高精度平面运动圆环位移转角测试系统设计

唐胜武, 李 涛, 乔 路

(中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

滑环的归零控制是某新型发射控制系统的关键环节，要实现系统压机归零旋转锁定和推动偏转，需要对金属滑环推动过程中的水平位移与旋转角度进行实时动态测量，其测量精度对于控制系统性能发挥着至关重要的作用。当前的位移、旋转角度的测量一般需要相对固定的参考点及固定旋转轴系，而在实际系统中同时存在动态的横向与纵向水平位移和旋转，两个方向的水平位移与旋转在测量时存在交叉干扰，传统的测量手段难以保证在此种条件下系统需要的测试精度[1]。此外，在水平旋转角度测量时，没有固定轴系，圆心不固定，本身为金属材质，常用的角度、角位移、方位角测量的方法在该系统中不能适用，还要考虑测试系统不能影响被测对象的正常运行[2]。

本文重点针对测量过程交叉干扰问题，设计一种非接触式动态位移与转角测试系统，采用激光测距结合视觉检测手段，结合信号提取与动态数据解算方法,实现高精度水平位移与动态旋转角度的测量。

1 测量系统结构

系统主要由主控制器及输入显示设备、水平位移测量单元、平面转角测量单元、控制器局域网(controller area network,CAN)模块、电源单元、现场安装支架等部分组成，结构如图1所示。

图1 测试系统总体结构

主控制器实现位移与转角传感信号处理解算与动作控制、远程通信功能，并提供本地人机交互界面与操作状态指示；水平位移测量单元主要包括两路激光位移传感器,实现两个轴向的水平位移测量；平面转角测量单元通过视觉采集模块处理高清相机的图像信号，同时根据系统环境定制专用光源，实现清晰现场图像采集，结合标尺设置实现高精度平动转角测量；CAN模块实现与远程平台监控台通信与数据交互；电源单元主要为传感器等器件提供正常工作所需电源； 现场安装支架为系统硬件设备提供现场安装平台。本文重点介绍测量部分的软硬件实现。

2 位移测量方案设计

本系统同时存在横向与纵向水平位移，因此，圆环的转动并对其边缘的测量精度存在一定影响，必须同时对两个方向位移进行测量，进行解算后，确定实际位移，设计采用基于光学三角法的高性能激光位移传感器,满足系统动态过程的水平位移测量需求。设计采用两只激光测距传感器分别水平和垂直布置在金属圆环侧面固定位置，将采集数据进行解算后，实现高精度水平位移测量[3]。

光学三角法原理测距主要由半导体激光器、镜片、线性CMOS阵列、信号处理器等部分组成，通过三角函数计算阵列上的光电位置到物体的距离。测量原理示意图如图2所示[4～6]。

图2 光学三角法原理示意图

平面两个轴向水平位移测量设计如图3所示，将两只激光位移传感器固定安装在水平与垂直方向，作为滑环初始零点位置，滑环在压机的推动下产生平面移动，旋转在这里对于激光位移测量理论上没有影响，因此本处不考虑转动因素。

图3 位移测量示意图

3 水平旋转角度测量方案设计

旋转角度测量时存在水平位移，一般的角度测量方法难以满足测试要求，最佳的解决方案是通过视觉检测的方法，结合信号提取、分析、解算算法，能够实现动态运动过程旋转角度精确测量[7]。

由于系统应用现场的上下空间安装条件限制，采用侧面安装标志点的方式进行旋转角度测量。在滑环侧面约10 cm×10 cm空间内粘贴不少于9个标志点，该标志点在滑环参考坐标系中的位置需事先标定；相机距离滑环侧面约50 cm，保证标志点可以在相机视场内清晰成像，经过计算仿真分析，通过高清相机配合环形光源实现清晰测量图像摄录，经过视觉采集模块进行图像采集与预处理，结合位移测量结果，通过上位机编制运行上位机信号处理与解算软件进行分析计算，满足系统测量要求。测量系统组成架构如图4所示。

图4 测量系统组成架构示意

(1)

记初始时刻的R,T为R0,T0，记i时刻的R,T为Ri,Ti，则滑环参考坐标系i时刻到初始时刻的旋转矩阵和平移矢量

(2)

对ΔR进行角度分解，即为滑环参考坐标系i时刻相对初始时刻的旋转角度，ΔT为滑环参考坐标系i时刻相对初始时刻的平动距离。

视觉信号采集原理如图5所示。视觉采集参数测量过程：1)标定滑环二维平面运动摄像测量参数，包括相机内参数及图像畸变系数、滑环所在平面参数方程、标志点在滑环参考坐标系中的位置；2)初始时刻滑环处于静止状态，相机对标志点成像，解算初始时刻滑环参考坐标系与相机坐标系的位姿关系；3)滑环沿自身所在平面开始运动，相机实时对标志点成像，解算任意时刻滑环参考坐标系与相机坐标系的位姿关系；4)计算滑环参考坐标系任意时刻相对初始时刻的平动距离和旋转角度。

图5 视觉信号采集原理

4 实验结果

在实验室条件下，对模拟对象进行实验测试，圆盘转动角度-0.5°～2°、水平位移范围0～40 mm，在整个量程范围内平均选取测试点，测试结果如表1所示。

表1 测量数据

测试结果表明，在整个量程范围内，旋转角度与平动位移测量精度完全能够满足设计要求,转角测量最大误差为0.028°，满足设计要求的不大于0.05°指标，位移测量最大误差为0.036 mm，满足设计要求的不大于0.1 mm指标。实现了很好的测量结果。

5 结 论

本文设计的平面运动圆环的转角位移自动测试系统，可实现对动态运动圆环的横、纵向位移和旋转角度测量。通过光学与视觉检测的方法结合信号提取与融合解算，有效解决了同时存在水平位移与旋转运动过程的交叉耦合干扰，实现了高精度的组合参数动态测量。系统具有非接触测量、精度高、动态性能好等特点，可有效提高应用系统的机械运动控制精度与发射性能，还可用于多种运动平台的综合测试与研究。