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wMPS系统的硬件平台优化及动态坐标测量关键技术研究

作　者: 端木琼
导　师: 杨学友; 邾继贵
学　校: 天津大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 三维坐标测量光电扫描动态跟踪测量卡尔曼滤波
分类号: TH721
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 106次
引　用: 1次
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内容摘要

在大型装备制造业中,通常采用分段制造、整体拼装的工艺流程。为了保证装配精度,需要使用动态坐标测量技术实时监控装配过程,提供全姿态信息。室内坐标定位测量系统(wMPS)是一种基于光电扫描的新型坐标测量系统,针对工业现场动态测量所具有的高实时性、多目标并行测量等特点,本文对wMPS系统的硬件系统进行了优化设计,研究了动态测量方法,具体的研究内容如下:1、分析了工业现场动态跟踪测量的特点,对工业现场动态位姿测量方法以及其应用进行了综述。通过比较,重点论述了wMPS系统在动态测量中所具有的自动化程度高、并行测量能力强、跟踪性能好等优势。2、分析了测站的转速及转动稳定性对动态方位角测量的影响,从提高扫描驱动稳定性和减少摩擦的两个方面出发,对测站的电气系统进行了优化设计。采用基于锁相环原理的测站稳速驱动方法和感应耦合式转台供电系统,提高了测站的长期稳定性。3、针对动态测量中被测目标多、测量实时性高的需求,设计了位置传感器,将坐标解算任务迁移到前端处理机中,采用实时操作系统保证数据处理的实时性。4、分析了目标运动及测量数据异步性对动态测量的影响,利用递推法实现了异步数据的同步化,将最小二乘法与线性卡尔曼滤波相结合,利用最小二乘估值作为伪观测值,提高了动态坐标测量的精度。设计了多传感器之间的时间对准系统,保证了传感器之间数据的同步性。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-23
  1.1 引言  9-10
  1.2 动态位姿测量的定义和方法  10-15
    1.2.1 动态位姿测量的定义、特点及测量模式  10-11
    1.2.2 动态位姿测量方法  11-15
  1.3 三维动态位姿测量技术应用现状  15-17
  1.4 三维动态位姿测量的问题  17
  1.5 wMPS 三维坐标测量系统简介  17-21
    1.5.1 wMPS 三维坐标测量系统组成  18-19
    1.5.2 测站模型与方位角测量原理  19-20
    1.5.3 wMPS 系统的坐标测量原理  20
    1.5.4 wMPS 系统的研究现状  20-21
  1.6 项目概况和课题的主要工作  21-22
  1.7 内容安排  22-23
第二章 wMPS 测站电气系统优化设计  23-45
  2.1 测站转速对角度测量的影响  23-26
  2.2 wMPS 测站扫描驱动控制子系统优化设计  26-37
    2.2.1 测站转速驱动控制子系统优化方案  26-30
    2.2.2 主要器件选型  30-31
    2.2.3 鉴频鉴相电路的实现  31-32
    2.2.4 电机初级驱动的实现  32-33
    2.2.5 转速设定模块的实现  33-34
    2.2.6 中心控制器外围电路设计  34-35
    2.2.7 中心控制器软件程序设计  35-37
  2.3 测站旋转平台电源系统设计  37-44
    2.3.1 测站旋转平台电源优化方案  37-38
    2.3.2 感应耦合式供电系统的原理  38-39
    2.3.3 无接触变压器结构  39-40
    2.3.4 无接触变压器数学模型  40-42
    2.3.5 感应耦合式供电系统的初级侧的实现  42-43
    2.3.6 感应耦合式供电系统次级侧的实现  43-44
  2.4 本章小结  44-45
第三章 wMPS 三维坐标测量位置传感器设计  45-68
  3.1 位置传感器方案设计  45-46
  3.2 光电测头的设计与实现  46-50
    3.2.1 光电探测器的选择  46-47
    3.2.2 光电测头信号放大电路设计  47-49
    3.2.3 光电测头接口设计  49
    3.2.4 光电测头二值化比较器设计  49-50
  3.3 前端数字处理器的SOPC 设计与实现  50-57
    3.3.1 MicroBlazeTM 32 位软核处理器的结构与特点  51-52
    3.3.2 前端处理机结构与功能描述  52-53
    3.3.3 Microblaze 软核处理器的配置  53-54
    3.3.4 脉冲时刻点捕捉逻辑设计  54-56
    3.3.5 基于PLB 总线接口的“FIFO 读取”IP 核设计  56-57
  3.4 前端处理机软件设计  57-67
    3.4.1 μC/OS-Ⅱ 实时操作系统简介  58-59
    3.4.2 用户软件系统数据结构及操作  59-61
    3.4.3 前端处理机用户软件系统总体设计方案  61-62
    3.4.4 用户软件系统任务线程设计  62-67
  3.5 本章小结  67-68
第四章 wMPS 动态位姿测量关键技术研究  68-84
  4.1 wMPS 系统动态位姿测量的影响因素  68-71
    4.1.1 运动对方位角测量的影响  68-70
    4.1.2 运动对坐标测量的影响  70-71
    4.1.3 运动对姿态测量的影响  71
  4.2 wMPS 系统动态跟踪测量算法研究  71-78
    4.2.1 异步测量数据的时间对准  72
    4.2.2 被测目标的运动模型  72-74
    4.2.3 基于扩展卡尔曼滤波的动态坐标测量方法  74-76
    4.2.4 基于最小二乘-线性卡尔曼滤波的动态坐标测量方法  76-78
  4.3 wMPS 系统动态姿态测量算法研究  78-83
    4.3.1 姿态测量中常用的坐标系  79
    4.3.2 多个位置传感器之间测量数据的同步方法  79-81
    4.3.3 姿态测量算法研究  81-82
    4.3.4 四元数与欧拉角的相互转换关系  82-83
  4.4 本章小结  83-84
第五章实验与验证  84-92
  5.1 测站电气系统优化效果验证  84-86
  5.2 wMPS 系统动态测量验证  86-92
    5.2.1 动态测量验证平台  86-87
    5.2.2 动态坐标跟踪测量验证  87-90
    5.2.3 多个传感器测量结果同步性验证  90-92
第六章总结与展望  92-94
  6.1 全文总结  92-93
  6.2 论文创新点  93
  6.3 工作展望  93-94
参考文献  94-102
发表论文和科研情况说明  102-103
致谢  103

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