基于粒子群解調(diào)點(diǎn)光源干涉的三維坐標(biāo)快速測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種抗干擾能力強(qiáng)和測(cè)量精度高的基于 粒子群解調(diào)點(diǎn)光源干涉的三維坐標(biāo)快速測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前最常用的三維坐標(biāo)定位儀器為三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為一種通 用性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、高精度測(cè)量系統(tǒng)在先進(jìn)制造技術(shù)與科學(xué)研究中有極廣泛的應(yīng)用。但 是其制作成本較高，系統(tǒng)布局對(duì)于所處環(huán)境的要求較高，系統(tǒng)龐大制作困難，因而無(wú)法滿足 便攜快速測(cè)量的要求。其他三維坐標(biāo)定位儀，如多路激光跟蹤干涉測(cè)量裝置、雙經(jīng)煒儀以及 計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)等，則精度相對(duì)較低，無(wú)法滿足高精度測(cè)量要求。
[0003] 中國(guó)專利【申請(qǐng)?zhí)枴?011103159497,公開(kāi)了一種便攜式光纖干涉三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及 測(cè)量三維坐標(biāo)的方法，由于其數(shù)學(xué)模型過(guò)于復(fù)雜因此可靠性差，且所采用的迭代算法迭代 時(shí)間長(zhǎng)，因此測(cè)量效率和精度不高。
[0004] 中國(guó)專利【申請(qǐng)?zhí)枴?013101835352,公開(kāi)了一種點(diǎn)衍射三維絕對(duì)位移測(cè)量方法，采 用點(diǎn)衍射干涉、傅里葉變換以及迭代算法解調(diào)的方法測(cè)量目標(biāo)探頭的三維坐標(biāo)值，由于采 用牛頓迭代算法性能低下導(dǎo)致測(cè)量以及迭代過(guò)程緩慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的坐標(biāo)測(cè)量方法的可靠性差和精度低 的不足，提供了一種抗干擾能力強(qiáng)和測(cè)量精度高的基于粒子群解調(diào)點(diǎn)光源干涉的三維坐標(biāo) 快速測(cè)量方法。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種基于粒子群解調(diào)點(diǎn)光源干涉的三維坐標(biāo)快速測(cè)量方法，包括如下步驟：
[0008] (1-1)將設(shè)有兩條平行光纖作為兩個(gè)點(diǎn)光源的測(cè)量探頭安裝到待測(cè)件上，利用光 學(xué)影像測(cè)量?jī)x測(cè)量并得到兩條光纖的距離d。，兩條光纖分別發(fā)出球面波，兩束球面波形成 干涉場(chǎng)，將干涉場(chǎng)定義為測(cè)量空間，在測(cè)量空間內(nèi)放置不含成像鏡頭的CCD光電探測(cè)器， C⑶光電探測(cè)器采集一個(gè)條紋周期內(nèi)等間距移相的五幅相應(yīng)的干涉圖樣I1,(i= 1，2,3,4， 5)；
[0009] (1-2)利用五步移相算法重構(gòu)干涉圖樣I1,(i= 1，2,3,4,5)，得到與被測(cè)目標(biāo)三 維坐標(biāo)量相對(duì)應(yīng)的相位差矩陣(P;
