俯仰角组合测量系统的设计

　　1　引　言

　　目前许多大型工程机械都实现了自动控制,为确保自动控制的可靠性及施工的安全性,需要对其运动执行机构进行高精度的实时姿态测量,以实现有效的运动控制,但以光栅测角、激光干涉测角和激光自准直测角为代表的高精度(测量误差<1″)测角装置主要应用于精密加工、航空航天、军事和通讯等领域,系统结构复杂、测角量程小,抗干扰性差,不适用于工程机械的姿态测量领域。在工程机械的姿态角测量研究中,俯仰角及滚动角大多采用双轴倾角传感器直接进行测量,但倾角传感器输出信号具有明显的非线性特性,其受环境因素(如温度、振动等)的影响会发生漂移,稳定性较差。近年来,研究人员通过曲面拟合、神经网络等补偿算法来提高倾角传感器的精度,取得了一定效果,但精度和稳定性仍不够理想。

　　电荷耦合器件(CCD)具有响应速度快、灵敏度高、动态范围大、工作电压低、抗冲击与震动、性能稳定、输出信号易于处理等优点。以准直激光和CCD组合的光学测量法,近年来已经作为一种快速、有效的非接触测量手段,在各种角度测量系统中得到了广泛应用[1-7]。因此,本文利用准直激光、单轴倾角仪和CCD摄像机构建了俯仰角的组合测量系统,并基于蒙特卡罗法[8-12]的误差分析和利用高精度的三轴转台的模拟实验证明了组合测量方法的可行性和有效性。

　　2　组合测量方法

　　2.1　测量模型

　　俯仰角的组合测量模型如图1所示,测量装置主要包括CCD摄像机和单轴倾角仪。由于任意平行光束透过凸透镜后会在凸透镜的焦平面上汇聚成一点,因此将CCD芯片调至摄像机镜头的焦平面上,从而使得激光器发射的准直激光经过镜头聚焦能在CCD芯片上形成一个近似圆形的光斑。准直激光的水平角和垂直角都可以由激光器直接测得。单轴倾角仪的测量轴与CCD表面的横坐标OX平行,用于实时测量运动物体绕自身轴线OY旋转的角度即滚动角α。如图2所示,滚动角α不能直接通过倾角仪测量轴OX的测量值α′得到,因为它还与轴线OY相对水平面的夹角即俯仰角β相关,两角度关系如式(1)所示。

　　为了描述准直激光的水平角、垂直角以及运动物体的姿态角,引入世界坐标系Ow-XwYwZw。

　　另外,以CCD摄像机的镜头光心为原点、光轴为Y轴建立固连在运动物体上的测量坐标系O-XYZ。当测量坐标系和世界坐标系的方向一致时,可以认为运动物体的俯仰角β和滚动角α都为0;反之,运动物体所具有的俯仰角和滚动角可以看成是测量坐标系O-XYZ先沿轴线OX旋转俯仰角变为O-X′Y′Z′,再沿轴线OY′旋转滚动角变为O-X″Y″Z″所引起的,各个角度旋转的正方向如图3所示。假设此时激光矢量在CCD上形成的光斑坐标为(u″,v″),则其在测量坐标系O-X″Y″Z″中可以表示为(u″,f,v″),将之归一化为R″,即: