別為目標(biāo)靶球的初始位置與移動(dòng)后的位置,dT為P1與P2之間的距離、d為返回光束的偏移距離,dP為PSD表面光斑偏移距離。光路工作原理為:

圖5 跟蹤測(cè)量光路圖Fig.5 Tracking and measuring optical path diagram

目標(biāo)靶球的位置偏差量在光路中被轉(zhuǎn)換為PSD表面光斑的位置偏移量,PSD通過(guò)將光斑能量轉(zhuǎn)換為4個(gè)電極的電流輸出來(lái)探測(cè)光斑位置偏移量。由于電流信號(hào)微弱不易被采集,因此需要通過(guò)探測(cè)信號(hào)處理電路進(jìn)行電流至電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換以及電壓信號(hào)的放大處理。

PSD是整個(gè)光學(xué)模塊中尺寸最小的光學(xué)器件,其尺寸的大小決定了跟蹤過(guò)程中目標(biāo)靶球允許的最大偏差量。如果將目標(biāo)靶球反射回來(lái)的光直接入射到PSD表面,那么系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的跟蹤測(cè)量時(shí),入射到PSD表面的光斑尺寸與PSD的尺寸將十分相近,目標(biāo)靶球的最大偏差量將會(huì)大幅減小,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的跟蹤控制性能。

為增大跟蹤過(guò)程中目標(biāo)靶球允許的最大偏差量,在圖5光路中的PSD前方增加了一個(gè)測(cè)量透鏡。從目標(biāo)靶球反射回來(lái)的激光光束在經(jīng)過(guò)測(cè)量透鏡后進(jìn)行匯聚,PSD表面的光斑尺寸也隨之變小,目標(biāo)靶球允許的最大偏差量也因此得到大幅提高。

圖5中,d與dT之間的關(guān)系為:

d=2dT

(10)

靶球的偏移距離dT與PSD表面光斑位置偏移值dP具有的數(shù)學(xué)關(guān)系:

dP=k0·d

(11)

式中:k0為比例常數(shù),由測(cè)量透鏡的焦距以及測(cè)量透鏡擺放PSD的距離決定。結(jié)合式(5)、式(10)、式(11)可知,

dP=k·dT=2k0·dT

(12)

為測(cè)試PSD位置偏移量與目標(biāo)偏差量之間的偏差比例系數(shù)k、目標(biāo)靶球允許的最大偏差量、PSD線性區(qū)間范圍,本文進(jìn)行了系統(tǒng)的PSD標(biāo)定實(shí)驗(yàn),如圖6所示。通過(guò)水平位移臺(tái)來(lái)移動(dòng)目標(biāo)靶球,使測(cè)量激光在靶球中心位置[-6 mm,6 mm]范圍內(nèi)以1 mm為步長(zhǎng)進(jìn)行步進(jìn)運(yùn)動(dòng),目標(biāo)靶球距離控制在系統(tǒng)常規(guī)作業(yè)距離5 m的范圍之內(nèi)。記錄上述運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的PSD位置偏移值,并對(duì)PSD的位置偏移值進(jìn)行重復(fù)性分析,然后將PSD的位置偏移信息繪成曲線,得出線性區(qū)間,最后再將線性區(qū)間進(jìn)行直線擬合,得到目標(biāo)靶球允許的最大偏差量、最大線性誤差以及偏差比例系數(shù)k。

圖6 PSD標(biāo)定實(shí)驗(yàn)Fig.6 PSD calibration experiment

水平方向的PSD標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析曲線如圖7所示。圖7(a)為標(biāo)定過(guò)程中的數(shù)據(jù)曲線,dPx1、dPx2和dPy1、dPy2分別代表2次重復(fù)標(biāo)定過(guò)程中PSD水平與俯仰方向的偏移值,標(biāo)定過(guò)程中俯仰方向的PSD偏移值趨于0且基本不變,說(shuō)明系統(tǒng)擺放平面與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)平面基本平行。

表2 跟蹤距離范圍測(cè)試Tab.2 Tracking range test m

圖7 水平方向PSD標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析Fig.7 Analysis of horizontal PSD calibration experiment data

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性,對(duì)圖7(a)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了重復(fù)性分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7(b)所示,圖中sPx、sPy分別為水平與俯仰方向的PSD重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)重復(fù)性誤差為3.5 μm,系統(tǒng)具有較好的重復(fù)性。

