CN102901844A - 基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法、测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法，包括如下步骤，1)确定位置敏感传感器的有效探测区域；2)在位置敏感传感器的近平面和远平面分别选取若干对相对于中心旋转对称点作为取样点；其中，所述近平面和远平面分别指位置敏感传感器有效探测区域沿轴向的最远端和最近端的平面；3)将标定用光源依次设置于每一取样点位置，记录每一取样点的位置坐标以及设置于该位置的光源在位置敏感传感器上的输出坐标，并建立二者之间的对应关系，形成标定数据库。本发明的标定方法自动化程度高，标定后可使用系统对不同纵深位置上进行精确的三维测量。本发明同时还提供一种基于位置敏感传感器的运动参数测量系统。

Description

基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法、测量系统

技术领域

本发明属于测量技术领域，特别是涉及一种基于位置敏感探测器(Position Sensitive Detector，PSD)的运动参数测量系统的标定方法。本发明同时还涉及一种基于位置敏感传感器的运动参数测量系统。 

背景技术

位置敏感探测器(PSD)是一种基于横向光电效应的探测器，多用于光学信号位置测量。运动参数测量系统中使用的二维PSD，在x和y方向两端分别安装一对输出电极。当来自被测物体的光线入射到PSD的光敏面上时，四个电极会有光电流输出，根据这四个电流值就可以计算得到光斑的坐标。经PSD处理电路处理之后，四个电流值转换成与坐标相关的两个电压值。例如，输出电压与光斑坐标之间呈1V/mm的线性关系，即若光斑落在PSD光敏面上(1mm，-0.5mm)处，则对应x和y方向的电压输出分别为1V，-0.5V。 

在运动物体上安装指示光源，用PSD跟踪光斑落点的位置从而得到物体的位置信息，就构成了典型的光学非接触的测量方法。由于该方法对运动中物体实时监控具有实时、高分辨力的优势，且通过实时监控物体的位置信息，还可计算得到速度、加速度等运动信息，因此这种方法被广泛用于运动参数检测。 

但由于材料和探测机理的原因，PSD光敏面的部分范围输出具有非线性。因此在PSD运动参数测量系统投入使用之前，需要对其进行标定以减小系统测量误差。同时，PSD作为二维光学位敏器，加上光学投射系统后，虽然可以对更大范围的二维空间进行位置感知，但在光学系统主面位置不明的实际系统中，无法借助单一的探测轴向距离，推算出器件输出信号与实际空间位置坐标的关系。 

发明内容

本发明提供一种基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法，本发明的标定方法自动化程度高，标定后可使用系统对不同纵深位置上进行精确的三维测量。本发明同时还提供一种基于位置敏感传感器的运动参数测量系统。 

为了解决上述问题，本发明公开了一种基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法，包括如下步骤， 

1)确定位置敏感传感器的有效探测区域； 

2)在位置敏感传感器的近平面和远平面分别选取若干对相对于中心旋转对称点作为取样点；其中，所述近平面和远平面分别指位置敏感传感器有效探测区域沿轴向的最远端和最近端的平面； 

3)将标定用光源依次设置于每一取样点位置，记录每一取样点的位置坐标以及设置于该位置的光源在位置敏感传感器上的输出坐标，并建立二者之间的对应关系，形成标定数据库。 

可选的，确定位置敏感传感器的有效探测区域的步骤包括确定位置敏感传感器的沿轴向的有效探测范围以及沿径向的有效探测范围。 

可选的，在位置敏感传感器的光学系统焦距范围内任意位置选取与光学系统光轴垂直的面作为基准面。 

沿径向有效探测范围确定为与位置敏感传感器测量系统轴线成2arctan(d/2f)锥角的圆锥体内的区域，圆锥体顶点为所述基准面与光轴交点。 

可选的，确定位置敏感传感器沿轴向的有效探测范围包括如下步骤： 

将指示光源沿圆锥体母线由远到近轴向移动； 

观测位置敏感传感器输出的光斑能量信息；输出能量为位置敏感传感器可有效探测能量下限时光源所在平面为远平面；输出能量为位置敏感传感器可有效探测能量上限时光源所在平面为近平面。 

