CN103808256A

CN103808256A - 一种非接触式物体平面运动测量装置及实现方法

Info

Publication number: CN103808256A
Application number: CN201210460904.3A
Authority: CN
Inventors: 徐志刚; 王军义; 贺云; 徐永利; 刘勇
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2032-11-15
Also published as: CN103808256B

Abstract

本发明公开物体平面运动测量装置及实现方法，具体地说是一种利用激光测距传感器来测量物体平面运动的测量装置;该平面运动测量装置利用三个激光测距传感器，通过测量组合算法，实现了物体平面运动的非接触式测量,消除了测量装置自身运动对被测系统运动的干扰；本发明装置结合测量组合算法具有测量精度高，结构简单，安装方便，便于维护的优点。

Description

一种非接触式物体平面运动测量装置及实现方法

技术领域

本发明涉及非接触物体平面运动测量系统，具体地说是一种利用激光测距传感器来测量物体平面运动的测量装置及实现方法。

背景技术

现有平面运动测量系统多为利用角度测量装置以及距离测量装置通过机构组合而构成的接触式测量系统，在一些运动精度要求较高，且不允许有运动干扰的系统中，测量系统自身机构的运动会给被测系统运动带来影响，因此迫切要求一种非接触式平面运动测量装置。

发明内容

为了解决上述在平面运动测量中存在的问题，本发明的目的在于提供一种非接触式物体平面运动测量装置实现方法。该平面运动测量装置利用三个激光测距传感器，通过测量组合算法，实现了物体平面运动的非接触式测量。

为实现本发明的目的，本发明采取如下技术方案：

一种非接触式物体平面运动测量装置，它包括基座和第1～3激光测距传感器，第1～3激光测距传感器分别垂直布置安装在基座上，通过1～3激光测距传感器测量被测物体距离第1～3激光测距传感器的距离值，通过测量组合算法处理，实现了物体平面运动的非接触式测量。

第1～3激光测距传感器均为日本基恩士公司产品，型号为frm36或用德国米依厂家生产的激光测距传感器。

在基座X向安装第2、3激光测距传感器，在Y向安装第1激光测距传感器。

一种非接触式物体平面运动测量装置的实现方法，其特征在于：包括如下处理步骤：

利用非接触式第1～3激光测距传感器安装在基座上，采用三点垂直布置其安装位置，实现对物体平面运动的非接触式测量；

利用所述第1～3激光测距传感器（2，3，4），分别测出第1～3激光测距传感器相对被测物体的距离值为测量值l₁～l₃；

根据第1～3激光测距传感器测量值l₁～l₃和测量第1～3传感器安装点位置坐标a₁（x₁,0）、a₂（x₂，0）、Y向激光测距传感器为坐标系Y轴上已知一点b（y₁,0）及物体（5）自身对角线距离值|o₁o₂|，经组合测量算法计算，解算出物体物体相对基座的X向、Y向位移平动值和物体绕垂直轴Z转动的运动角度值θ，所述平动值和角度值θ为平面运动测量值，最终实现对物体平面运动两个方向相对位移的测量及绕平面转动的测量。

本发明的优点与积极效果为：

1．本发明通过利用组合激光测距传感器实现了物体平面运动的非接触测量，消除了测量装置自身运动对被测系统运动的干扰。

2．本发明结构简单，安装方便，便于维护。

3．本发明方法的平面组合运动测量算法，实现了直线距离测量到平面运动的测量转化，算法简明易实现。

4．本发明可以准确测出物体的平面运动，即平面二维运动及平面转动，测量精度高。

附图说明

图1为激光组合测距传感器测量装置结构示意图；

图2为传感器测量原理坐标图；

图3为本发明方法工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的方案进一步详细描述：

参见附图1，是一种非接触式物体平面运动测量装置，它包括基座1和第1～3激光测距传感器2，3，4，第1～3激光测距传感器分别垂直布置安装在基座1上，通过1～3激光测距传感器测量被测物体5距离第1～3激光测距传感器的距离值，通过测量组合算法处理，实现了物体平面运动的非接触式测量。

