激光标记自动跟踪引伸计控制系统的研制

摘要

现代社会生产与科学研究中需要简便、准确地获知工程材料的机械参数，则对材料参数测试仪器的性能提出了更高的要求，其中引伸计是测量工程材料应力应变性能的主要工具之一。本论文系统地阐述了国内外引伸计以及视频跟踪控制方法的研究现状，设计了激光标记自动跟踪引伸计的控制系统，实现了激光标记对试件标记的全程精确跟踪。
　　论文在研究非接触式测量引伸计的基础之上，设计了一套基于激光标记自动跟踪引伸计的控制系统。首先设计了基于PID的激光标记自动跟踪算法，其方法是根据图像处理获得的激光标记与试件标记中心点坐标的像素距离，结合CCD参数标定结果和系统采样时间得出激光标记在实际空间中的跟踪位移量与伺服电机转速，实现激光标记对试件标记的实时跟踪。其次，考虑到基于PID的跟踪算法中CCD标定的繁琐且会引入较大误差，本文采用图像雅克比矩阵在线辨识的方法，建立了激光标记在实际空间中的跟踪位移量到图像空间跟踪位移量的映射关系，设计了一种基于无标定视觉伺服的激光标记自动跟踪引伸计控制算法，其方法是将图像雅克比矩阵元素作为滤波器的状态输入，激光标记相邻采样时间的坐标变化量作为滤波器的观测变量;根据辨识出的图像雅克比矩阵、两标记中心点的像素距离以及系统采样时间计算出激光标记实际空间中的跟踪位移量和伺服电机转速，实现了激光标记对试件标记的全程精确跟踪。
　　最后，构建了基于激光标记自动跟踪引伸计控制系统的实验装置，分别完成了铸铁、低碳钢、黄铜、铝四种常用的金属工程材料的拉伸实验。其中基于PID激光标记自动跟踪算法的四种材料跟踪精度分别为0.0329mm/4.0mm，0.1948mm/27.0mm，0.0514mm/12.0mm，0.0901mm/10.0mm。基于无标定视觉伺服的激光标记自动跟踪引伸计控制算法的四种材料的跟踪精度分别为:0.0238mm/4.0mm，0.0064mm/25.0mm，0.0153mm/12.0mm,0.0072mm/10.0mm。实验验证了上述两种算法都可实现激光标记对试件标记的全程精确跟踪，跟踪精度后者优于前者。

目录

声明

摘要

第一章 综述

1．1 论文的研究背景与意义

1．2 国内外研究引伸计技术研究现状

1．2．1 蝶式引伸计

1．2．2 杠杆式引伸计

1．2．3 电子式引伸计

1．2．4 非接触式引伸计

1．3 自动控制技术国内外研究现状

1．3．1 PID自动控制算法

1．3．2 模糊控制算法

1．3．3 神经元网络控制

1．3．4 视觉伺服控制理论

1．4 论文研究内容和组织结构

1．5 本章小结

第二章 激光标记自动跟踪控制系统的设计

2．1 激光标记自动跟踪引伸计控制系统框图

2．2 激光标记自动跟踪控制系统测量方法

2．2．1 伺服电机与伺服驱动器

2．2．2 伺服驱动器外接控制器

2．3 本章小结

第三章 基于CCD标定的PID激光标记自动跟踪算法设计

3．1 CCD的线性、非线性成像模型

3．2 基于PID的激光标记自动跟踪算法的设计

3．2．1 PID算法

3．2．2 激光标记自动跟踪算法实现

3．2．3 伺服驱动器参数设置

3．2．4 外接控制器程序设计

3．3 本章小结

第四章 基于无标定视觉伺服的激光标记自动跟踪控制系统的设计

4．1 视觉伺服控制系统

4．2 基于无标定视觉伺服的激光标记自动跟踪引伸计控制系统建模

4．2．1 系统图像雅克比矩阵的建立

4．2．2 图像雅克比矩阵的在线辨识

4．3 基于无标定视觉伺服的激光标记自动跟踪算法实现

4．3．1 激光标记与试件标记的图像雅克比矩阵实现

4．3．2 卡尔曼滤波器算法实现

4．3．3 激光标记自动跟踪算法实现步骤

4．3．4 激光标记自动跟踪算法Matlab仿真

4．3．5 伺服电机控制板程序设计

4．4 本章小结

第五章 实验结果及误差分析

5．1 实验装置

5．2 实验及结果

5．2．1 基于标定的PID算法跟踪控制实验

5．2．2 基于无标定视觉伺服跟踪控制方法实验

5．3 两种方案的跟踪精度对比

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文的主要创新点

6．2 论文完成的具体工作

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文与研究成果

附录