可选的，基准面设置为位置敏感传感器光学系统的前端面。 

可选的，还包括根据标定数据库确定待测光源坐标的步骤。 

可选的，根据标定数据库确定待测光源坐标的步骤包括： 

由标定数据库选取与待测光源测量值最接近的两个点的坐标值； 

根据标定数据库获得所述两个点的坐标值在远平面和近平面的实际值，分别称为远端实际值和近端实际值； 

根据远端实际值和近端实际值确定待测光源分别在远近两平面的投影值，分别称为远端投影值和近端投影值； 

根据远端投影值和近端投影值以及待测光源与所在面沿光轴方向与基准面的距离确定待测光源的实际坐标。 

本发明还提供一种基于位置敏感传感器的运动参数测量系统，该系统由上述任一所述的标定方法所标定。 

与现有技术相比，本发明的标定方法自动化程度高，标定后可使用系统对不同纵深位置上进行精确的三维测量；此外，此标定数据库的使用方法简洁，为系统计算软件的开发和编制提供核心算法。 

附图说明

图1为本发明的基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法的实施例的流程图； 

图2为本发明的基于PSD系统的光学模型示意图； 

图3为标定点阵示意图； 

图4为实际光斑位置与相邻标定点的位置关系示意图； 

图5为刚体运动过程中的章动示意图； 

图6为基于PSD的刚体章动测量系统结构示意图。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

图1为本发明的基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法的实施例的流程图。 

请参看图1，本实施例中，标定方法包括步骤S100，首先确定位置敏感传感器的有效探测区域。 

系统标定之前首先需要确定标定的空间范围。在不确定待测运动目标的运动特性前，可认为其出现在探测面上的各方向几率均等。由系统的光学投射机理可知，指示光源经光学系统投射在PSD上，故PSD上的有效探测区域可视为圆形。若d为PSD的光敏面有效探测直径，f为光学系统的焦距，则运动目标在与测量系统轴线成2arctan(d/2t)锥角的范围内可探测，锥顶点为所述基准面(其中基准面为在位置敏感传感器的光学系统焦距范围内任意位置选取与光学系统光轴垂直的面)与光轴交点。 

此外，由于PSD探测器对于所探测光斑的能量有要求，即能量太高会使PSD饱和，而能量太低会使PSD不能准确探测，因此实际的有效探测范围在近、远两平面之间的一个空间圆台之内。即图2中平面1和平面2之间的空间范围。 

对于光学系统主面位置明确的系统，在圆台空间只需标定一个平面，就可根据标定数据和光学投射理论对整个探测空间范围内的物体位置进行计算。但是多数实际系统光学主面位置不明，无法借助单一的轴向探测距离利用投射理论计算物体实际空间位置。同时考虑到光学系统可能存在渐晕而在径向上改变光斑的重心，从而影响PSD的输出。为解决这两个问题，本实施例的方法中首先对圆台空间的近、远两平面进行标定，并将标定结果存成标定数据库，利用标定数据库与系统测量数据结合，计算出被探测目标的实际位置坐标。在其中的一种方法中，以如下方法确定圆台的近远两个平面。 

首先，在光学系统主面附近选一轴向位置，经过该位置垂直光轴的面作为基准面(该基准面与上述的基准面为同一个面，且在本实施例中，基准面设置为位置敏感传感器光学系统的前端面。)，设此面与系统主面距离为a，如图2中平面4所示。 

接着，将指示光源沿圆台侧面由远到近轴向移动，如图2中直线5所示，并观察PSD输出的光斑能量信息。当输出能量为PSD可有效探测能量下限时，光源所在平面为远平面；当输出能量为PSD可有效探测能量上限时，光源所在平面为近平面。则近平面与轴向位置基准面之间的距离为L1，远平面与轴向位置基准面之间的距离为L2，如图2所示。 

