基于交叉平面的刚体运动参数测量系统研究

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1、工程硕士学位论文基于交叉平面的刚体运动参数测量系统研究RESEARCHONMOTIONPARAMETERSMEASURINGSYSTEMBASEDONINTERSECTEDPLANES王永锟哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TP391.9学校代码：10213国际图书分类号：681.3密级：公开工程硕士学位论文基于交叉平面的刚体运动参数测量系统研究硕士研究生:王永锟导师:杨明教授申请学位:工程硕士学科、专业:控制工程所在单位:控制与仿真中心答辩日期:2015年6月授予学位单位:哈尔滨工业大学ClassifiedIndex：TP391.9U.D.C.：681.3Dissertati

2、onfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONTHEMOTIONPARAMETERSMEASURINGSYSTEMBASEDONINTERSECTEDPLANESCandidate:WangYongkunSupervisor:Prof.YangMingAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:ControlTechnologyAffiliation:ControlandSimulationCenterDateofDefence:June,2015Degree-Conferring-I

3、nstitution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要近些年来，在多轴飞行器、移动机器人、机械臂和航天航空领域中，刚体空间运动的姿态和位置参数测量显得越来越重要。在非接触式测量方法中，视觉测量的应用研究尤为广泛，视觉测量在复杂环境下，对刚体复杂运动的测量有很好的适应性和较高的测量精度。目前大部分的视觉测量方法都是基于双目视觉的特征匹配算法，这种算法计算量大，大多基于离线处理的方式，无法满足实时测量的需求。并且在大空间运动范围情况下测量精度较低。为此，本文提出了一种基于交叉特征平面的刚体运动参数测量方法，主要研究内容如下：首先，基于空

4、间交叉特征平面，设计得到刚体运动参数测量的测量原理和计算方法。将两个空间交叉的特征平面与被测刚体固连，利用平面的法向量在空间相交且相对位置保持不变的特性，推算得到刚体空间位姿的计算方法。该测量方法中，特征平面基于平面上的特征点拟合构建，文中对此进行了详细的介绍。其次，基于测量原理，设计实现了测量系统的软硬件方案。本系统使用NIPXIe、NIFlexRIO等硬件平台搭建硬件系统，基于NILabVIEW的编写了软件系统，实现了完成了整套刚体运动参数测量系统。测量系统方案中，使用多条激光光束构建空间特征平面，利用高速摄像机拍摄激光光束在运动空间中的两面幕墙上投影的激光光斑，通过一系列的光斑检测

5、、处理、标定、坐标系转换等过程，得到激光光斑中心在世界坐标系中的坐标，从而拟合得到空间特征平面，便可依据测量原理推算的计算方法得到刚体空间位置和姿态信息。文中详细阐述了在FPGA中实现实时光斑实时检测及光斑中心计算的方法等。最后，对完成的刚体运动参数测量系统，设计了位姿参数解算精度实验。使用姿态给定装置，模拟刚体在空间中的俯仰、滚转和偏航转动，姿态给定装置的空间位置不变。将两个激光盘固连在姿态给定装置上，利用刚体运动参数测量系统解算其空间位置和姿态，与姿态给定装置给定的姿态数据对比，得到系统测量精度。关键词视觉测量；运动参数；交叉平面；激光光斑；I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文Abstr

6、actRecently,inmulti-axisaircraft,movementoftherobot,therobotarmandaerospacefields,theattitudeandpositionparametersmeasurementofrigidbodyisanimportantpartofrigidbodymotionanalysisandcontrol.Amongtheapplicationsandstudyofnon-contactmeasurementmethods,visualmeasurementmethodsarewidelyused,becauseith

7、asgoodadaptabilityandhighaccuracyincomplexenvironments,andcanbeappliedinofrigidbodycomplexmotionmeasurements.Butmostvisualmeasurementmethodsofrigidspatialmovementhavelargecomputationalcomplexity,limitedinoff-linecomput