[0010] (1-3)設(shè)定測(cè)量探頭中兩個(gè)點(diǎn)光源連線中點(diǎn)為球坐標(biāo)系原點(diǎn)0'，兩個(gè)點(diǎn)光源之間 的距離d，則兩個(gè)點(diǎn)光源在球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為（d/2，0，〇 )和（d/2，0 +JT，〇+ Ji); 設(shè)定CCD平面上中心像素點(diǎn)為直角坐標(biāo)系原點(diǎn)0,設(shè)定在相位差矩陣，中一個(gè)已知坐標(biāo)值 為（a，b，c)的點(diǎn)P到測(cè)量探頭中點(diǎn)光源1和點(diǎn)光源2的距離分別為巧和r2，定義點(diǎn)P處的 相位差值為￥>(?>')，Z(])為兩個(gè)點(diǎn)光源連線中點(diǎn)在直角坐標(biāo)系中的未知坐標(biāo)；
[0015] (1-4)因?yàn)樽鴺?biāo)（x。，y。，z。)，（d/2，0，〇 )和（d/2，0 +JT，o+Ji)與空間點(diǎn)P處 相位差滬(《太c)存在的--對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所以可設(shè)定函數(shù)f(X):
[0016]
[0017] 式中，X= (x。，y。，z。，0，O，d)為測(cè)量探頭中兩個(gè)點(diǎn)光源的三維絕對(duì)位移和旋轉(zhuǎn) 量，f>0為通過(guò)計(jì)算得到坐標(biāo)原點(diǎn)的相位差值，4為實(shí)際測(cè)得CXD平面上的相位 差值，G為實(shí)際測(cè)得坐標(biāo)原點(diǎn)的相位差值；
[0018] 選取像素?cái)?shù)m多6的像素點(diǎn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建超定非線性方程組F(X)并轉(zhuǎn)化為二次范函 數(shù)形式也（X):
[0020] 定義二次范函數(shù)也（X)為評(píng)價(jià)函數(shù)，方程組F(X)中的方程數(shù)量為m，采用粒子群算 法求解，計(jì)算得到位置量（x。，y。，z。，d)和旋轉(zhuǎn)量（0，〇 )。
[0021] 針對(duì)【申請(qǐng)?zhí)枴?011103159497的專利的數(shù)學(xué)模型過(guò)于復(fù)雜、可靠性差、迭代算法迭 代時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量效率和精度不高；
[0022] 中國(guó)專利【申請(qǐng)?zhí)枴?013101835352的專利的迭代算法性能低下導(dǎo)致測(cè)量以及迭代 過(guò)程緩慢的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種采用點(diǎn)光源干涉獲取位置信息的方法，涉及到多元高 階超定非線性的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型模型需要使用重構(gòu)算法求解。
[0023] 目前多元高階非線性方程組的重構(gòu)方法很多，如迭代法和智能算法等，大部分的 迭代法都以經(jīng)典的Newton-Raphson迭代法（NR迭代法）為基礎(chǔ)，每一步迭代都要計(jì)算 Jacobi矩陣并求解線性方程組或生成類似矩陣，計(jì)算量大，運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí) 快速處理需要。而智能算法為目前研究的熱點(diǎn)，在搜索過(guò)程中采用適當(dāng)?shù)乃阉鞑呗酝?以得到較好的效果。
[0024] 考慮到本發(fā)明中CCD可以采集到大量數(shù)據(jù)，同時(shí)提高抗干擾能力和測(cè)量精度，本 發(fā)明采用粒子群算法并在搜索過(guò)程上對(duì)原算法進(jìn)行優(yōu)化。
[0025] 本發(fā)明充分考慮了測(cè)量探頭在測(cè)量過(guò)程中可能出現(xiàn)的狀態(tài)，建立的數(shù)學(xué)模型將探 頭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量分為位置量與旋轉(zhuǎn)量，以此簡(jiǎn)化迭代算法在搜索解過(guò)程中的難度，該方法 簡(jiǎn)單易行，誤差來(lái)源少，效率高，精度高，且同時(shí)滿足高效、便攜、實(shí)時(shí)、快速的測(cè)量需求。