请继续参看图1，步骤S200，在位置敏感传感器的近平面和远平面分别选取若干对相对于中心旋转对称点作为取样点。 

图3为在近平面上设定的均匀分布的点阵，取样点即为各个同心圆与其中的短线的交点，当然，取样点还可以有其它分布方式，图3中的分布仅仅是示意性的。 

以同样的方式可以在原平面设置相同分布的取样点。 

请继续参考图1，步骤S300，将标定用光源依次设置于每一取样点位置，记录每一取样点的位置坐标以及设置于该位置的光源在位置敏感传感器上的输出坐标，并建立二者之间的对应关系，形成标定数据库 

例如，首先可以将指示光源置于近平面的一取样点处，记录该位置的位置坐标和此时PSD探测系统的输出，接着将指示光源移动到另外的取样点，再次记录指示光源的位置坐标和PSD探测系统的输出，以此类推，直到完成图2所示全部交点的记录。 

定义标定时近平面上交点的坐标为C_j(X_j，Y_j)，j＝1，2，...m(可以想象C是一个点列)，对应的PSD输出坐标为c_j(x_j，y_j)，j＝1，2，...m(c是一个数量与C相等的点列)。用类似的方法完成远平面的标定。并将标定结果存成标定数据库。 

以同样的方式完成远平面上全部交点的记录； 

此时，即建立了远近平面的点与PSD输出坐标之间的对于关系，形成了标定数据库。 

使用标定后的系统对物体的运动参数进行测量需正确有效地使用标定数据库。实际测量中，若某一时刻PSD探测到光斑信号并输出测量值b_k(x_k，y_k)，则在标定数据库中可在b_k的左上、左下、右上、右下四个区域找到距b_k点最近的四个点，如图4所示将四个点分为左上和右下、左下和右上两组，选取两组中距b_k点更近的一组c_j1(x_j1，y_j1)和c_j2(x_j2，y_j2)。设想若指示光源由近平面上出射，且设其坐标为B₁(X₁，Y₁)，则根据(1)式可计算出光源位置B₁(X₁，Y₁)。其中，c_j1(x_j1，y_j1)和c_j2(x_j2，y_j2)在近平面上分别对应C_j1(X_k1，Y_j1)和C_j2(X_j2，Y_j2)。 

$\left\{\begin{array}{c}{X}_1=X_{j1}+(X_{j2}-X_{j1})\·\frac{x_k-x_{j1}}{x_{j2}-x_{j1}}\\ Y_1=Y_{j1}+(Y_{j2}-Y_{j1})\·\frac{y_k-y_{j1}}{y_{j2}-y_{j1}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

同理若光源由远平面入射，可得到远平面上的光源坐标B₂(X₂，Y₂)。 

B₁与B₂连线与光源所在径向平面的交点即为光源的空间坐标。若光源从远、近平面之间的任意平面的B(X，Y)点入射，则只要知道平面的相对位置L(如图2所示)，则有 

$\left\{\begin{array}{c}\frac{X_1}{X_2}=\frac{L1+a}{L2+a}\\ \frac{X_1}{X}=\frac{L1+a}{L+a}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\frac{Y_1}{Y_2}=\frac{L1+a}{L2+a}\\ \frac{Y_1}{Y}=\frac{L1+a}{L+a}\end{array}\right.---\left(3\right)$

方程组(2)中只有a和X是未知量，则可解出X，同理由方程组(3)可解出Y，即B(X，Y)的坐标可得。 

实例 

以直线运动的旋转对称刚体章动测量系统为例，说明基于PSD的测量系统的标定方法。 

刚体的章动是指刚体在直线运动过程中，其主运动轨迹与瞬间刚体轴线的夹角，如图5所示。 

刚体章动测量系统的结构如图6所示，该系统中17表示待测刚体，箭头所指为刚体的运动方向。在刚体两端安装两个红外LED指示光源，如图中指示光源15和指示光源16，选用红外LED作指示光源的好处在于可以在一定程度上避免可见光干扰。PSD6和PSD7用于接收对应LED光源的光信号。PSD前置的光学系统8和9用于将LED光源投射在PSD探测面上，光学系统由镜头和红外滤光片组成，滤光片的作用是滤除可见光使红外光线透过。PSD 探测信号经图中探测器11和探测器12所示的PSD信号处理电路处理后传入图中采集卡13中，采集卡13采集的信号最终传入计算机14。刚体的章动由探测刚体两端的指示光源间接完成，这个过程由PSD及其处理电路完成。刚体的轴向运动信息由图中所示的扫描式激光测振仪10完成。 

