激光跟踪仪快速跟踪测量关键技术研究

摘要

激光跟踪仪是一种大尺寸空间三维坐标测量仪器，因其测量范围广、精度高和实时跟踪的特点，被广泛应用于大飞机装配、汽车制造、机器人姿态校正和科学研究等领域。本课题基于UOI激光跟踪仪基站结构，主要对跟踪仪测距方法、目标偏差检测方法、实时跟踪反馈控制等关键技术进行了研究。课题完善了UOI激光跟踪仪的测量功能，并提升了系统跟踪性能，为研制具有独立自主知识产权的激光跟踪仪产品打下了基础。本文的主要研究工作如下：
　　针对激光跟踪仪三维坐标的测量模型，分析了系统跟踪原理和目标检测单元的光束投射原理。建立了空间坐标测量补偿模型，研究了动态测量偏差与PSD坐标解耦关系。针对本课题中快速跟踪测量要求，设计了跟踪仪整体测控方案。
　　针对原有系统光路由分立元件搭建，稳定性差导致测量精度受限等问题，设计了集成化探测光机平台，并采用了大功率近红外半导体激光作为跟踪光源，保证探测单元信噪比。针对PSD探测单元易被杂散光和光学元件表面回光干扰，导致检测精度不高的问题，设计了软硬件滤波单元和抗干扰光斑补偿单元，满足了系统对快速运动目标位置偏差实时检测的要求。采用了参考位置距离一定的双频干涉测量方法实现绝对测距，设计电子细分模块对干涉信号进行32倍细分计数，实现了0.01μm干涉测距分辨力。
　　针对伺服控制的PID调节方式，比较了伺服系统在速度环控制策略和位置环控制策略下的优缺点，进而选择了理论跟踪速度更快的速度环控制策略，设计了跟踪控制算法，为跟踪经验参数的选择提供估算模型。针对伺服跟踪控制的技术要求，研究了角坐标测量技术、模量传输技术和双核协作通信技术。基于USB通信方式，设计了LabVIEW的3D动态实时显示界面，实现了对系统测量结果和各部分状态的实时监测。
　　最后，根据系统整体方案搭建了单站式激光跟踪仪测控系统，并进行了单轴跟踪速度测试实验、重复性检测实验、系统分辨力实验以及综合跟踪测量实验。实验结果表明，所设计的激光跟踪仪快速跟踪测控系统能够在3.5m范围内，对高达0.51m/s速度的目标良好跟踪，系统重复性优于±10.6μm，测量分辨力10μm。

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第1章 绪论

1.1课题背景及研究的目的与意义

1.2激光跟踪仪国内外发展现状

1.3课题主要研究内容

第2章 激光跟踪原理与伺服控制技术研究

2.1引言

2.2激光跟踪仪工作原理分析

2.3激光跟踪仪空间坐标测量模型

2.4本章小结

第3章 光学合作单元结构设计与技术研究

3.1引言

3.2光学合作单元原理分析

3.3集成探测光路设计

3.4目标偏差检测单元设计

3.5距离测量单元

3.6本章小结

第4章 伺服跟踪控制技术研究

4.1引言

4.2伺服控制方案设计

4.3跟踪控制策略分析

4.4跟踪算法设计

4.5伺服跟踪控制技术

4.6基于LabVIEW系统显示技术

4.7 本章小结

第5章 实验与分析

5.1引言

5.1激光跟踪仪测控系统搭建和实验方法设计

5.2跟踪速度测试实验

5.3重复性检测实验

5.4测量分辨力实验

5.5综合跟踪测量实验

5.6 本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