基于相位法的激光测距系统机械研究

来源: www.sblunwen.com 发布时间:2020-03-15 论文字数:45988字
论文编号: sb2020030913153329818 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇机械论文,本文主要研究内容如下:(1)制定高铁内饰件安装测距系统设计总体方案。对数据采集终端,数据接收模块进行器件选择、电路设计和实物制作。(2)应用 C 语言对下位
本文是一篇机械论文,本文主要研究内容如下:(1)制定高铁内饰件安装测距系统设计总体方案。对数据采集终端,数据接收模块进行器件选择、电路设计和实物制作。(2)应用 C 语言对下位机所用单片机进行编程控制。通过无线传输的方式,实现数据的发送与接收。在上位机用 VB 语言开发了高铁内饰件装配自动测距系统软件,后台应用算法对接收的数据进行处理得到优化结果,并可实时保存数据以备后期对比。(3)利用基于贝叶斯风险的卡尔曼滤波算法,对三个数据采集终端测得的直接数据进行滤波处理并结合仿真,修正算法参数,得到较优的算法参数,最终提高测距系统的准确性。(4)完成实验验证。在适当的测试环境下,对高铁车厢的侧顶板安装累计误差进行了实际检测,为后续侧顶板的安装提供了指导作用。

第 1 章   绪论

1.1  研究背景及意义
近些年,国内高速铁路发展迅速,新线路的开发与车次的调整,使得国内的高速铁路进入飞速发展期,运营所需要的动车组越来越多。列车内部装饰系统是动车组和旅客交流的第一平台,是旅客界面重要的组成部分,其功能、舒适度、色彩等都会给广大乘客带来全新的视觉体验。
在高速动车组整车内饰系统装配过程中需要进行多次的长度检测,主要的检测内容包括内饰覆盖件长度测量、覆盖件之间的缝隙测量以及车厢的整体长度等,适当合理的装配对车辆的防风防雨性能会产生明显的影响,同时也和车辆的振动噪声存在相关性。而事实上,目前装配过程中,人工参与度极高,很多装配场合全凭工人的经验进行装配,有的部位需要很多次试配才能完成,大大降低了产品装配的速度,增加了时间成本,这种方法的效率极低,无法适应产品的现代化要求.
研发操作简易的适合于各种距离自动检测的技术方法和设备,可以优化装配过程中大量的试配和研装环节,因此数字化装配过程中的测距系统设计具有重要意义。本文研发高铁内饰件装配自动测距系统的目的,是测量图 1.1 所示的动车组客室内饰的中顶板、侧顶板和侧墙板在装配过程中的安装误差,实现各板的长度检测、车厢整体安装后的距离检测。
图 1.1  动车内饰覆盖件布局示意图
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1.2  激光测距的国内外发展现状
1.2.1  国外研究概况
国外早在 20 世纪 60 年代就已经有激光测距仪问世。1961 年,美国的休斯飞机公司成功研制出第一台激光测距仪,并在 8 年后经广泛运用到了各行各业,包括美国的军方。  1968  年,AGA  公司研发出了 AGA-8 型 He-Ne  激光测距仪,测距量程高达  60km,测距精度为±(5mm+1ppm  XD)[7]。激光测距仪发射波长从第一代的 0.6943um 到第二代的 1.06um 再到第三代的 10.6um,激光测距技术不断地发展和完善。1969 年,美国陆军成为首先装备军用激光测距仪的军队[8]。1970年,YAG 激光技术开始运用到了激光测距仪,之后的半导体激光测距技术得到了推广应用。由于半导体激光技术的快速发展,加之集成电路日益规模化,激光测距仪向着小型化的方向发展,激光测距仪得到了跨越式的发展[9]。
1995 年,半导体激光测距技术发展十分迅速,激光测距波长能够实现 800nm-900nm、峰值功率能够实现  10W、脉冲宽度能够实现 20-50ns、重复频率能够实现 1—10k Hz。主要运用在人眼领域[10]。芬兰奥鲁大学电气工程系和芬兰技术研究中心从 1970 年开始研究运用到航天、生活、海洋、科技等多方面的激光测距仪器。Bushnen 在上世纪九十年代提出了一种高性能 400 型 LD 激光测距机,
该发明也是 1997 年所评的世界重要 100 项科研成果之一。美国 Lexica 公司推出了测量距离为 0.2-30m 的小型 LD 测距机[11]。1998 年,
Tas-co 公司研制出一种摄像机型的  Lasersite LD  激光测距机,测距能力已经突破了  800m[12]。挪威迈卓诺测量系统有限公司运用摄影测量技术,开发了一种光笔测量仪,它的原理是光电式坐标测量系统,携带便利、测量精度高并且具有优秀的隐蔽点测量能力。Heesun Yoon  研发了一种可以实现不同频率相互切换的激光测距仪,并且不同频率下激光测距仪的分辨率也是不同的[13]。拓普康株式会中心的 Ohtomo,
  Fumio 等人研究了一种采用脉冲发射的相位式激光测距装置[14]。德国斯图加特大学的等人提出了一种对回波信号进行采集并进行处理的脉冲激光测距系统[15]。位于英国的Renishaw 公司研发了一种 M10 型配备了精度高的补偿装置的激光干涉测量系统,在 40m 范围内便可以将精度调整到 0.7×10-6[16]。
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第 2 章  相位法激光测距技术

