一种圆柱体平面运动轨迹激光测量方法与流程

本发明属于运动轨迹光学测量领域，具体涉及一种圆柱体平面运动轨迹激光测量方法。

背景技术：

激光测量具有测量精度高，范围大，检测时间短，非接触测量等优点，在航空航天、军事、医疗、工业、农业等领域应用越来越广泛。激光测量包括激光测距和激光测振两种重要功能，本专利基于的是激光测距技术。原理分为激光三角测量法和激光回波分析法。其中激光三角测量法适用于近距离的高精密测量，而激光回波分析法适用于远距离测量。

运动轨迹测量是激光测量的重要应用，运动轨迹测量可以为研究提供重要信息。运动轨迹数据可以在状态监控、误差补偿、数据融合、参数调整和算法设计等方面提供重要的分析依据和评价标准。因此,运动轨迹的测量在移动机器人、机械加工研究中有着重要的应用价值。

其中基于激光测距在圆轨迹测量引申的典型用法是数控机床综合误差测量与评价的圆检验方法，圆检验测量方法及技术是误差测量与评价的基础，其测量精度限制了数控机床的误差溯源、补偿，从而影响机床精度改善，是现代高端装备制造业的关键问题之一。但其原理是利用在圆表面附加的平面镜实现圆外形的几何解耦，此方法仅能实现对圆心运动轨迹特定方位的测量，且测量系统复杂。

圆柱体在平面内进行任意运动，现有技术对于圆柱体平面内平动采用在圆柱体表明安装附加结构实现圆几何特征解耦，进而实现圆心运动轨迹的测量。但是对于平动伴随有无规律的绕圆心转动的情况此技术方案不可行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种圆柱体平面运动轨迹激光测量方法，利用激光测距技术基于几何特征解耦算法，解决了圆柱几何特征和圆柱体自旋转运动对圆心运动轨迹测量的影响问题，实现了圆柱体平面内圆心运动轨迹的连续实时测量。

一种圆柱体平面运动轨迹激光测量方法，包括如下步骤：

(1)根据圆柱体在平面运动的几何特征，选取安装激光位移传感器，安装要求是圆柱体理论初始位置时，圆柱体与激光位移传感器的距离为激光位移传感器位移测量中心距离；

(2)计算得到圆心运动轨迹激光位移数据δx和δy，其中δx为x向位移分量，δy为y向位移分量；

(3)画出以δx和δy为坐标轴的x-y图，即圆柱体圆心在平面的运动轨迹。

所述激光位移传感器是2个时，所述2个激光位移传感器正交安装；

计算得到

其中，x为x轴激光位移传感器激光点在圆柱体当前位置相对圆柱体理论初始位置的x向位移变化量；y为y轴激光位移传感器激光点在圆柱体当前位置相对圆柱体理论初始位置的y向位移变化量；r为圆柱体半径。

所述激光位移传感器是3个时，所述3个激光位移传感器中的其中2个激光位移传感器正交安装，另外1个激光位移传感器安装在以平面底盘中心为中点的前2个激光位移传感器其中1个的对面；

计算得到

其中，x为x轴激光位移传感器激光点在圆柱体当前位置相对圆柱体理论初始位置的x向位移变化量，y1为y轴第1个激光位移传感器激光点在圆柱体当前位置相对圆柱体理论初始位置的y向位移变化量，y2为y轴第2个激光位移传感器激光点在圆柱体当前位置相对圆柱体理论初始位置的y向位移变化量，r为圆柱体半径。

激光位移传感器是4个时，所述4个激光位移传感器正交安装在以平面底盘中心为中点的四个方位；

计算得到

其中，x1为x轴第1个激光位移传感器激光点在圆柱体当前位置相对圆柱体理论初始位置的x向位移变化量，x2为x轴第2个激光位移传感器激光点在圆柱体当前位置相对圆柱体理论初始位置的x向位移变化量，y1为y轴第1个激光位移传感器激光点在圆柱体当前位置相对圆柱体理论初始位置的y向位移变化量，y2为y轴第2个激光位移传感器激光点在圆柱体当前位置相对圆柱体理论初始位置的y向位移变化量。

