引言

人字閘門或三角閘門轉動時,門體以底樞中心與頂樞中心間的軸線為中心軸轉動。底樞是閘門中最易磨損的部件,其在水下工作,球面摩擦副潤滑失效就會導致底樞球軸頭磨損。當?shù)讟谢蝽敇挟a(chǎn)生磨損導致軸線偏移時,門體工作狀態(tài)就會惡化,通?？赏ㄟ^檢測閘門門頭跳動量來判斷閘門的工作狀態(tài)。現(xiàn)有人字閘門或三角閘門門頭跳動量檢測方法為經(jīng)緯儀測量法,需要將閘門停止在若干角度,既影響船閘的正常通航,又需要較多人工,無法實現(xiàn)門頭跳動量的自動在線檢測和閘門全行程的檢測。

人字閘門或三角閘門的門頭運行軌跡能反映閘門全行程的運行狀態(tài),通過不同時間和位置運行軌跡數(shù)據(jù)的對比分析,既可以計算得到閘門門頭跳動量,又能得到門頭軌跡的歷史數(shù)據(jù),為閘門運行狀態(tài)的分析提供客觀數(shù)據(jù)。閘門門體尺寸較大,采用全站儀、激光跟蹤儀和攝像機測量系統(tǒng)等設備可以獲得門頭的空間坐標,得到門頭的運動軌跡,但其價格昂貴,目前還不能實現(xiàn)全行程自動檢測,不適用于船閘現(xiàn)場閘門門頭運行軌跡的自動檢測。因此,本文提出了一種基于二自由度激光跟蹤的閘門運行軌跡檢測方法,可為將來實現(xiàn)閘門全行程自動化軌跡檢測提供思路。

1激光跟蹤系統(tǒng)的設計

1.1系統(tǒng)設計方案

二自由度激光跟蹤系統(tǒng)設計方案如圖1所示,激光測距儀發(fā)射的激光光束經(jīng)過分光棱鏡,通過轉鏡反射至靶鏡(角錐棱鏡),靶鏡將激光束按入射方向的反方向平行返回,經(jīng)過轉鏡反射到達分光棱鏡。

圖1激光跟蹤系統(tǒng)設計方案

此時激光光束分成兩部分:部分激光光束返回激光測距儀,完成距離測量:部分激光光束反射至PSD(PositionsensitiveDevice)上,得到光斑當前坐標?？刂颇K根據(jù)光斑當前坐標與初始坐標之差計算俯仰軸電機與偏轉軸電機需要轉過的角度,使得光斑坐標回到初始坐標,實現(xiàn)對靶鏡的實時跟蹤。工控機根據(jù)激光測距儀的距離信息、俯仰軸與偏轉軸電機編碼器轉角,計算靶鏡的空間三維坐標。

1.2系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由工控機、二自由度激光跟蹤測量裝置、靶鏡等構成。激光跟蹤測量裝置結構如圖2所示,包括激光測距儀、分光棱鏡、PSD、支架、偏轉DD馬達、俯仰DD馬達、俯仰軸座、俯仰軸、轉鏡等。激光測距儀、分光棱鏡和PSD固定安裝于支架內(nèi),保持如圖1所示的位置關系。偏轉DD馬達安裝于支架上,使得激光測距儀的激光光束與偏轉DD馬達的中空軸線重合。俯仰DD馬達及俯仰軸座安裝于偏轉DD馬達上,帶動俯仰軸轉動,且偏轉DD馬達的軸線與俯仰DD馬達的軸線垂直且相交。轉鏡安裝于俯仰軸上,且俯仰軸軸線位于轉鏡平面內(nèi)。

圖2激光跟蹤測量裝置結構圖

1.3系統(tǒng)布置方案

系統(tǒng)布置方案如圖3所示。工控機與激光跟蹤測量裝置設置于閘門頂樞處地面上,閘門門頭安裝靶鏡。閘門轉動過程中,激光跟蹤測量裝置一直跟蹤靶鏡,根據(jù)激光測距儀的距離以及俯仰角、偏轉角即可計算出閘門運行過程中的門頭三維坐標,形成閘門門頭的運行軌跡。

圖3系統(tǒng)布置方案

1.4跟蹤目標的三維坐標計算

圖4所示為目標三維坐標計算示意圖,激光跟蹤系統(tǒng)得到空間點的球坐標(1,a,8),其中1是被測點與轉鏡的距離,通過激光測距儀得到:a是被測目標的偏轉角,通過偏轉軸編碼器得到:8是被測目標的俯仰角,通過俯仰軸編碼器得到。被跟蹤目標的球坐標可以通過式(1)轉換為直角坐標系內(nèi)的三維坐標。