在基座1的X向安装第2、3激光测距传感器3，4，在Y向安装第1激光测距传感器2。

参见附图1，该测量装置中第1～3激光测距传感器安装基座1上，即由三个垂直布置的直线位移测量传感器组成非接触式组合激光传感器；被测物体5通过第1～3激光测距传感器的测量值，经过测量算法解算，就可测得被测物体5的平面运动。

激光测距传感器的安装与布置形式如图1所示，其测量原理为在再相互垂直的物件侧面安装三个相同的非接触式激光测距传感器，在X向安装两个，在Y向安装一个，实现对模样件平面运动两个方向相对位移的测量及绕平面转动的测量。

利用非接触式第1～3激光测距传感器安装在基座1上，采用三点垂直布置其安装位置，实现对物体5平面运动的非接触式测量；

利用所述第1～3激光测距传感器2，3，4，分别测出第1～3激光测距传感器相对被测物体5的距离值为测量值l₁～l₃；

根据第1～3激光测距传感器测量值l₁～l₃和测量第1～3传感器安装点位置坐标a₁（x₁,0）、a₂（x₂，0）、Y向激光测距传感器为坐标系Y轴上已知一点b（y₁,0）及物体（5）自身对角线距离值|o₁o₂|，经组合测量算法计算，解算出物体物体5相对基座1的X向、Y向位移平动值和物体绕垂直轴Z转动的运动角度值θ，所述平动值和角度值θ为平面运动测量值，最终实现对物体平面运动两个方向相对位移的测量及绕平面转动的测量。

如图2、图3所示，为传感器测量原理坐标图和本发明方法工作流程图。

第1～3激光测距传感器算法原理：

X向两激光测距传感器为坐标系X轴上两已知点a₁（x₁,0），a₂（x₂，0），Y向激光测距传感器为坐标系Y轴上已知一点b（y₁,0）,点u、v、w分别为在某时刻第1～3激光测距传感器的测量点，点o₁为物件质心点在平面的投影点，取第1～3激光测距传感器测量值分别为l₁、l₂、l₃，则u、v、w三点的坐标分别为（x₁,l₁）、（x₂，l₂）、（y₁,l₃）。根据三点坐标及交点o₂、o₃⊥o₂、o₄的关系可求两直线的方程：

y = \frac{y_{2} - y_{1}}{l_{2} - l_{1}} x - \frac{y_{2} - y_{1}}{l_{2} - l_{1}} l_{1} + y_{1} - - - (1)

y = - \frac{l_{2} - l_{1}}{y_{2} - y_{1}} x + \frac{l_{2} - l_{1}}{y_{2} - y_{1}} x_{1} + l_{3} - - - (2)

解上方程组得交点O₂的坐标：

x = \frac{{(l_{2} - l_{1})}^{2}}{{(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(l_{2} - l_{1})}^{2}} x_{1} + \frac{{(y_{2} - y_{1})}^{2}}{{(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(l_{2} - l_{1})}^{2}} l_{1} + \frac{(l_{3} - y_{1}) (y_{2} - y_{1}) (l_{2} - l_{1})}{{(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(l_{2} - l_{1})}^{2}}

y = \frac{(y_{2} - y_{1}) (l_{2} - l_{1})}{{(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(l_{2} - l_{1})}^{2}} x_{1} + \frac{(y_{2} - y_{1}) (l_{1} l_{2} - {l_{1}}^{2} + l_{3} - y_{1})}{{(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(l_{2} - l_{1})}^{2}} + y_{1}

由交点O₂的坐标、交点O₁、O₂线段间的已知距离、直线O₁、O₂与直线O₂、O₃间的夹角

可求的物件质心O₁的坐标为：

x = \frac{{(l_{2} - l_{1})}^{2}}{{(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(l_{2} - l_{1})}^{2}} x_{1} + \frac{{(y_{2} - y_{1})}^{2}}{{(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(l_{2} - l_{1})}^{2}} l_{1} + \frac{(l_{3} - y_{1}) (y_{2} - y_{1}) (l_{2} - l_{1})}{{(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(l_{2} - l_{1})}^{2}} + \sin (\frac{π}{4} - \arctan \frac{y_{2} - y_{1}}{l_{2} - l_{1}}) | o_{1} o_{2} |

y = \frac{(y_{2} - y_{1}) (l_{2} - l_{1})}{{(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(l_{2} - l_{1})}^{2}} x_{1} + \frac{(y_{2} - y_{1}) (l_{1} l_{2} - {l_{1}}^{2} + l_{3} - y_{1})}{{(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(l_{2} - l_{1})}^{2}} + y_{1} + \cos (\frac{π}{4} - \arctan \frac{y_{2} - y_{1}}{l_{2} - l_{1}}) | o_{1} o_{2} |

