参数标定方法范文

参数标定方法范文（精选7篇）

参数标定方法 第1篇

摄像机标定是从二维图像信息获取三维空间信息必不可少的步骤。通过摄像机标定如何获得更可靠的摄像机几何模型成为计算机视觉领域研究的热点。目前的标定方法很多, 经典的算法包括:Tsai提出的DLT标定法;Heikkila提出的RAC标定法;张正友提出的基于平面标定法。文献[1-3]提出了多种线性标定方法, 但是需要拍摄的图片数量多, 且需要移动摄像机或靶标, 对实验的要求较高。文献[4]提出了一种基于平面镜的摄像机标定方法, 需要移动摄像机或平面镜。文献[5]采用主动发光的光点阵列标定靶, 利用2D标定靶的精确移动来实现基于3D立体靶标的摄像机标定, 它对实验的要求较高。文献[6]提出了利用灭点属性求解摄像机内外方位角的方法, 对实验的测量精度较高。本文提出了一种基于立方体的线性摄像机自标定方法。该方法不需要知道模板的尺寸和摄像机的运动, 仅仅是从3个或多个不同的方位摄取图像, 利用灭点理论就可以线性地解出摄像机的内参数。

2 摄像机模型

本文使用的摄像机模型为经典针孔模型。设P为任意空间点, 空间点齐次坐标和图像点齐次坐标分别为M= (x w, yw, zw, 1) T和m= (u, v, 1) T。通过透视投影几何关系M与m之间的关系如下:

其中, λ为比例因子;为摄像机内参数矩阵;R和T分别为世界坐标系到摄像机坐标系的旋转矩阵和平移向量。

3 摄像机内部参数求解

采用一个立方体标定摄像机的内参数矩阵。立体模型如图1所示。设p1, p2, p3分别为直线AB, AA', AD的灭点。坐标记为 (up1, vp1) , (up2, vp2) , (up3, vp3) 。先用最小二乘法拟合直线AB的灭点p1, 再由平行于AB的直线交点拟合得到。同理, 也能求出直线AA', AD的灭点坐标。

由灭点理论, 得到约束方程

令C=K-TK-1为3×3的矩阵。设, 由 (2) 式得:

令

则式 (3) 表示为Af=0。如果从不同的方位摄取n幅图像, 可以得到3n个关于矩阵C的方程。利用最小二乘法可线性的解出f, 即得矩阵C, 由文献[9]的方法线性的求出摄像机的内参数矩阵K。

4 实验

在真实实验中, 采用佳能数码相机, 图像分辨率为640×480。从不同的方位拍摄立方体获得实验所需的图像。用本文的算法对摄像机进行标定, 实验结果如表1。实验结果表明, 该方法简单、有效。

5 结论

本文提出了一种基于立方体的标定内参数方法。该方法需要一个立方体模型, 从3个或多个不同的方位摄取立方体图片。该方法不限定模板的大小, 不需要知道摄像机和模板的运动信息。实验结果表明, 该方法标定过程简单, 有较好的稳定性和准确性, 是一种比较实用的方法。

摘要：摄像机标定方法是计算机视觉的重要内容之一。提出了一种基于立方体的标定方法。该方法的模型为立方体, 从3个或多个不同的方位摄取图像, 由直径的正交关系获得3组正交灭点, 从而线性的求出摄像机的5个内参数。模拟图像和真实图像实验表明, 文章的自标定方法有较好的灵活性和较高的鲁棒性。

关键词：摄像机标定,内参数,灭点,正交

参考文献

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[3]吴福朝.计算机视觉中的数学方法[M].北京:科学出版社, 2008.

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[5]潘静, 李为民.基于3D立体靶标的摄像机标定算法[J].机械与电子, 2007 (5) :3-5.

[6]荣瑞霞, 欧龙, 张丽鹏, 等.基于灭点理论的普通数码相机标定方法[J].工程地球物理学报, 2007 (2) :152-156.

