面向閘門門頭運行軌跡檢測的激光跟蹤方法研究

彭 浩 王化明 周凱強

（1.江蘇省周山河船閘管理所，江蘇 泰州 225300；2.南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016）

0 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。當底樞或頂樞產生磨損導致軸線偏移時，門體工作狀態就會惡化，通?？赏ㄟ^檢測閘門門頭跳動量來判斷閘門的工作狀態[1-2]。現有人字閘門或三角閘門門頭跳動量檢測方法為經緯儀測量法，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，通過不同時間和位置運行軌跡數據的對比分析，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據，為閘門運行狀態的分析提供客觀數據。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，目前還不能實現全行程自動檢測，不適用于船閘現場閘門門頭運行軌跡的自動檢測[3]。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，可為將來實現閘門全行程自動化軌跡檢測提供思路[4-5]。

1 激光跟蹤系統的設計

1.1 系統設計方案

二自由度激光跟蹤系統設計方案如圖1所示，激光測距儀發射的激光光束經過分光棱鏡，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，經過轉鏡反射到達分光棱鏡。

圖1 激光跟蹤系統設計方案

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（Position Sensitive Device）上，得到光斑當前坐標?？刂颇K根據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，實現對靶鏡的實時跟蹤。工控機根據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 系統組成

系統由工控機、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，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。

圖2 激光跟蹤測量裝置結構圖

1.3 系統布置方案

系統布置方案如圖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，激光跟蹤系統得到空間點的球坐標（l，α，β），其中l是被測點與轉鏡的距離，通過激光測距儀得到；α是被測目標的偏轉角，通過偏轉軸編碼器得到；β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的三維坐標。

圖4 被跟蹤目標三維坐標計算

1.5 系統跟蹤原理

系統跟蹤原理如圖5所示。初始狀態下，激光測距儀的激光束透過分光棱鏡經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，經過分光棱鏡反射至PSD，得到跟蹤計算的光斑初始坐標。

圖5 系統跟蹤原理

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生偏移量。靶鏡返回激光經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，激光跟蹤系統實現被測目標的跟蹤。

2 激光跟蹤系統構建與試驗

2.1 激光跟蹤系統的構建

構建激光跟蹤系統，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實現對靶鏡的跟蹤。

圖6 激光跟蹤系統實物

圖7所示為激光跟蹤系統控制框圖，其中運動控制器型號為JMC-804，采用PID控制律進行偏轉電機與俯仰電機的運動控制[6]。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，實現對靶鏡的跟蹤。經過多次測試，確定PID控制參數分別為：Kp=2、Ki=41、Kd=0.000 97。

圖7 激光跟蹤系統控制框圖

2.2 激光跟蹤系統的跟蹤測試

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8 靶鏡激光跟蹤測試示意圖

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。

圖9 電機跟蹤理論角度計算

設靶鏡沿Y軸運動速度為vy，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vz，俯仰電機的跟蹤角度β為：

圖10所示為對靶球的激光跟蹤測試過程，結果表明，系統能夠實現對靶鏡的穩定跟蹤，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10 靶球的激光跟蹤過程

圖11所示為在40 mm的跟蹤行程內，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生變化，但偏差不超過0.1°，驗證了跟蹤控制方法的有效性。

圖11 偏轉和俯仰電機的跟蹤角度

2.3 系統跟蹤重復精度測試

為測試系統重復性精度，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，激光跟蹤系統持續跟蹤靶鏡，記錄每次平臺返回初始位置時的靶鏡坐標。

根據記錄數據計算得到測量坐標（x，y，z）的標準差，利用3倍標準差衡量重復性精度，分別為±71 μm、±80 μm和±23 μm，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的單點測量重復性精度優于80 μm。

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，試驗表明該系統能實現目標的實時跟蹤，跟蹤重復精度優于80 μm，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，將進一步優化硬件和控制算法，實現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。