由上述分析，经组合测量算法计算，解算出所设计的三个第1～3激光测距传感器组成的非接触式组合激光传感器可测相对于安装基座及激光测距传感器X向、Y向位移和绕Z轴的转动运动参数，所测的值分别为：

x = \frac{{(l_{2} - l_{1})}^{2}}{{(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(l_{2} - l_{1})}^{2}} x_{1} + \frac{{(y_{2} - y_{1})}^{2}}{{(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(l_{2} - l_{1})}^{2}} l_{1} + \frac{(l_{3} - y_{1}) (y_{2} - y_{1}) (l_{2} - l_{1})}{{(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(l_{2} - l_{1})}^{2}} + \sin (\frac{π}{4} - \arctan \frac{y_{2} - y_{1}}{l_{2} - l_{1}}) | o_{1} o_{2} |

y = \frac{(y_{2} - y_{1}) (l_{2} - l_{1})}{{(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(l_{2} - l_{1})}^{2}} x_{1} + \frac{(y_{2} - y_{1}) (l_{1} l_{2} - {l_{1}}^{2} + l_{3} - y_{1})}{{(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(l_{2} - l_{1})}^{2}} + y_{1} + \cos (\frac{π}{4} - \arctan \frac{y_{2} - y_{1}}{l_{2} - l_{1}}) | o_{1} o_{2} |

θ = \arctan \frac{| l_{1} - l_{2} |}{x_{2} - x_{1}};

式中，x，y为物体相对基座1的X、Y轴的两个方向平动值，

分别为物体x向移动距离X、物体y向移动距离Y；θ为物体绕垂直轴Z转动的角度值，所述平动值和角度值θ为所求平面运动测量值，最终实现对物体平面运动两个方向相对位移的测量及绕平面转动的测量。

Claims

1.一种非接触式物体平面运动测量装置，其特征在于：它包括基座（1）和第1～3激光测距传感器（2，3，4），第1～3激光测距传感器分别垂直布置安装在基座（1）上，通过1～3激光测距传感器测量被测物体(5)距离第1～3激光测距传感器的距离值，通过测量组合算法处理，实现了物体平面运动的非接触式测量。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式物体平面运动测量装置，其特征在于：第1～3激光测距传感器均为日本基恩士公司产品，型号为frm36或用德国米依厂家生产的激光测距传感器。

3.根据权利要求1所述的一种非接触式物体平面运动测量装置，其特征在于：在基座（1）X向安装第2、3激光测距传感器（3，4），在Y向安装第1激光测距传感器（2）。

4.一种权利要求1所述的一种非接触式物体平面运动测量装置的实现方法，其特征在于：包括如下处理步骤：

利用非接触式第1～3激光测距传感器安装在基座（1）上，采用三点垂直布置其安装位置，实现对物体（5）平面运动的非接触式测量；

利用所述第1～3激光测距传感器（2，3，4），分别测出第1～3激光测距传感器相对被测物体（5）的距离值为测量值l₁～l₃；

根据第1～3激光测距传感器测量值l₁～l₃和测量第1～3传感器安装点位置坐标a₁（x₁,0）、a₂（x₂，0）、Y向激光测距传感器为坐标系Y轴上已知一点b（y₁,0）及物体（5）自身对角线距离值|o₁o₂|，经组合测量算法计算，解算出物体物体（5）相对基座（1）的X向、Y向位移平动值和物体绕垂直轴Z转动的运动角度值θ，所述平动值和角度值θ为平面运动测量值，最终实现对物体平面运动两个方向相对位移的测量及绕平面转动的测量。