基于面阵CCD激光测角系统关键技术研究

论文摘要

为实现施工过程中盾构自动导向,需要对盾构机的三个姿态角(水平角、滚动角、俯仰角)进行实时的测量。俯仰角和滚动角采用倾角传感器进行测量,而水平角姿态角的精确测量一直是个难题,本文对基于面阵CCD和激光的水平姿态角测量方法进行了研究。主要内容如下:1.深入研究了水平姿态角的测量原理:根据几何光学的成像规律,当入射激光束与光学系统轴线之间的角度发生改变时,激光束通过凸透镜后聚焦在焦平面上的焦点坐标位置会发生相应的改变,因此可以根据焦点坐标位置值计算出入射光线与光学轴线的夹角,再根据此夹角计算出水平姿态角。2.为了实现聚焦光斑的准确定位,需要对激光光斑进行边缘检测。根据检测精度的需要,对多种边缘检测方法作了比较研究,证明了基于Zernike矩的亚像素边缘检测方法更加符合盾构精确测量的需要。在对其原理进行分析的基础上,对算法中两个关键参数(像素中心到边缘的垂直距离l和阶跃高度k )的阈值对定位精度的影响进行了讨论分析。3.鉴于聚焦后光斑近似圆形,通过对Hough变换法和最小二乘拟合圆法这两种实用方法的计算精度和抗干扰性能的分析研究,证明了最小二乘拟合圆的方法具有较好的检测精度和实时性,可以用于盾构姿态测量。4.在Matlab平台上实现了滤波、亚像素边缘检测、最小二乘拟合圆中心定位算法。并通过仿真实验分析了各个参数对定位精度的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源、目的及意义
• 1.2 盾构导向系统国内外发展状况
• 1.3 小角度测量研究发展状况
• 1.4 本文的研究内容
• 2 姿态角测量原理和方案
• 2.1 姿态角的测量原理
• 2.2 技术指标
• 2.3 技术方案
• 2.4 本章小结
• 3 光斑亚像素边缘检测
• 3.1 图像滤波
• 3.2 亚像素级边缘检测
• 3.3 空间矩和Zernike 矩的比较
• 3.4 Zernike 边缘检测精度分析
• 3.5 本章小结
• 4 光斑中心定位算法研究
• 4.1 重心法定位
• 4.2 Hough 变换法
• 4.3 最小二乘法
• 4.4 本章小结
• 5 算法实现及仿真研究
• 5.1 中心定位仿真
• 5.2 本章小结
• 6 总结
• 致谢
• 参考文献