[7]邹凤娇, 苏显渝, 李美菊, 等.基于共面点的摄像机线性标定法[J].光电工程, 2005, 34 (4) :70-74.

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参数标定方法 第2篇

为了克服上述两种测量方法的不足,本文提出只用指端一点检测脉搏波传导时间的方法,减少了测量过程中传感器对受试部位的影响因素,舒适性和方便性都获得较大提高。

1 原理与方法

1922年,Bazzett发现脉搏波传导速度(pulse wave transit velocity,PWTV)或传导时间(pulse wave transit time,PWTT)与动脉血压值有关,也同血管容积和血管壁弹性量有关[8]。1957年,Lansdown[9]提出在一定范围内,脉搏波传导时间PWTT和动脉血压BP之间呈线性相关,且这一关系对于某一个体来说,在一段时期内是相对稳定的。由脉搏波传导时间和血压之间关系可推导出如下关系[7]:

其中a、b为待定系数,反映了不同血管生理状况下血压的变化。

1984年Hiroshi Osanai[10]等人通过对容积脉搏波进行二次、三次微分后得到的加速脉搏波波形进行研究,表明加速脉搏波能够有效地反映和预测血液循环系统功能。他们对二次微分后的加速脉搏波(图1所示)的生理研究为:当心脏收缩时,动脉血由于压力向前推进到小动脉和毛细血管,由于其瞬时流量超过了通过毛细血管流向静脉的血液容量,于是就会造成毛细血管的快速扩张,表现为波形的快速上升(o—a段);接着由于毛细血管中的血液进入静脉,会出现波形的快速下降(a-b);同时,由于静脉血流量突然的增大,血管受力的同时也会有一定的反作用力将一部分静脉血重新推入毛心血管中,使得其容积变大,波形上升(b-c);基于上述原因,同样的过程还会持续几个周期,随着血管弹性压力逐渐减小,波形最后趋于平缓。该文在论述中,将血流朝向静脉方向流动,加速脉搏波呈上升的波形称为推进波;下降现象的波形称为反射波。于是只要测量同一部位单个脉搏波中推进波与反射波之间的传播时间[11](一般选择a-c之间的时间间隔),并以此建立起与血压的关系,就可以完成血压的测量。

本文采用光电传感器通过人体指端一点测量获得容积脉搏波,并从中提取数据进行分析,以训练组临床实验数据对照OMRON HE-757电子血压仪测量数据,分别建立收缩压、舒张压测量方程式,最后通过对照组实验结果以验证所建立两个方程式的可靠性。由于血流参数标定的关键参数有收缩压、舒张压和脉搏波波形特征量K值,而临床上K值一般用固定值,如果通过这种方法测得的血压值有较好的可靠性,那么此方法就可作为一种新的简易的血流参数标定方法。

2 样机研制

研制的样机主要要实现指端光电容积脉搏波的采集与处理,加速脉搏波的获取与处理,波形特征点识别检出,参数计算和参数传输等功能。实验样机原理框图如图2所示,包括光电传感器、探头驱动电路、运算放大电路、滤波电路、自动增益调节电路、微控制器、PC机接收显示模块、电源管理模块和串口通讯电路。

2.1 光电传感器及其驱动电路

光电传感器采用NELLCOR指套透射式血氧探头,该探头能避免外界环境光的干扰,而且穿戴方便舒适,适合长时间监护。驱动电路用于交替点亮红光和红外光的LED。由于二者穿透组织的能力不同,从透射光接收端采集的信号强弱也不一样,而系统又是单通道设计,所以可充分利用了微处理器中的PWM模块实现D/A功能,通过调整红光和红外光的发光亮度,使分别照射时需要不同放大倍数的问题得以解决。