從圖7(a)中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)激光在目標(biāo)靶球中心位置附近±3 mm區(qū)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí),PSD的光斑偏移值變化范圍為(-800 μm,800 μm),具有明顯的線性。將這段區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行直線擬合分析,結(jié)果如圖7(c)所示,其中dPx、dFx分別代表PSD水平方向的偏移量及其直線擬合值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,偏差比例系數(shù)k=274,說(shuō)明在PSD水平方向線性區(qū)間內(nèi)目標(biāo)靶球每移動(dòng)1 mm,PSD偏移量則將會(huì)變化 274 μm,線性區(qū)間內(nèi)的非線性誤差不超過(guò)40 μm;經(jīng)測(cè)試,相比于未加測(cè)量透鏡,目標(biāo)靶球允許的最大偏差量增大了3倍。PSD俯仰方向結(jié)果與水平方向一致,在此處不再詳細(xì)贅述。

3.3 跟蹤控制模塊設(shè)計(jì)與分析

跟蹤控制模塊主要負(fù)責(zé)PSD位置偏移信號(hào)與測(cè)距信號(hào)的采集,然后根據(jù)這些信號(hào)來(lái)生成電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào),從而來(lái)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。圖8所示為激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的跟蹤控制模塊原理框圖。首先信號(hào)采集電路采集PSD水平和俯仰方向的位置偏移電壓dPx、dPy與目標(biāo)距離L,隨后STM32的控制電路基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率分別為fh、fv的脈沖生成,驅(qū)動(dòng)器接收脈沖信號(hào)后驅(qū)動(dòng)水平和俯仰電機(jī)進(jìn)行二維旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。

圖8 控制模塊原理框圖Fig.8 Control system block diagram

基于STM32的控制電路是跟蹤控制模塊的核心部分,其跟蹤控制算法的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)高效快速跟蹤的關(guān)鍵,為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速跟蹤且保證系統(tǒng)的跟蹤精度,設(shè)計(jì)了如圖9所示的跟蹤控制算法的流程圖。

圖9 跟蹤控制算法流程圖Fig.9 Flow chart of tracking control algorithm

算法原理主要為:在初始化階段主要完成測(cè)距值、電機(jī)使能狀態(tài)、控制時(shí)鐘及頻率值、PID控制參數(shù)、串口信息、AD采集功能等的初始化,為后續(xù)跟蹤控制做好準(zhǔn)備;在開始跟蹤后,電路根據(jù)采集到的PSD位置偏移電壓值與目標(biāo)距離值進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的生成,分別通過(guò)判斷測(cè)量光是否有回光和光斑是否在PSD中心位置來(lái)決定是否開啟電機(jī)進(jìn)行跟蹤;如果測(cè)量激光沒有回光或者是光斑在PSD中心位置則關(guān)閉電機(jī)停止跟蹤,則使系統(tǒng)保持在原位不動(dòng),反之則驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng),使PSD光斑保持在PSD的中心位置,從而來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)靶球的跟蹤。

3.4 三維可視化測(cè)量軟件開發(fā)

三維可視化測(cè)量軟件主要功能為用戶端對(duì)跟蹤目標(biāo)的坐標(biāo)測(cè)量、三維動(dòng)態(tài)顯示和跟蹤運(yùn)動(dòng)仿真。系統(tǒng)采用面向?qū)ο缶幊痰腃 Sharp(C#)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,選用穩(wěn)定性與兼容性強(qiáng)的.NET Framework 4.8作為基礎(chǔ)開發(fā)框架,結(jié)合Open CASCADE Technology (OCC)三維幾何建模庫(kù)進(jìn)行了軟件的開發(fā)。圖10所示為軟件的功能設(shè)計(jì)圖。

圖10 測(cè)量軟件功能結(jié)構(gòu)Fig.10 Measure software functional structure

測(cè)量軟件通過(guò)串口協(xié)議和下位機(jī)進(jìn)行通信,通過(guò)C# 語(yǔ)言,基于.NET Framework 進(jìn)行開發(fā),在三維顯示與建模方面,采用OCC幾何建模庫(kù)與C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)模型與測(cè)量結(jié)果的三維動(dòng)態(tài)顯示與操作,并將算法封裝成DLL文件;上位機(jī)通過(guò)調(diào)用各個(gè)DLL庫(kù)提供的功能接口,完成三維可視化測(cè)量軟件的整體開發(fā)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

