特殊对象的测量数据误差处理与不确定度研究

摘要

测量误差与不确定度在生产实践中和科学研究中极为重要，误差和不确定度越小，质量越高，使用价值越高。机械行业中形状误差是评定产品质量的一项重要指标，准确地测量和评定零件的形状误差，不但可以作为验收零件合格的依据，还可以为提高零件加工和装配精度提供可靠数据。“嫦娥一号”探月卫星的成功发射和运行是我国第一次探测距离地球40万千米范围内的月球空间环境。空间环境中不确定的热环境、电磁环境，以及空间高能粒子的轰击等不仅会影响探月卫星的控制精度，而且会对探月卫星上携带的各种有效载荷（月球观测仪器）带来明显的测量误差，降低测量的可靠性和测量精度，因此有必要对月球探测数据进行误差分析和不确定度研究。本文针对形状误差参数测量数据及嫦娥一号激光高度计月球高程探测数据的这两种特殊对象的误差处理与不确定度分析研究。
　　对圆度平面度误差采用了基于最小区域方法的微分进化优化算法评定研究，分别选择文献中的10个典型实例验证，并与文献中的算法相比较，最终验证了微分进化算法在圆度、平面度误差评定中的有效性与可靠性。
　　对自由曲线、自由曲面零件轮廓度误差进行了基于拟粒子群算法的评定与不确定度研究。采用非均匀有理B样条表示自由曲线，应用拟粒子群算法优化重建自由曲线，确立了粒子群算法重建自由曲线及采用拟随机序列生成参数值求解点到曲线最短距离的具体步骤。通过对仿真实例和实测零件曲线轮廓度误差计算，结果证实提出方法算法简单、计算速度快、精度高，适于在工程计量中推广应用。为实现基于CAD模型引导测量的自由曲面定位及轮廓度误差评定，首先针对三坐标测量仪检测自由曲面时存在的设计坐标系与测量坐标系不重合问题，提出用拟粒子群优化算法优化实现被测曲面与设计曲面精确定位;其次针对自由曲面特点，提出用轮廓峰谷误差和轮廓均方根误差综合评定自由曲面形状误差。通过对仿真实例和实测零件自由曲面轮廓度误差计算，结果证实采用本文提出的方法能够实现自由曲面精确定位适于对高精度自由曲面零件形状误差评定。
　　对圆度误差开展了从采样策略入手，通过实验确定合适的采样点数，再采用微分进化优化算法实现圆度误差最小区域解，并基于蒙特卡洛法与GUM法的进行了圆度误差不确定度评定，两种方法的结果基本一致。对复杂轮廓圆锥度误差开展了基于拟粒子群算法基础上的自适应蒙特卡洛法不确定度评定，建立了复杂圆锥形工件的锥度误差最小区域模型，并采用了拟粒子群算法优化算法得到了圆锥度最小区域解。由于圆锥度误差的最小区域模型的是复杂非线性模型，采用GUM方法要求解偏导数难以实现，故采用了自适应蒙特卡洛方法估计圆锥度误差的测量不确定度，并由实验验证了提出方法的可行性。
　　由于嫦娥一号卫星是极地圆月轨道，月球两极区的高程探测覆盖率较高，数据点较多。所以从激光高度计的月球高程探测的海量数据中选择靠近月球两极区区域的高程数据为对象进行激光高度计高程探测数据的误差分析处理，给出了分析结果;由于月球表面地形之一的月海是是月面上的广阔平原，选择月海区域的激光高度计高程数据来研究不确定度可以最大限度的减少地形变化对月表地形高程探测带来的影响。以月海区域的高程探测数据对对象进行了激光高度计高程探测数据误差的不确定度研究，给出了误差及不确定度的处理结果，研究结果为深空探测仪器的设计及绘制月球数字高程图提供了参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景及意义

1．2．1 误差与不确定度的研究意义

1．2．2 本课题的研究背景及意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 形状误差研究现状

1．3．2 形状误差测量不确定度研究现状

1．3．3 月球地形探测误差与不确定度研究现状

1．4 课题研究的主要内容

1．4．1 本文的研究内容

1．4．2 本文的组织结构

1．5 本章小结

第二章 基于微分进化算法的圆度误差和平面度误差评定

2．1 引言

2．2 问题的提出

2．3 微分进化算法

2．3．1 微分进化算法原理

2．3．2 DE算法步骤

2．3．3 算法的多种形式

2．3．4 微分进化的应用

2．4 数学模型及微分进化实现流程

2．4．1 最小二乘与最小区域圆度误差数学模型

2．4．2 平面度误差的最小区域数学模型

2．4．3 圆度误差与平面度误差的微分进化实现流程

2．5 实例验证与讨论

2．5．1 圆度误差实例

2．5．2 平面度误差评定实例

2．6 本章小结

第三章 基于拟粒子群优化算法的自由曲线与自由曲面轮廓度误差评定

3．1 引言

3．2 问题的提出

3．3 拟粒子群算法

3．3．1 拟随机Halton序列

3．3．2 粒子群算法的提出

3．3．3 粒子群算法的数学表示与原理

3．3．4 算法步骤

3．3．5 粒子群算法的应用

3．4 自由曲线轮廓度误差评定

3．4．1 自由曲线理论轮廓的重建

3．4．2 自由曲线重建

3．4．3 基于拟随机序列求解点到自由曲线的最短距离

3．4．4 实验结果与讨论

3．5 自由曲面定位及轮廓度误差评定

3．5．1 自由曲面

3．5．2 基于拟粒子群优化算法的自由曲面定位

3．5．3 自由曲面轮廓度误差

3．5．4 实验结果与讨论

3．6 本章小结

第四章 基于三坐标测量机的圆度与圆锥度误差测量不确定度评定

4．1 引言

4．2 问题的提出

4．3 圆度误差不确定度评定

4．3．1 圆度误差评定的数学模型与拟合算法

4．3．2 采样策略与数据处理

4．3．3 不确定度计算

4．3．4 结果与讨论

4．4 基于三坐标测量机的圆锥度误差不确定度评定

4．4．1 最小区域圆锥度误差的数学模型

4．4．2 基于拟粒子群算法的最小区域圆锥度误差实现

4．4．3 圆锥度误差测量不确定度评定

4．4．4 实验结果与讨论

4．5 本章小结

第五章 嫦娥一号激光高度计在轨测量数据误差分析与不确定度研究

5．1 引言

5．2 问题的提出

5．3 激光高度计

5．4 嫦娥激光高度计科学探测数据误差分析与处理

5．4．1 数据预处理(数据的选择)

5．4．2 激光高度计的数据研究处理

5．4．3 结果与讨论

5．5 激光高度计在轨探测数据误差的不确定度研究

5．5．1 处理区域的选择

5．5．2 所选择区域的数据处理

5．5．3 不确定度来源定义

5．5．4 不确定度评定过程

5．5．5 结果与讨论

5．6 本章小结

第六章 研究总结与展望

6．1 研究总结

6．2 主要创新点

6．3 未来研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及成果