所述激光位移传感器线缆连接数据采集分析设备，所述数据采集分析设备对激光位移传感器电信号进行处理分析。

进一步的，所述激光位移传感器反射角度超过最大反射角度时，计算垂直于激光位移传感器测量方向的可测量范围，然后以此数据作为间距布置多个激光位移传感器得到整个区域的激光线测量网络，通过圆心在激光线测量网络内的位置监测进行圆柱体圆心位置测量。

所述数据采集分析设备为高速数据采集仪。

本发明的有益效果如下：

本发明基于圆柱体几何特征及激光位移传感器与圆柱体的相对位置关系，利用平面几何分析，引入三角函数实现了圆柱体圆心位移在直角坐标系内的坐标变量解耦，现有技术相比所具有方案适用范围广、系统简单、安装操作简单、方案灵活多样、设备成本低等优点，具有广泛的应用前景和较高的推广价值。

附图说明

图1是双激光干涉仪非接触式圆轨迹(圆柱表面)测量原理图；

图2是圆柱体平面运动示意图；

图3是激光位移传感器位移测量量程示意图；

图4是本发明的圆心运动轨迹双激光位移数据处理原理图；

图5是圆心运动测量范围扩大示意图；

图6是本发明的圆心运动轨迹三激光位移数据处理原理图；

图7是本发明的圆心运动轨迹四激光位移数据处理原理图；

其中，

1-圆柱体理论初始位置；2—圆柱体当前位置；3-圆柱体理论初始位置圆心及直角坐标系的原点；4-圆柱体圆心x向位移分量δx；5—圆柱体圆心y向位移分量δy；6-圆柱体当前位置圆心；7—平面底盘；8-直角坐标系的x轴；9—直角坐标系的y轴；10-激光位移传感器；11-位移测量中心距离；12-位移测量上限；13-位移测量下限；14-圆柱体理论初始位置y向激光位移传感器在圆柱体表面的激光点；15-圆柱体当前位置y向激光位移传感器在圆柱体表面的激光点；16-15相对14的y向位移变化量y；17-圆柱体理论初始位置x向激光位移传感器在圆柱体表面的激光点；18-圆柱体当前位置x向激光位移传感器在圆柱体表面的激光点；19-18相对17的x向位移变化量x；20-圆柱体半径；21-15和18连线与9的夹角a；22-6和18连线同15和18连线的夹角b；23-15和18的连线与8的夹角c；24-6和15连线同15和18连线的夹角d；25-激光位移传感器的信号线；26-数据采集仪；27-圆柱体理论初始位置附近y轴激光位移传感器激光线；28-圆柱体理论初始位置附近x轴激光位移传感器激光线；29-圆柱体当前位置附近y轴激光位移传感器激光线；30-圆柱体当前位置附近x轴激光位移传感器激光线；31-激光位移传感器器激光线测量网络；32-第三个激光位移传感器在圆柱体理论初始位置状态圆柱体表面的激光点；33-第三个激光位移传感器在圆柱体当前位置状态圆柱体表面的激光点；34-33相对32的位移变化量；35-第四个激光位移传感器在圆柱体理论初始位置状态圆柱体表面的激光点；36-第四个激光位移传感器在圆柱体当前位置状态圆柱体表面的激光点；37-36相对35的位移变化量。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明要求保护的范围。

一种圆柱体平面运动轨迹激光测量方法，包括如下步骤：

(1)根据圆柱体在平面运动的几何特征，选取安装激光位移传感器，安装要求是圆柱体理论初始位置时，圆柱体与激光位移传感器的距离为激光位移传感器位移测量中心距离；

(2)计算得到圆心运动轨迹激光位移数据δx和δy，其中δx为x向位移分量，δy为y向位移分量；

(3)画出以δx和δy为坐标轴的x-y图，即圆柱体圆心在平面的运动轨迹。

具体如下：

1)激光位移传感器与测量点的距离尽量与激光位移传感器位移测量中心位置一致，两支激光位移传感器正交安装。两支激光位移传感器激光延长线的交点作为圆柱理论初始位置的圆心也是此局部直角坐标系的圆心。见图3和图4。

