六自由度光学测量传感器设计与研究

哈尔滨工业大学硕士学位论文

目录

摘要..............................................................................................................I ABSTRACT ................................................................................................... II 目录..............................................................................................................I 第1章绪论.. (1)

1.1课题的来源及研究的背景和意义 (1)

1.2国外研究现状 (1)

1.3国内研究现状 (3)

1.4本文主要研究内容 (4)

第2章六自由度光学测量传感器的原理及总体方案 (5)

2.1引言 (5)

2.2六自由度光学测量传感器原理 (5)

2.2.1六自由度光学测量传感器工作原理 (6)

2.2.2PSD检测光斑的数学模型 (6)

2.2.3位移变化量的误差模型 (12)

2.3六自由度光学测量传感器的总体方案设计 (20)

2.4本章小结 (20)

第3章六自由度光学测量传感器光学设计及仿真 (21)

3.1引言 (21)

3.2光学系统设计 (21)

3.3ZEMAX光学参数仿真 (23)

3.4ZEMAX光学系统误差仿真 (28)

3.5本章小结 (33)

第4章六自由度光学测量传感器系统软硬件设计 (34)

4.1引言 (34)

4.2PSD光电信号转换电路 (34)

4.3AD信号采集模块 (37)

4.3.1AD信号采集模块的硬件电路设计 (37)

4.3.2基于FPGA下的AD信号采集模块的Verilog编写 (40)

4.4基于FPGA下的数字信号预处理 (41)

4.5串口通信模块 (42)

4.5.1基于FPGA下的串口通信模块 (43)

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4.5.2基于Labview下的串口通信模块 (44)

4.6基于L ABVIEW下的上位机显示模块 (45)

4.7本章小结 (47)

第5章实验结果分析 (48)

5.1SIXDOF实验系统搭建 (48)

5.2综合实验与分析 (48)

5.2.1系统的标定实验 (48)

5.2.2数据处理 (56)

5.3本章小结 (61)

结论 (62)

参考文献 (63)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (66)

致谢 (67)

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第1章绪论

1.1课题的来源及研究的背景和意义

在灵活的现代化制造业中，往往需要对目标进行精密六自由度定位。例如，当机器人焊接的车门形状被微小修改后，机器操作工程师就需要对机器人重新调整以适应新形状的车门。这个过程不仅浪费了时间，而且往往也不是很准确。更重要的是，操作工程师和机器都需要停止正常的工作。如果希望机器能准确定位每一个部位，这需要更昂贵传感器和定位设备的支持。

许多公司展开了对非接触式激光传感器[1]的研究。但大部分都是一维，其中少数能够构造出物体的三维轮廓[2,3]。激光测距[4,5]相机可以通过扫描能够探测到静止物体的三坐标信息。但不能检测转动，但它也是六维光学传感器最大的竞争者。

美国加利福尼亚州的利菲莫尔劳伦斯国家实验室的Charles S.Van博士研发的六维光学传感器（简称SIXDOF）[6]。在1996年10月获得了研发界的奥斯卡奖-科技博览，在1999年3月16号获得美国专利[7]。但是其采用的关键元器件均是20年前的技术，现在本文采用新器件进行现代化设计提升。

1.2国外研究现状

针对现代工业自动化领域，对小工作距中的微位移和微角度的六维信息测量并不多，用于大距离六自由度测量领域的激光跟踪仪[8,9]则一直很受国内外的关注。

激光跟踪仪是用于工业测量的一种高精度、大尺寸的测量系统。其基本工作原理是在目标点上安装一个反射器，激光跟踪仪的跟踪头发出的激光照射到反射器上，在返回到跟踪头内部，当目标物体移动时，跟踪头便会调整光束方向，自动对准目标。激光跟踪仪可以解决静态或动态地跟踪一个在空间中运动的点的问题，同时可以确定目标点的空间位置坐标。其具体工作原理如图1-1所示。