高精度平面運動圓環位移轉角測試系統設計

唐勝武, 李 濤, 喬 路

(中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

滑環的歸零控制是某新型發射控制系統的關鍵環節，要實現系統壓機歸零旋轉鎖定和推動偏轉，需要對金屬滑環推動過程中的水平位移與旋轉角度進行實時動態測量，其測量精度對于控制系統性能發揮著至關重要的作用。當前的位移、旋轉角度的測量一般需要相對固定的參考點及固定旋轉軸系，而在實際系統中同時存在動態的橫向與縱向水平位移和旋轉，兩個方向的水平位移與旋轉在測量時存在交叉干擾，傳統的測量手段難以保證在此種條件下系統需要的測試精度[1]。此外，在水平旋轉角度測量時，沒有固定軸系，圓心不固定，本身為金屬材質，常用的角度、角位移、方位角測量的方法在該系統中不能適用，還要考慮測試系統不能影響被測對象的正常運行[2]。

本文重點針對測量過程交叉干擾問題，設計一種非接觸式動態位移與轉角測試系統，采用激光測距結合視覺檢測手段，結合信號提取與動態數據解算方法,實現高精度水平位移與動態旋轉角度的測量。

1 測量系統結構

系統主要由主控制器及輸入顯示設備、水平位移測量單元、平面轉角測量單元、控制器局域網(controller area network,CAN)模塊、電源單元、現場安裝支架等部分組成，結構如圖1所示。

圖1 測試系統總體結構

主控制器實現位移與轉角傳感信號處理解算與動作控制、遠程通信功能，并提供本地人機交互界面與操作狀態指示；水平位移測量單元主要包括兩路激光位移傳感器,實現兩個軸向的水平位移測量；平面轉角測量單元通過視覺采集模塊處理高清相機的圖像信號，同時根據系統環境定制專用光源，實現清晰現場圖像采集，結合標尺設置實現高精度平動轉角測量；CAN模塊實現與遠程平臺監控臺通信與數據交互；電源單元主要為傳感器等器件提供正常工作所需電源； 現場安裝支架為系統硬件設備提供現場安裝平臺。本文重點介紹測量部分的軟硬件實現。

2 位移測量方案設計

本系統同時存在橫向與縱向水平位移，因此，圓環的轉動并對其邊緣的測量精度存在一定影響，必須同時對兩個方向位移進行測量，進行解算后，確定實際位移，設計采用基于光學三角法的高性能激光位移傳感器,滿足系統動態過程的水平位移測量需求。設計采用兩只激光測距傳感器分別水平和垂直布置在金屬圓環側面固定位置，將采集數據進行解算后，實現高精度水平位移測量[3]。

光學三角法原理測距主要由半導體激光器、鏡片、線性CMOS陣列、信號處理器等部分組成，通過三角函數計算陣列上的光電位置到物體的距離。測量原理示意圖如圖2所示[4～6]。

圖2 光學三角法原理示意圖

平面兩個軸向水平位移測量設計如圖3所示，將兩只激光位移傳感器固定安裝在水平與垂直方向，作為滑環初始零點位置，滑環在壓機的推動下產生平面移動，旋轉在這里對于激光位移測量理論上沒有影響，因此本處不考慮轉動因素。

圖3 位移測量示意圖

3 水平旋轉角度測量方案設計

旋轉角度測量時存在水平位移，一般的角度測量方法難以滿足測試要求，最佳的解決方案是通過視覺檢測的方法，結合信號提取、分析、解算算法，能夠實現動態運動過程旋轉角度精確測量[7]。

由于系統應用現場的上下空間安裝條件限制，采用側面安裝標志點的方式進行旋轉角度測量。在滑環側面約10 cm×10 cm空間內粘貼不少于9個標志點，該標志點在滑環參考坐標系中的位置需事先標定；相機距離滑環側面約50 cm，保證標志點可以在相機視場內清晰成像，經過計算仿真分析，通過高清相機配合環形光源實現清晰測量圖像攝錄，經過視覺采集模塊進行圖像采集與預處理，結合位移測量結果，通過上位機編制運行上位機信號處理與解算軟件進行分析計算，滿足系統測量要求。測量系統組成架構如圖4所示。

圖4 測量系統組成架構示意

(1)

記初始時刻的R,T為R0,T0，記i時刻的R,T為Ri,Ti，則滑環參考坐標系i時刻到初始時刻的旋轉矩陣和平移矢量

(2)

對ΔR進行角度分解，即為滑環參考坐標系i時刻相對初始時刻的旋轉角度，ΔT為滑環參考坐標系i時刻相對初始時刻的平動距離。

視覺信號采集原理如圖5所示。視覺采集參數測量過程：1)標定滑環二維平面運動攝像測量參數，包括相機內參數及圖像畸變系數、滑環所在平面參數方程、標志點在滑環參考坐標系中的位置；2)初始時刻滑環處于靜止狀態，相機對標志點成像，解算初始時刻滑環參考坐標系與相機坐標系的位姿關系；3)滑環沿自身所在平面開始運動，相機實時對標志點成像，解算任意時刻滑環參考坐標系與相機坐標系的位姿關系；4)計算滑環參考坐標系任意時刻相對初始時刻的平動距離和旋轉角度。

圖5 視覺信號采集原理

4 實驗結果

在實驗室條件下，對模擬對象進行實驗測試，圓盤轉動角度-0.5°～2°、水平位移范圍0～40 mm，在整個量程范圍內平均選取測試點，測試結果如表1所示。

表1 測量數據

測試結果表明，在整個量程范圍內，旋轉角度與平動位移測量精度完全能夠滿足設計要求,轉角測量最大誤差為0.028°，滿足設計要求的不大于0.05°指標，位移測量最大誤差為0.036 mm，滿足設計要求的不大于0.1 mm指標。實現了很好的測量結果。

5 結 論

本文設計的平面運動圓環的轉角位移自動測試系統，可實現對動態運動圓環的橫、縱向位移和旋轉角度測量。通過光學與視覺檢測的方法結合信號提取與融合解算，有效解決了同時存在水平位移與旋轉運動過程的交叉耦合干擾，實現了高精度的組合參數動態測量。系統具有非接觸測量、精度高、動態性能好等特點，可有效提高應用系統的機械運動控制精度與發射性能，還可用于多種運動平臺的綜合測試與研究。