CN1290850A - 非接触式六自由度运动测量与分析系统 - Google Patents

Abstract

一种非接触式六自由度运动测量与分析系统,包括信号产生和信号采集分析两个子系统,3个不在一条直线上的LED红外线发光源组成一个灯架,固定在测量目标上,2个PSD摄像头成直角布置,在测量区域附近形成一个测量直角坐标系统。本发明通过两套PSD同时测量模型上三个点的运动坐标,为计算模型在空间的六个自由度运动提供了必要的测量数据,配套的软件对种种光学视角误差的修正使分析结果更为精确。本发明可以用于海洋工程、机械等的模型试验和实际测量。

Description

非接触式六自由度运动测量与分析系统

本发明涉及一种对海洋工程结构物运动的测量系统，尤其涉及一种非接触式六自由度运动测量与分析系统，属于海洋工程试验测量技术领域。

近年来，海洋工程领域成为全球科学研究与生产开发的一个热点，海洋石油开发与大洋深海矿藏勘探开采得到迅速发展。海洋勘探与采油平台、油轮等海洋工程结构物在各种海洋环境条件(风、浪、流)下运动情况的预报倍受船舶与海洋工程界同行的关注。目前，水池模型试验仍是预报海洋工程结构物运动情况较常用的手段。而海洋结构物在各种海洋环境下的运动则是试验中的重要组成部分，对海洋结构物的设计、施工、营运、安全等诸多方面都有着直接的影响。

在水池中测量模型运动较早采用系在模型上的绳索来拉动电位器进行，当模型运动时拉动绳索从而改变电位器的电阻，以测量模型三个自由度的线位移。这种方法由于不能较好地考虑到六个自由度的位移之间的影响，所测得的线位移结果有较大的误差。

论文“海洋工程模型运动测量装置的研制”(金志华等，“海洋工程”第15卷第1期，1997年2月)介绍的一种测量装置，用陀螺仪和罗盘来测量分析模型的运动角度，其测量精度在±30°之内的最大误差小于3％，在±45°之内的最大误差小于9％，这在当时已达到了相当高的水平，但仍不能满足海洋工程高精度试验的要求，在长时间的试验中容易产生漂移。

以后又发展出机械式运动测量仪，它是由一套复杂的机械装置组成，当模型运动时，与模型连接的装置相应产生移动，由此可测得模型运动情况。由于该装置是接触式的，在模型运动时必须由模型对其施加一定的力才能完成测量过程，其测量过程使模型的运动发生一定的变化，使测量结果产生误差。并且，机械装置具有一定的惯性，对微小运动或变化较大的运动的测量响应不是太好。

其它，如加速度运动测量仪是应用加速度仪测得模型运动的加速度，通过对加速度进行二次积分，求得模型的空间位置。由于随时间积分时将产生累积误差，测试时间越长累积误差越大，对于海洋工程这种测量过程时间较长的试验研究来说，其测量误差有时会达到相当大的范围。

CCD运动测量仪是应用CCD摄像头以电视方式测量发光点的空间位置。由于CCD摄像头的成像元件由较离散的像素组成，使得测量精度不够高。而且受扫描频率的限制，其测量的速度较低，无法对高速的运动做出准确的测量。

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种新型的非接触式海洋工程模型运动的测量系统，使之比现有接触式测量方式更为实用方便，测量结果更为精确可靠。

为实现这样的目的，本发明在对海洋工程结构物运动的测量技术进行多年深入细致地研究基础上，在比对多种试验研究手段的情况下，充分借鉴国内外其他领域的先进技术，在运动试验测量领域提出了一种比以往的接触式测量方式和CCD测量方式更为先进可靠的测量方法——PSD非接触式六个自由度测量系统。

本发明的非接触式六自由度运动测量与分析系统通过红外线发光源(Light-Emitting Diodes-LED)和位置测量仪(Position Sensitive Detector—PSD)来测量数个点的位置。数个LED发光源固定在模型上，并依次发光。位置测量仪(PSD)通过摄像头测到光点运动的变化，产生系列复合信号，然后通过控制部分将其分解成二维多通道位置数据，即光点在平面上的投影位置。

为了测量光点在空间的三维坐标位置，本发明采用2个摄像头，将其安置成直角，对准测量目标，在测量区域附近形成一个测量直角坐标系统。在测量目标上由3个不在一条直线上的LED发光源组成一个灯架，并和测量目标刚性连接。这样就可以通过测量灯架的运动推算出测量目标的运动。

本发明的测量系统由两个子系统组成，一个是信号产生系统，一个是信号采集分析系统。

信号产生系统主要由电源——蓄电池、电源分配器、灯架等组成。蓄电池产生稳定的电压输出，保证信号的稳定。电源分配器将蓄电池产生的直流电压分别加上3种不同的信号以保证3个不同的LED目标能被采集系统正确的识别。

信号采集分析系统主要由装在水平仪上的PSD摄像头、放大盒、信号解调器、采集分析用计算机等组成。

为了将所采集的电信号直接转换成为被测物体的运动参数，本发明配套编制了完整的信号分析处理系统软件，对测量系统在光学等方面产生的误差进行了数学上的修正，使得到的数据达到了很高的精度。

为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图和实施例作进一步详细描述。

图1为本发明整个测量系统的结构组成示意图。

图中，3个不在一条直线上的LED红外线发光源ABC组成一个灯架3，固定在测量目标4上，2个安在水平仪6上的位置测量仪的PSD摄像头5成直角布置，对准测量目标4，在测量区域附近形成一个测量直角坐标系统。