4.1 跟蹤穩(wěn)定性測(cè)試

為評(píng)定激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性,進(jìn)行了系統(tǒng)在靜止過(guò)程中PSD位置偏移量變化范圍測(cè)試。首先將測(cè)量光對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)靶球的中心位置并保持靶球與系統(tǒng)的位置靜止不動(dòng),目標(biāo)靶球距離控制在系統(tǒng)常規(guī)作業(yè)距離5 m的范圍之內(nèi),持續(xù)10 s;然后將10 s內(nèi)PSD的偏移值記錄并繪制成曲線,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,系統(tǒng)在靜止時(shí),PSD位置偏移量穩(wěn)定在0 μm上下,PSD自身會(huì)產(chǎn)生20 μm左右的偏移量。

圖11 系統(tǒng)跟蹤穩(wěn)定性測(cè)試Fig.11 System tracking stability test

4.2 位移分辨力測(cè)試

為測(cè)試系統(tǒng)的位移分辨力,利用精度不低于 1 μm 大理石氣浮位移導(dǎo)軌進(jìn)行了系統(tǒng)的位移分辨力測(cè)試實(shí)驗(yàn)。首先將激光光束固定在目標(biāo)靶球中心位置,目標(biāo)靶球距離仍然控制在系統(tǒng)常規(guī)作業(yè)距離5 m的范圍之內(nèi),然后分別連續(xù)進(jìn)行20 μm與40 μm的步進(jìn)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)時(shí)間持續(xù)10 s且步進(jìn)間隔為1 s,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖12所示。根據(jù)圖像中的曲線階梯變化是否明顯來(lái)得出系統(tǒng)位移分辨力,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在位移導(dǎo)軌進(jìn)行40 μm的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí),臺(tái)階效果明顯,因此系統(tǒng)的位移分辨力可以達(dá)到40 μm以上。

圖12 位移分辨力測(cè)試實(shí)驗(yàn)Fig.12 Displacement resolution test experiment

4.3 跟蹤測(cè)量性能測(cè)試

4.3.1 跟蹤速度測(cè)試

實(shí)驗(yàn)主要依托ABB公司IRB2600型機(jī)械臂來(lái)帶動(dòng)靶球分別以不同速度、加速度、軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng),從而來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的跟蹤性能各項(xiàng)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)中所使用機(jī)械臂工作范圍為1.65 m,負(fù)載能力達(dá)到20 kg,重復(fù)定位精度0.04 mm,重復(fù)路徑精度達(dá)到0.13 mm。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖13所示,使用Robotstudio軟件對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行編程控制,使目標(biāo)靶球分別在點(diǎn)A1與A2之間進(jìn)行水平方向的軌跡長(zhǎng)度為1 m的直線運(yùn)動(dòng)、點(diǎn)B1與B2之間進(jìn)行俯仰方向的軌跡長(zhǎng)度為 1 m 的直線運(yùn)動(dòng)、點(diǎn)C1與C2之間進(jìn)行45°方向的軌跡長(zhǎng)度為1.4 m的直線運(yùn)動(dòng)。選取的點(diǎn)與系統(tǒng)的距離為系統(tǒng)常規(guī)作業(yè)距離5 m,運(yùn)動(dòng)軌跡包含了水平軌跡、俯仰軌跡、45°方向軌跡,因此,可以全面地測(cè)量激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的跟蹤性能。

圖13 跟蹤性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)Fig.13 Track performance test experiments

圖14所示為系統(tǒng)在進(jìn)行跟蹤測(cè)試時(shí)的跟蹤速度曲線圖,其中vx、vy、vxy分別代表水平方向、俯仰方向、45°方向的運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤速度,由于在運(yùn)動(dòng)中機(jī)械臂需要通過(guò)減速調(diào)整關(guān)節(jié)來(lái)保持運(yùn)動(dòng)姿態(tài),因此運(yùn)動(dòng)速度曲線也存在輕微起伏。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,系統(tǒng)在水平方向具有最高速度與加速度,分別為480 mm/s與506 mm/s。由于當(dāng)前樣機(jī)跟蹤頭重量配置不平衡,重心偏移俯仰軸,軸系也未進(jìn)行垂直標(biāo)定,系統(tǒng)在俯仰方向與45°方向的跟蹤性能均小于水平方向。