[0026] 作為優(yōu)選，所述粒子群算法包括以下步驟：
[0027] (2-1)設(shè)置初始解x。= (0,0,0,d。，JT/2,0)，選取迭代次數(shù)上限t_，評(píng)價(jià)條件e， 迭代計(jì)數(shù)量t= 0 ;
[0028] (2-2)定義帶入點(diǎn)數(shù)量的遞增函數(shù)為k(t)，搜索總量為T;根據(jù)CXD平面的大小設(shè) 置代入迭代點(diǎn)數(shù)量的遞增函數(shù)k(t)以及相位矩陣中的搜索總量T，并保證k(tmax) =T;
[0029] (2-3)根據(jù)遞增函數(shù)k(t)更新評(píng)價(jià)函數(shù)也（X)中方程的數(shù)量m，使得m=k(t);
[0030](2-4)進(jìn)行一次粒子群算法的迭代，得到一組新解\和評(píng)價(jià)值力（xt)，迭代次數(shù)t 增加1，觀察評(píng)價(jià)函數(shù)也（Xt)是否滿足評(píng)價(jià)條件e，滿足則執(zhí)行步驟（2-5)，否則執(zhí)行步驟 (2-3);
[0031](2-5)輸出最終解Xt= (X。，y。，z。，0，〇，d)，并提取位置量（x。，y。，z。，d)和旋轉(zhuǎn) 量（Q，〇 )〇
[0032] 作為優(yōu)選，所述遞增函數(shù)k(t)和搜索總量T通過(guò)如下步驟得到：
[0033] (3-1)以C⑶中心像素為形心的邊長(zhǎng)為1的正方形像素區(qū)域作為總樣本區(qū)域T;
[0034] (3-2)設(shè)置進(jìn)行樣本點(diǎn)更新的迭代間隔為t_，定義迭代過(guò)程階段數(shù)為q，則迭代 過(guò)程被分為q=t_/t_個(gè)階段，設(shè)置算法起始階段的像素樣本點(diǎn)數(shù)量為（1/q) 2個(gè)；
[0035] (3-3)計(jì)算第n個(gè)迭代階段所對(duì)應(yīng)選取的像素樣本量k(tn) = (nl/q)2,且k(t_) =T0
[0036] 作為上述方案的替代方案，所述遞增函數(shù)k(t)和搜索總量T通過(guò)如下步驟得到：
[0037] (4-1)以C⑶中心像素為形心的邊長(zhǎng)為IX j的長(zhǎng)方形像素區(qū)域作為總樣本區(qū)域 T；
[0038] (4-2)設(shè)置進(jìn)行樣本點(diǎn)更新的迭代間隔為t_，定義迭代過(guò)程階段數(shù)為q，則迭代 過(guò)程被分為c=t_/tMP個(gè)階段，設(shè)置算法起始階段的像素樣本點(diǎn)數(shù)量為（1/q)X(j/q) 個(gè)；
[0039](4-3)計(jì)算第n個(gè)迭代階段所對(duì)應(yīng)選取的像素樣本量k (tn)=n2 (1/q) X(j/q)，且 k (tnax) = T〇
[0040] 作為上述方案的替代方案，所述遞增函數(shù)k(t)和搜索總量T通過(guò)如下步驟得到：
[0041] (5-1)以C⑶中心像素為形心的邊長(zhǎng)為IXj的長(zhǎng)方形像素區(qū)域作為總樣本區(qū)域 T；
[0042] (5-2)根據(jù)樣本總量T的大小賦予k(t)任意遞增函數(shù)形式；
[0043] (5-3)計(jì)算第t=n次迭代時(shí)所對(duì)應(yīng)選取的像素樣本量k(n)，且滿足k(t_)彡T。
[0044] 因此，本發(fā)明具有如下有益效果：基于粒子群解調(diào)點(diǎn)光源干涉的三維坐標(biāo)快速測(cè) 量方法，簡(jiǎn)單易行，誤差來(lái)源少，效率高，精度高，且同時(shí)滿足高效、便攜、實(shí)時(shí)、快速的測(cè)量 需求。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)改進(jìn)的快速搜索粒子群算法，使得算法在運(yùn)行初期僅取少量像素?cái)?shù)據(jù) 點(diǎn)進(jìn)行迭代，而在后續(xù)的迭代過(guò)程中，不斷增加樣本點(diǎn)數(shù)量，構(gòu)建更為龐大的方程組進(jìn)行計(jì) 算，算法在保證測(cè)量精度的同時(shí)極大的提高測(cè)量效率。