2.2 MSP430微处理器

微处理器选用美国TI公司的16位超低功耗单片机MSP430FG439,它采用16位精简指令集,指令周期为125 ns,采用低功耗设计,1.8~3.6 V的供电电压,在2.2V电压,1 MHz晶振系统中工作电流为225 u A。在硬件架构上,提供了五种低功耗模式,可最大限度的延长手持设备的电池寿命。它采用的数字可控振荡器(DCO)可使低功耗模式到活动模式的时间小于6μs,同时,该芯片还内置三个可配置运算放大器,高性能12位双D/A转换器,2个带有三个捕获/比较寄存器的16位定时器,60KB的Flash Rom,2 KB的RAM,一个通用异步/同步串行接口,48个I/O口和液晶显示驱动。该芯片外围模拟电路十分丰富,因此非常适合于微型化、低功耗的产品设计。

2.3 滤波电路及增益自动调节电路

滤波电路采用二阶巴特沃兹低通滤波器。根据脉搏波的频率特点,中心频率不大于3 Hz,95%的能量集中在0~6 Hz,低通截止频率设置为10 Hz。由于个体差异,为了得到相对稳定的信号,自动增益调节显得非常重要。本方案采用8档离散调节方式,调节范围为100倍。首先确定信号幅度的上下阈值,单片机识别出前一个脉搏波幅度后与这两个阈值比较,当信号幅度大于上阈值时,自动增益向下调一档,反之则向上调一档,这样基本上可以满足不同范围信号的放大需要。

3 软件设计

指尖一点测量脉搏波传导时间主要用软件处理得到。本系统软件的功能结构包括LED发光驱动、数据信号采集、数字信号处理、参数计算和数据传输与显示。

3.1 LED发光驱动

LED发光驱动单元是根据硬件原理设计,采用分时驱动红光和红外光,频率均为500 Hz。同时在系统运行过程中,需要根据红光和红外光的放大幅度,及时调整其对应发光亮度,以得到相对稳定的信号。

3.2 数据信号采集

数据采集单元控制A/D完成容积脉搏波的采集,通过定时器A设置采样频率为500 Hz。为了降低后期数据处理的复杂度,需要在此采样频率的基础上进行降采样,设置定时器B降采样频率为100 Hz。图3为信号采集流程框图。

3.3 数字信号处理

数字信号处理单元包括容积脉搏波的滤波处理及其波形检出,脉搏波的微分处理和微分处理后的滤波,以及特征点检出。由于FIR滤波器具有严格的线性相位,系统总是稳定的,又具有任意的幅度特性,所以选择FIR整系数低通滤波器对脉搏波进行滤波处理。脉搏波的波形检出采用微分阈值法来识别波形的峰值和峰峰值,为计算血氧饱和度、心率提供参考数据。实验表明,要获得良好的脉搏波微分处理后的波形,必须保证输入脉搏波十分光滑、稳定,为此我们采用3层小波变换对微分处理前的脉搏波进行处理[12]。考虑到微处理器运行速率及信号处理过程可能导致的延迟问题,需要降采样数据。根据加速脉搏波的功率谱分析可知,其中心频率在1.1 Hz附近,于是降采样率定为100 Hz。在小波变换处理过程中,将每一层的细节系数置零,只保留近似系数,并将细节系数插值,这样的处理以后可以满足实验要求。接着对信号进行微分处理,最后再进行一次低通滤波,可以得到较好的加速脉搏波。其流程框图如图4所示。

3.4 参数计算

血氧饱和度和心率分别由容积脉搏波中红光和红外光的交流成份以及脉搏波的周期获得。心血管血流参数根据双弹性腔模型进行计算[1]。临床上普遍取脉搏波波形特征量K=1/3来计算动脉压,又根据本方案建立起的脉搏波传导时间与动脉压之间的关系,容积脉搏波交直流所占的比例为[13]:

式中DC、AC分别为直流分量和交流分量比例,Ps为收缩压,Pd为舒张压,推导后并与临床实验数据对照进行回归分析,建立舒张压测量方程式,进而可以计算舒张压、平均动脉压、心搏输出量、心搏指数、外周阻力、血管顺应性和血流半更新率等生理参数。

