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基于激光跟踪仪的目标运动轨迹测量方法研究

毕善勇  
【摘要】:目标运动轨迹测量,在大尺寸工业装备制造及空间构件形位检测领域较为常见。由于需要在目标运动状态下实现精密测量,本质上属于动态测量的范畴,相关的测量解决方案尚不多见。而近年来,随着激光跟踪测量技术的发展及应用,因其测量精度高、动态跟踪性能好、设站灵活等技术优势,已成为解决动态测量难题的重要手段。本文以LeicaAT930激光跟踪仪动态测量技术为背景,开展了轨迹方程求解、轨迹参数解析计算、坐标序列表达、轨迹拟合以及轨迹点跳变分析等方面的研究工作,得到了以下结论:(1)以经典平面直线、空间直线、平面圆周、空间圆周运动为例,分析了运动轨迹方程及其求解方法。在二维、三维空间内,定义了矢量位移量、轴向夹角、面向倾角等轨迹参数,推导了其求解算式。在MATLAB环境下,编程实现了轨迹参数的自动求取。(2)以动态轨迹测量为例,介绍了激光跟踪仪测取坐标序列的主要方法与步骤。分析了轨迹测量的坐标序列表达方法,在MATLAB、SA等软件环境下,分析了坐标序列的表现形式及优缺点,定义了坐标序列在不同软件下的数据格式。(3)开展了激光跟踪仪合作目标的测量有效性测试。以RRR型球形棱镜(Art.No:20586)为测试对象,系统地测试了三维坐标测量的内符合精度,以及激光入射角度、视距等因素对测量精度的影响规律等。测试结果表明,在20m测量范围内,内符合精度在±0.014mm以内;当测程超过20m,内符合精度衰减严重。随入射角度的增大,点位内符合精度逐渐降低,入射角度在(-15°,+15°)区间内时精度稳定,在20m测量视距内测量精度稳定在0.001mm之内。(4)对经典平面直线、空间直线、平面圆周、空间圆周轨迹运动进行轨迹点跳变分析。分别解析了轨迹点跳变的跳变原理、计算方法等问题。运用运动最小二乘原理对轨迹拟合质量做出评判。(5)将激光跟踪仪动态轨迹测量技术应用于某煤矿提升机姿态检测工程。在提升机所在绞车房内,通过两次安置激光跟踪仪,以公共点连接,构建全局测量空间。跟踪测量提升机外侧面球形棱镜的圆周运行轨迹,运用轨迹坐标序列构建轨迹方程,进行轨迹拟合与轨迹质量评判。通过拟合求得提升机主轴轴心坐标,进而分析主轴倾斜率、两侧高差、主轴方位等参数,验证了激光跟踪仪动态轨迹测量应用于检测中的可行性。


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