1.5系統(tǒng)跟蹤原理

系統(tǒng)跟蹤原理如圖5所示。初始狀態(tài)下,激光測距儀的激光束透過分光棱鏡經(jīng)轉鏡反射至目標靶鏡處,此時光束正射靶鏡中心。靶鏡為角錐棱鏡,激光會以入射方向的反方向返回,經(jīng)過分光棱鏡反射至PSD,得到跟蹤計算的光斑初始坐標。

當被跟蹤目標(靶鏡)開始移動時,激光測距儀的激光束偏離靶鏡的中心,靶鏡的返回激光與入射激光平行,在水平與垂直方向會產(chǎn)生偏移量。靶鏡返回激光經(jīng)分光鏡反射作用反射至PSD,激光光斑形成的當前坐標會偏離原光斑初始坐標,坐標變化量等于靶鏡在水平和垂直方向的偏移量。

控制器采集PSD當前坐標,根據(jù)與初始坐標的偏差計算出激光光斑重回PSD初始坐標時的俯仰電機與偏轉電機轉動角度,則激光光束重射目標靶鏡中心,在PSD上形成的光斑坐標回到初始坐標。重復上述過程,激光跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)被測目標的跟蹤。

2激光跟蹤系統(tǒng)構建與試驗

2.1激光跟蹤系統(tǒng)的構建

構建激光跟蹤系統(tǒng),實物如圖6所示,其中二維跟蹤轉臺包括偏轉DD馬達、俯仰DD馬達、俯仰軸,跟蹤測量光路包括激光測距儀、分光棱鏡、轉鏡和PSD。為方便試驗,將靶鏡固定安裝在線性運動平臺上,當平臺運動時激光跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)對靶鏡的跟蹤。

圖7所示為激光跟蹤系統(tǒng)控制框圖,其中運動控制器型號為JMC-804,采用P1D控制律進行偏轉電機與俯仰電機的運動控制。運動控制器讀取PSD當前坐標及電機編碼器的輸出角度,根據(jù)PSD當前坐標與初始坐標之間的偏差計算偏轉電機與俯仰電機的控制量,控制跟蹤轉鏡的偏轉與俯仰,實現(xiàn)對靶鏡的跟蹤。經(jīng)過多次測試,確定P1D控制參數(shù)分別為:Kp=2、Ki=41、Kd=0.00097。

2.2激光跟蹤系統(tǒng)的跟蹤測試

圖8所示為目標(靶鏡)激光跟蹤測試示意圖,分別測試系統(tǒng)在俯仰和偏轉方向的跟蹤性能。將靶鏡固定安裝于運動平臺,當平臺水平安裝時測量偏轉跟蹤性能,豎直安裝時測量俯仰跟蹤性能。

圖9所示為目標跟蹤時俯仰軸電機和偏轉軸電機的理論跟蹤角度計算方法,并與實際跟蹤角度進行對比。

設靶鏡沿y軸運動速度為,y,運動距離為d,初始時靶球與轉鏡距離為ls,偏轉電機跟蹤角度α為:

同理,設靶鏡沿Z軸運動速度為,z,俯仰電機的跟蹤角度8為:

圖10所示為對靶球的激光跟蹤測試過程,結果表明,系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對靶鏡的穩(wěn)定跟蹤,在跟蹤過程中偏轉電機和俯仰電機能及時響應,控制激光光束位于靶球的中心。

圖11所示為在40mm的跟蹤行程內(nèi),偏轉軸與俯仰軸的實際與理論跟蹤角度的對比,可以看出兩者偏差隨靶鏡移動發(fā)生變化,但偏差不超過0m1o,驗證了跟蹤控制方法的有效性。

2.3系統(tǒng)跟蹤重復精度測試

為測試系統(tǒng)重復性精度,設置平臺的初始位置,控制平臺移動一定行程后再返回初始位置,如此反復進行20次,激光跟蹤系統(tǒng)持續(xù)跟蹤靶鏡,記錄每次平臺返回初始位置時的靶鏡坐標。

根據(jù)記錄數(shù)據(jù)計算得到測量坐標(x,y,:)的標準差,利用3倍標準差衡量重復性精度,分別為士71μm、士80μm和±23μm,由于平臺本身也存在定位誤差,可以推斷出激光跟蹤測量系統(tǒng)的單點測量重復性精度優(yōu)于80μm。

3結語

本文介紹了面向船閘閘門門頭運行軌跡的激光跟蹤系統(tǒng)設計與構建,包括跟蹤裝置結構和控制器設計,試驗表明該系統(tǒng)能實現(xiàn)目標的實時跟蹤,跟蹤重復精度優(yōu)于80μm,為閘門門頭運行軌跡的檢測提供了一種可行方法。

在以后的工作中,將進一步優(yōu)化硬件和控制算法,實現(xiàn)更高速度和更遠距離的高精度跟蹤,為其在船閘的實際應用打下基礎。