由图6可知，在系统中需要在刚体的两端各安装一个指示光源，对应需要两个PSD分别接受指示光源的信号。因此两个PSD需要分别进行标定，标定的方法如上述实施例所述。 

测量时，首先分别测出刚体尾部和头部LED光源的位置坐标为A(X_t，Y_t)和B(X_h，Y_h)，因此其章动角θ为： 

${\mathrm{\θ}}_1={\sin }^{-1}\left(\frac{\sqrt{{(X_h-X_t)}^2+{(Y_h-Y_t)}^2}}{S}\right)---\left(4\right)$

章动角的方向，定义为B点在A点所在径向平面上的投影点和A点所确定的直线在径向平面坐标系中的角度，计算公式如下： 

刚体的轴向位置L使用扫描式激光测振仪来测量。在刚体后方安装扫描仪激光测振仪(以下简称测振仪)，测振仪扫描头将激光入射到弹尾端面上，弹尾端面反射回的激光被测仪扫描头接收，测振仪根据激光多普勒测振原理测量并输出刚体的轴向速度v(t)。刚体轴向位置z(t)可以根据刚体轴向速度来计算： 

$z\left(t\right)=z\left(0\right)+{\∫}_0^{t}v\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}---\left(6\right)$

式中，z(0)为初始时刻刚体的轴向位置。 

然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。 

Claims (8)

1.一种基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法，其特征在于，包括如下步骤，

1)确定位置敏感传感器的有效探测区域；

2)在位置敏感传感器的近平面和远平面分别选取若干对相对于中心旋转对称点作为取样点；其中，所述近平面和远平面分别指位置敏感传感器有效探测区域沿轴向的最远端和最近端的平面；

3)将标定用光源依次设置于每一取样点位置，记录每一取样点的位置坐标以及设置于该位置的光源在位置敏感传感器上的输出坐标，并建立二者之间的对应关系，形成标定数据库。

2.根据权利要求1所述的基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法，其特征在于，确定位置敏感传感器的有效探测区域的步骤包括确定位置敏感传感器的沿轴向的有效探测范围以及沿径向的有效探测范围。

3.根据权利要求2所述的基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法，其特征在于，在位置敏感传感器的光学系统焦距范围内任意位置选取与光学系统光轴垂直的面作为基准面。

沿径向有效探测范围确定为与位置敏感传感器测量系统轴线成2arctan(d/2f)锥角的圆锥体内的区域，圆锥体顶点为所述基准面与光轴交点。

4.根据权利要求3所述的基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法，其特征在于，确定位置敏感传感器沿轴向的有效探测范围包括如下步骤：

将指示光源沿圆锥体母线由远到近轴向移动；

观测位置敏感传感器输出的光斑能量信息；输出能量为位置敏感传感器可有效探测能量下限时光源所在平面为远平面；输出能量为位置敏感传感器可有效探测能量上限时光源所在平面为近平面。

5.根据权利要求3和4所述的基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法，其特征在于，基准面设置为位置敏感传感器光学系统的前端面。

6.根据权利要求1所述的基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法，其特征在于，还包括根据标定数据库确定待测光源坐标的步骤。

7.根据权利要求6所述的基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法，其特征在于，根据标定数据库确定待测光源坐标的步骤包括：

由标定数据库选取与待测光源测量值最接近的两个点的坐标值；

根据标定数据库获得所述两个点的坐标值在远平面和近平面的实际值，分别称为远端实际值和近端实际值；

根据远端实际值和近端实际值确定待测光源分别在远近两平面的投影值，分别称为远端投影值和近端投影值；

根据远端投影值和近端投影值以及待测光源与所在面沿光轴方向与基准面的距离确定待测光源的实际坐标。

8.一种基于位置敏感传感器的运动参数测量系统，其特征在于，由上述权利要求1至7任一所述的方法所标定。

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