2)激光位移传感器的线缆与数据采集分析设备连接，数据采集分析设备对激光位移传感器的电信号进行处理分析得到相对应的物理量，见图4。

3)基于激光位移传感器测量得到的位移变化量及圆柱体的几何特征，利用几何分析方法得到圆心运动轨迹激光位移数据处理方法，见图4。

将公式1和公式2代入到公式3和公式4得：

4)利用数据采集仪的数据处理软件画出以δx和δy为坐标轴的x-y图，即时显示即可实时掌握圆柱体圆心在平面的运动轨迹。

5)测量范围扩大方案

由于圆柱体的几何特征及激光位移传感器对反射光的反射角度的要求，超过要求的反射角度，激光位移传感器的位移输出信号不稳定，这导致对圆柱体圆心平面运动轨迹测量范围有所限制。解决此问题的技术方案是基于激光位移传感器的反射角度要求，计算得到垂直于激光位移传感器测量方向的可测量范围。然后以此数据作为间距布置多个激光位移传感器得到整个区域的激光线测量网络，通过圆心在激光线测量网络内的位置监测，判断启用有效的激光位移传感器进行圆柱体圆心位置测量，进而实现覆盖整个运动范围区域。见图5。

6)多激光位移传感器测量方案

两支激光位移传感器的圆柱体圆心运动轨迹测量方案对于数据采集设备的实时计算能力要求较高。基于此提出了三支激光位移传感器的圆心运动轨迹测量方案及四支激光位移传感器的圆心运动轨迹测量方案。

三支激光位移传感器的圆心运动轨迹计算方法，见图6。

四支激光位移传感器的圆心运动轨迹计算方法，见图7。

激光位移传感器是利用激光技术进行测量的传感器，能够精确非接触测量被测物体的长度、距离、振动、速度等物理量。基于激光三角测量法的激光位移传感器的量程范围表达包括测量中心距离和测量范围两个指标，见图2。

数据采集分析设备是将以转换为电信号的各种物理量，可以是模拟量也可以是数字量，经过a/d转换离散数字量，读取a/d转换值并存入存储器。数据采集分析的功能主要通过软件来实现。

圆柱体以一个圆为底面上或下移动一定的距离，所经过的空间叫做圆柱体。

数学函数表达式：sin正弦函数；π圆周率；atan反正切函数；acos反余弦函数；abs绝对值函数。

下面以某工程实例为例说明专利的具体实施方法：

1)首先掌握圆柱体的几何特征值，如圆柱体高度160mm和半径200mm，见图2；

2)掌握平面底盘的几何特征，分析圆柱体在平面底盘的运动范围，如平面底盘的半径为300mm，那么圆柱体在平面底盘内的运动范围是±100mm，见图2；

3)根据圆柱体在平面底盘运动范围，确定激光位移传感器的最大反射角度是否满足传感器的使用条件，进而确定激光位移传感器的测量方案。如本工程实例计算得到的最大反射镜为30°，满足激光位移传感器的使用条件，那么激光位移传感器的测量方案初步确定为两支激光位移传感器正交安装，两支激光位移传感器激光延长线的交点与平面底盘的圆心一致；

4)根据以上信息，选取的激光位移传感器的量程范围应满足不小于±100mm，激光位移传感器位移测量中心距离不小于300mm，数据采集仪应具备三角函数计算和绘制x-y图能力，本例选取量程范围±150mm，位移测量中心距离500mm的某型号激光位移传感器，选取了具有多测量通道的高速数据采集仪，具备三角函数计算和绘制图能力，并能实时在线分析和显示，见图2和图3；

5)根据前期的测量方案，进行激光位移传感器的安装，安装要求是圆柱体理论初始位置时，圆柱体与激光位移传感器的距离为激光位移传感器位移测量中心距离，见图3和图4；

6)将激光位移传感器线缆连接到数据采集仪，见图4；

7)在数据采集仪配套的软件内根据选取的激光位移传感器的测量方案，输入相应的圆柱体圆心位置解耦算法，本工程实例确定的圆柱体圆心位置解耦算法如下：

8)在数据采集仪配套的软件内，以圆柱体圆心x向位移分量为x轴和y向位移分量为y轴绘制x-y图；

9)水平移动圆柱体对比x-y图的圆柱体圆心运动轨迹，校核相对坐标关系；

10)工程实际应用。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专利技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。