[发明专利]一种激光三角法位移传感器的标定方法有效

专利信息
申请号: 202010359909.1 申请日: 2020-04-30
公开(公告)号: CN111551917B 公开(公告)日: 2023-06-27
发明(设计)人: 杜劲松;李兴强;丛日刚;崔浩;白珈郡;褚云凯 申请(专利权)人: 中国科学院沈阳自动化研究所
主分类号: G01S7/497 分类号: G01S7/497;G01S17/48
代理公司: 沈阳科苑专利商标代理有限公司 21002 代理人: 王倩
地址: 110016 辽*** 国省代码: 辽宁;21
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摘要:
搜索关键词: 一种 激光 三角 位移 传感器 标定 方法
【说明书】:

发明属于光电测量领域中的信号处理部分,具体为一种激光三角法位移传感器的标定方法,主要用于激光三角法位移传感器使用前的标定。本发明针对基于PSD的激光三角位移传感器的精密标定问题,提出了一种多元自适应卡尔曼滤波与非均匀B样条曲线拟合相结合的标定方法。多元自适应卡尔曼预处理算法减小了初始数据对滤波结果的依赖,其数据处理效果优于经典卡尔曼滤波方法;在进行曲线拟合标定时,非均匀B样条标定误差较小,优于同类算法,可以实现位移传感器的精密标定。

技术领域

本发明属于光电测量领域中的信号处理部分,具体为一种激光三角法位移传感器的标定方法,主要用于激光三角法位移传感器使用前的标定。

背景技术

近年来,以激光三角法为代表的光电测量技术在几何量测量领域得到广泛应用。基于激光的测量传感器以光电转换器件为桥梁,通过将光信号转换为电信号并进行处理与分析,间接得出被测量的微小变化。其灵敏度高、重量轻、尺寸小、抗电磁干扰性强,是传统接触式测量的有效替代。

本文研究的激光三角传感器以位置敏感器件(PSD)作为光电位置探测器。其优势在于输出仅与光斑重心位置有关,与光斑的形状、强度无关。对于仅需获得位置信息的应用场景,PSD对比其他分立元素探测器(如电荷耦合器件,CCD)具有测速快、灵敏度高及位置分辨率高等优势。但PSD的输出特性为非线性,且输出信号微小,后续信号放大电路的噪声影响不可忽略。同时,环境光或实际应用条件的影响可能导致光斑强度分布不均,从而影响PSD的位置识别精度。因此,对该传感器信号的处理和定位标定成为其应用的关键。

为克服PSD非线性误差并对随机干扰做出相应补偿,国内外学者进行了大量研究并提出了多种解决方案。但结构或工艺上的改进只能在一定程度上改善PSD的线性程度,并不能完全克服非线性误差,软件上的处理方法是进一步提高定位精度的必要方法。

发明内容

本文提出了一种多元自适应卡尔曼和非均匀B样条曲线拟合相结合的新型PSD激光三角位移传感器标定方法。标定的硬件系统采用激光干涉仪作为标定基准,获取被测位移的真实值。软件上根据曲线拟合算法的需求,设计了一种多元自适应卡尔曼预处理算法,通过计算基函数和节点矢量,构建了B样条曲线拟合模型。

为解决基于位置敏感器件(Position Sensitive Devices,PSD)的激光三角位移传感器在复杂光电噪声干扰下的精密标定问题,提出一种多元自适应卡尔曼滤波(Multivariate Adaptive Kalman Filter,MAKF)与非均匀B样条曲线拟合的联合标定方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:

一种激光三角法位移传感器的标定方法,包括以下步骤:

标定系统初始化,获取位移传感器的测量值X与激光干涉仪的测量值T,共同组成原始数据集;

数据预处理:将原始数据集映射至标准数据集,使用多元卡尔曼滤波算法对标准数据集进行滤波处理,得到平滑的数据集;

根据弦长参数化法将平滑的数据集进行处理,得到节点矢量的参数序列即标定数据集;

将实时获取的移传感器的测量值带入标定数据集,得到与之对应的位移真值。

所述标定系统初始化具体为:以PSD为圆心,调整光斑在PSD上的成像位置,使位移传感器的输出为0,并将激光干涉仪调零。

所述标准数据集为其中表示第k次位移传感器测量数据;rk表示第k次激光干涉仪测量数据,k=0,1,…,m,为间隔采样标识,n为位移传感器采样点个数,m表示采样间隔次数。

所述数据预处理具体为:

利用传统卡尔曼滤波对k=0、k=1时刻进行处理,得到滤波结果X1、X2;当k≥2时,滤波器采用如下的状态方程:

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