信号产生系统的电源——蓄电池1接到电源分配器2，蓄电池1产生稳定的电压输出，保证信号的稳定。电源分配器2将蓄电池1产生的直流电压加上3种不同的信号，分别加在灯架3的3个发光源ABC上，以保证3个不同的LED目标能被采集系统正确的识别。信号采集分析系统中的两个PSD摄像头5分别连接信号端放大盒7，并经采集端放大盒8、信号解调器9连接到采集盒10及采集分析用计算机11。

灯架3由3个灯球组成，每个灯球为均匀布置了216个LED单元的直径为4．5cm的有机玻璃圆球，3路信号分别加在3个灯球上。LED发光单元是属于红外光类型的光源。在由蓄电池供电的情况下，LED发光稳定，不易受可见光的干扰，在试验条件下，红外PSD摄像头能从可见光中清晰稳定地识别LED红外光源的信号。

PSD摄像头5的内部光-电转换元件为一块整体的光敏元件，是一种对入射到其光敏面上的光点位置敏感的光电器件，当光点照射在感光面的不同位置上时，PSD所输出的电压信号也不同，从输出电信号上就可以确定光点在器件感光面上的位置，这种电压直接对应光点位置的测量方法得到的结果显然比由CCD中由单个受光元件来确定光点位置的方法要精密的多，因此其精度和CCD相比提高了很多。

水平仪6是为了保证PSD摄像头5的位置符合采集的要求。信号端放大盒7、采集端放大盒8、信号解调器9等都是为了使采集的信号正确无误的传输到采集分析用计算机中11。采集分析用计算机11则是将信号由模拟信号转变为计算机能识别处理的数字信号，以便下一步的计算之用。

由于LED光源所发出的肉眼不可见的红外光，为在试验中监测LED灯球的正常发光，可特配备红外观察镜一只。

图2为本发明的测量原理示意图。

如图所示，3个不在一条直线上的LED红外线发光源ABC组成一个灯架，固定在测量目标上，2个位置测量仪的PSD摄像头对准测量目标，在测量区域附近形成一个测量直角坐标系统。

设空间固定坐标系为O-xyz，固定在模型上的相对坐标系为G-ξηζ，图中α为O’P到Ox轴的夹角。将3个光点分别标为A，B，C，则所测得的这3个光点的空间坐标为(xA，yA，zA)，(xB，yB，zB)，(xC，yC，zC)。根据这3个点的坐标可求得相对坐标系G-ξηζ与固定坐标系o-xyz的方向余弦次cξx，cξy，cξz；cηx，cηy，cηz；cζx，cζy，cζz，并由以下(1)，(2)，(3)式计算欧拉角θ，φ，ψ：

根据给定的模型重心G与这3个光点的相对位置，模型重心G在空间运动的坐标(xG，yG，zG)可用如下空间中任一点R的坐标与重心位置的关系求得：

式中，(x，y，z)为R点的空间固定坐标，(ξ，η，ζ)为R点在模型上的相对坐标。

本发明应用位置测量仪(PSD)对红外线发光源(LED)进行非接触方式测量，避免了在测量过程中接触模型而产生一定的作用力而产生误差，提高了测量的准确度。PSD具有较高的位置解析度与快速响应能力，测量结果精度较高，测量的速度范围较大。特制的LED发光源满足了远距离测量的要求。通过两套PSD同时测量模型上三个点的运动坐标，为计算模型在空间的六个自由度运动提供了必要的测量数据。配套的软件对种种光学视角误差的修正使分析结果更为精确，并可精确计算出模型的六个自由度运动情况(三个重心线位移，三个角位移)，精度令人满意。

本发明在大量的模型试验研究如美国SOFEC公司的“Model Test of aTower Yoke FSO”、中国海洋石油总公司的“希望号油轮一阶运动水池模型试验”、上海市隧道局的“外环线黄浦江越江隧道沉箱工程的箱体系泊、拖曳、操纵、沉放试验研究”、中国海洋石油总公司的“转塔式系泊储油轮试验与理论研究”、广州船舶与海洋工程设计院的“FWMCM系统试验研究”、海洋工程国家重点实验室开放课题“张力腿平台理论与试验研究”、“大连油轮单点系泊系统”、“宁波甬江常洪隧道管段模型试验”、“50kDWT散货船码头系泊模型试验”等研究项目中应用该运动测量系统测量、分析了模型的六自由度运动，结果令人满意。本发明的系统可以为需要精确测量物体在一定范围内的运动提供一种准确度高、无滞后、对物体运动无影响的测量方法，可以用于海洋工程、机械等的模型试验和实际测量。

Claims (2)

1、一种非接触式六自由度运动测量与分析系统，其特征在于包括信号产生和信号采集分析两个子系统，3个不在一条直线上的LED红外线发光源组成一个灯架(3)，固定在测量目标(4)上，2个安在水平仪(6)上的PSD摄像头(5)成直角布置，对准测量目标(4)，在测量区域附近形成一个测量直角坐标系统，信号产生子系统的蓄电池(1)接到电源分配器(2)，电源分配器(2)将蓄电池(1)产生的直流电压加上3种不同的信号，分别加在灯架(3)的3个发光源ABC上，信号采集分析系统中的两个PSD摄像头(5)分别连接信号端放大盒(7)，并经采集端放大盒(8)、信号解调器(9)连接到采集盒(10)及采集分析用计算机(11)。

2、如权利要求1所说的一种非接触式六自由度运动测量与分析系统，其特征在于组成灯架(3)的LED红外线发光源由3个灯球组成，每个灯球为均匀布置了216个LED单元的直径为4．5cm的有机玻璃圆球。

Images