圖14 跟蹤速度曲線Fig.14 Tracking velocity

4.3.2 跟蹤距離范圍測(cè)試

為測(cè)試系統(tǒng)的跟蹤測(cè)量范圍,在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院幾何計(jì)量科學(xué)研究所大尺寸計(jì)量研究室的80 m室內(nèi)長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了跟蹤距離范圍測(cè)試實(shí)驗(yàn)。80 m室內(nèi)長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)裝置具有自動(dòng)控制的運(yùn)行平臺(tái)裝置與干涉測(cè)距功能,其測(cè)量精度達(dá)到0.1 μm。

圖15為系統(tǒng)跟蹤距離測(cè)量范圍測(cè)試實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖,將系統(tǒng)樣機(jī)固定在80 m長(zhǎng)導(dǎo)軌上的平臺(tái)上,靶球固定在氣浮移動(dòng)平臺(tái)上,為了保證靶球在移動(dòng)過(guò)程中系統(tǒng)一直在跟蹤,將系統(tǒng)擺放在靶球移動(dòng)的直線路徑的一側(cè)?？刂破脚_(tái)由近向遠(yuǎn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng),每次步進(jìn)距離約10 m,直至系統(tǒng)出現(xiàn)了斷光。

圖15 跟蹤距離范圍測(cè)試Fig.15 Tracking range test

表2所示為步進(jìn)實(shí)驗(yàn)的坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)測(cè)量距離>70.152 m時(shí)出現(xiàn)了斷光,無(wú)法進(jìn)行跟蹤,因此系統(tǒng)跟蹤測(cè)量距離范圍不小于70 m。

4.3.3 三維可視化測(cè)量軟件功能驗(yàn)證

三維可視化測(cè)量軟件是系統(tǒng)的重要組成部分,本文進(jìn)行了軟件的功能驗(yàn)證。測(cè)量軟件的工作界面如圖16所示,圖中,數(shù)據(jù)區(qū)主要負(fù)責(zé)測(cè)量信息的顯示與測(cè)量指令的發(fā)送,菜單區(qū)主要負(fù)責(zé)三維模型的動(dòng)態(tài)操作與數(shù)據(jù)處理,三維顯示區(qū)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)跟蹤動(dòng)作的三維顯示。本測(cè)量軟件不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)角度、距離、坐標(biāo)的測(cè)量與存儲(chǔ),還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤過(guò)程進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)顯示。

圖16 三維可視化測(cè)量軟件Fig.16 3D visual measurement software

5 結(jié) 論

研制出一種體積小、重量輕、便攜式的小型激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)。采用光機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)方式,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)體積與質(zhì)量的減小,抗干擾能力的提高以及俯仰角度測(cè)量范圍的增大。通過(guò)優(yōu)化基于PSD的目標(biāo)偏差量采集部分光路,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)靶球允許最大偏差量的增大。完成了系統(tǒng)跟蹤控制模塊的設(shè)計(jì)、跟蹤控制算法與三維可視化測(cè)量軟件的開發(fā)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能與參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,系統(tǒng)跟蹤穩(wěn)定性與位移分辨力分別為 20 μm 和40 μm、跟蹤速度最高可達(dá)480 mm/s、跟蹤加速度最高可達(dá)506 mm/s2、跟蹤距離范圍不小于70 m、具有三維坐標(biāo)測(cè)量與三維可視化功能。

相比現(xiàn)有跟蹤儀,本文研制的激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)在體積、重量以及測(cè)角范圍方面均具有一定優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)跟蹤測(cè)量性能良好,可應(yīng)用于大尺寸測(cè)量中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)跟蹤與動(dòng)態(tài)坐標(biāo)測(cè)量當(dāng)中,具有良好的應(yīng)用前景。后續(xù)將在測(cè)量精度、測(cè)量軟件功能、軸系機(jī)械誤差等方面進(jìn)一步提高與改進(jìn),將應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到航空航天、國(guó)防軍事設(shè)備等其他高尖端領(lǐng)域。