2.1  激光测距的原理及特点
利用射向目标的激光脉冲或者连续波激光束测量目标距离的距离测量技术称作激光测距技术。本质上,都是利用发射出去的激光和接收回来的激光两者之间产生的信息差来计算发射点与被测物体之间的距离。通常,激光测距系统主要包含激光发射部件与接收部件、电源以及控制系统等部件。与其它的测距方式相比,激光测距的优点主要有: (1)精度高。测量结果误差主要与仪器的精度以及测量时的自然环境情况有关,不受被测距离和操作者的操作行为影响;(2)测距机轻巧,便于携带操作。由于具有极好的方向性,因此,光学发射天线体积很小,发射出的光束极窄,能够满足测量所需;(3)抗干扰能力强。电路和地波不会对其形成干扰;(4)分辩率高。测距机发出的光束极窄,脉冲宽度很短,因此,无论在横向还是纵向上都有着很高的目标分辩率。
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2.2  相位法激光测距原理
相位法激光测距在测量时主要关注光束往返一次经过的距离,即激光往返一次所引起的相位差。在实际操作中,要首先对连续的激光进行幅度调制,然后依据其往返过程中发生的相位变化即可计算出所需的时间和经过的路程。
图 2.1   相位式激光测距原理示意图
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第 3 章   系统总体方案与电路设计........................................ 19
3.1  系统需求分析 ................................. 19
3.2  系统总体方案 ................................... 19
3.3  数据采集终端的设计制作 .................................. 20
第 4 章   系统仿真与算法....................................... 33
4.1  系统仿真设计 ..................................... 33
4.1.1  仿真软件 ................................... 33
4.1.2  仿真原理 ..................................... 33
第 5 章   软件设计与实验检测........................................ 43
5.1  软件设计 ....................................... 43
5.1.1  下位机软件设计 ....................................... 43
5.1.2  上位机软件设计 ................................... 44

第 5 章   软件设计与实验检测

5.1  软件设计
本文软件设计包含两部分:第一部分为下位机程序设计,对硬件设计所采用的单片机进行编程,采用 C 语言设计,包括三路数据采集终端程序和一个数据接收模块程序,从而达到测距、显示、采集模块之间无线通信、上下位机通信等目的。第二部分为上位机电脑端程序设计,采用 VB 编写设计软件界面,实现三路测距数据实时显示,检测环境设定,后台应用贝叶斯风险的卡尔曼动态估计方法对数据采集终端发送的数据进行处理等功能。
5.1.1  下微机软件设计
下位机采用 C 语言设计,分为主板程序和从板程序设计,数据采集终端程序为主板程序,工作流程如图 5.1 所示,数据接收模块程序为从板程序,工作流程如图 5.2 所示。
图 5.1   数据采集终端程序流程图
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第 6 章   结论与展望

6.1  结论
为了减少动车组内饰覆盖件的试装次数,减少修配或调整的时间,提出一种新的装配思想,即在试装前后实时扫描动车组客室内饰的中顶板、侧顶板和侧墙板长度的测量数据,分析装配过程中的错位及干涉情况,指导后续的装配处理。该设计方案为动车组试配和研装零部件提供一个较为科学的指导依据。该依据具有定量的特点,能够避免传统装配主要依靠操作人员的视觉判断和经验带来的问题,提高了高铁装配的自动化程度,密封性、使用性、乘坐的舒适性和整车的使用寿命都得到较大的提升。
本文主要研究内容如下:
(1)制定高铁内饰件安装测距系统设计总体方案。对数据采集终端,数据接收模块进行器件选择、电路设计和实物制作。
(2)应用 C 语言对下位机所用单片机进行编程控制。通过无线传输的方式,实现数据的发送与接收。在上位机用 VB 语言开发了高铁内饰件装配自动测距系统软件,后台应用算法对接收的数据进行处理得到优化结果,并可实时保存数据以备后期对比。
(3)利用基于贝叶斯风险的卡尔曼滤波算法,对三个数据采集终端测得的直接数据进行滤波处理并结合仿真,修正算法参数,得到较优的算法参数,最终提高测距系统的准确性。 侧顶板和侧墙板装配过程中的距离测量。
(4)完成实验验证。在适当的测试环境下,对高铁车厢的侧顶板安装累计误差进行了实际检测,为后续侧顶板的安装提供了指导作用。本论文研究方法可以应用于动车组中顶板、侧顶板和侧墙板装配过程中的距离测量。
动车组在内饰覆盖件装配时采用上述激光测距自动检测系统,可以协助工人在短时间内完成装配工作,对部分零部件进行次数有限的敲修、校正,还可以通过调整零部件的姿态消除局部干涉现象,避免制造过程中的各种问题和矛盾堆积到部件对接装配中,提高速度的同时,也提高了装配的准确度。同时也为其他类别的车辆的内部和外部装配提供借鉴和参考。
参考文献(略)

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