【附圖說(shuō)明】
[0045] 圖1是本發(fā)明的球坐標(biāo)系的一種模型圖；
[0046]圖2是本發(fā)明的直角坐標(biāo)系的一種模型圖；
[0047]圖3是本發(fā)明的對(duì)相位信息目標(biāo)點(diǎn)快速搜索的一種示意圖；
[0048] 圖4是本發(fā)明的光程移動(dòng)0波長(zhǎng)后的一種干涉圖；
[0049] 圖5是本發(fā)明的5b為光程移動(dòng)1/4波長(zhǎng)后的一種干涉圖；
[0050] 圖6是本發(fā)明的光程移動(dòng)1/2波長(zhǎng)后的一種干涉圖；
[0051] 圖7是本發(fā)明的光程移動(dòng)3/4波長(zhǎng)后的一種干涉圖；
[0052] 圖8是本發(fā)明的光程移動(dòng)1波長(zhǎng)后的一種干涉圖；
[0053] 圖9是本發(fā)明的一種相位信息分布圖；
[0054] 圖10是本發(fā)明的實(shí)施例1的一種流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
[0056] 實(shí)施例1
[0057] 如圖10所示的實(shí)施例是一種基于粒子群解調(diào)點(diǎn)光源干涉的三維坐標(biāo)快速測(cè)量方 法，采用干涉場(chǎng)中各個(gè)平面采集到的相位差矩陣與其所處的坐標(biāo)值一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系求解目 標(biāo)三維坐標(biāo)的方法。
[0058] 包括如下步驟：
[0059] 步驟1 :安裝測(cè)量裝置并采集干涉圖樣
[0060] 采用兩根單模光纖制作測(cè)量探頭安裝于待測(cè)三維坐標(biāo)的目標(biāo)之上，采用嘉騰公司 的JTVMS-2010 (T)光學(xué)影像儀測(cè)量?jī)蓚€(gè)探頭之間的位置d0~0. 12548mm。在測(cè)量空間內(nèi)放 置一個(gè)不含成像鏡頭的CCDCJAI公司的AM-201GE)光電探測(cè)器，使得被測(cè)目標(biāo)在整個(gè)測(cè)量 空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都可采集到測(cè)量探頭中點(diǎn)光源的干涉光信號(hào)。其中CCD探測(cè)器的像素?cái)?shù) 設(shè)置為1280pixelX1024pixel，像元尺寸為5. 0ymx5. 0ym，通過(guò)CCD光電探測(cè)器直接實(shí)時(shí) 采集一個(gè)條紋周期內(nèi)等間距移相的五幅相應(yīng)的干涉圖樣I1(i= 1，2, 3,4, 5)，五幅干涉圖樣 如圖5所示；
[0061] 步驟2 :解調(diào)干涉圖樣獲得相位差矩陣
[0062] 對(duì)步驟1得到的五幅干涉圖樣I1Q= 1，2,3,4,5)利用五步移相算法進(jìn)行分析， 即可重構(gòu)出被測(cè)目標(biāo)三維坐標(biāo)量相對(duì)應(yīng)的相位差矩陣
[0063] 步驟3 :建立測(cè)量探頭的球坐標(biāo)與系統(tǒng)的直角坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型
[0064]如圖1所示，定義測(cè)量探頭中兩點(diǎn)光源連線中點(diǎn)為球坐標(biāo)系原點(diǎn)0'，點(diǎn)光源之間 的距離d，則兩點(diǎn)光源在球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為（d/2，0，〇 )和（d/2，0+JT，〇 +Ji);
[0065] 如圖2所示，定義C⑶平面上中心像素點(diǎn)為直角坐標(biāo)系原點(diǎn)0,在相位差矩陣屮中 一個(gè)已知坐標(biāo)值為（a，b，c)的點(diǎn)P到測(cè)量探頭中點(diǎn)光源1和點(diǎn)光源2的