3.5 数据传输与显示

微处理器采集到的数据通过串口通信模块发送到计算机,在计算机上对数据进行保存、分析和显示。上位机软件用VB编写,除了完成最基本的串行通信功能外,还要完成波形的动态实时显示、数据存储、用户信息记录和生理参数计算保存等功能。存储的数据可以用Matlab等信号处理软件进行处理。图5所示是经二次微分处理过的波形。

4 临床实验研究

4.1 实验方法

对33例健康志愿者(男18人,女15人,年龄22~34岁)采用本样机进行信号采集和分析,其中18人作为训练组,另外15人作为对照验证组。测试对象要求处于平静状态,手指与心脏保持水平,测量时间为3~5 min并保存数据。对所采集的信号进行处理,以获得加速脉搏波,并提取信号特征点(a-c)之间(图1)的时间间隔。然后用OMRON HE-757电子血压仪测量,取3到5组测量数据,每次间隔3~5 min。最后对训练组所得的数据进行回归分析,并建立方程式,对照组数据根据建立的方程进行验证。图6为实验样机照片。

4.2 实验结果

以OMRON HEM-757电子血压仪对应样本所测血压数据为参考,根据动脉血压与脉搏波传导时间之间的线性关系[7],计算本样机训练组实验数据的回归系数及常数,从而建立回归方程式,实现通过测量人体脉搏波传导时间来得到人体的收缩压值。按照上述方法计算得到的校正系数a为0.1573 mm Hg/ms,建立的收缩压测量方程为(图7为人体实验数据及血压方程):

根据上面建立的血压方程进行收缩压的测量,由参数计算(2)式可知舒张压与收缩压成线性关系,由上面血压方程得到的收缩压与OMRON HE-757电子血压仪测量得到的舒张压根据此线线性关系作回归分析,建立舒张压测量方程式为:

最后取对照组15人的数据进行分析,采用本样机通过(3)式和(4)式测量的血压数据与OMRON HE-757电子血压仪测量数据进行对比(如表1所示)。根据Pearson双变量相关系数分析,两种方法测得的收缩压的相关系数为r=0.733,P=0.002;测得舒张压的相关系数为r=0.533,P=0.041,结果表明两者均具有较好的相关性。进一步根据数学界与工程界广泛认同的适合于两种仪器或两种方法所测试数据的一致性比较的统计分析方法[6],绘制Bland-Altman分析图(见图8)。图8a图8b分别为收缩压和舒张压散点图,图中中间线为系统偏差,上下两条平行线代表两种方法之间随机偏差的上下限。由数据分析可知,置信度为95%时,收缩压系统偏差单边宽度为2.463,随机偏差上下限单边宽度为4.265,舒张压系统偏差单边宽度为1.905,随机偏差上下限单边宽度为3.299。由此可见,基于本文方法制作的样机的测量结果与基于传统充气袖带测量(示波法)的OMRON血压仪的测量结果有较好的一致性。

4.3 讨论

推行设备参数标定提升设备精准管理 第3篇

济南钢铁股份有限公司冷轧板厂(简称冷轧板厂)的双机架可逆式冷轧薄板工程，是为适应市场需求、扩展产品品种和提升市场竞争力而投资建设的生产线，主要包括：连续酸洗机组、双机架轧机机组、罩式退火炉机组、平整机组、镀锌机组、彩涂机组、重卷分卷机组、包装机组、磨辊间、酸再生机组和废水处理机组等。主要机组均采用国外技术总成，关键设备全套由国外引进。具有冷轧生产线长、机组多、引进设备的国家多，设备的加工安装精度高、自动化控制技术先进和设备管理难度大等特点。

由于冷轧生产线的大型化、连续化和自动化特点，以及冷轧产品的规格及精度要求等，要求设备使用性能和技术状态必须始终保持在稳定的状态下，才能生产出合格的产品。传统的设备点检维护管理模式，已无法保障设备的稳定运行和关键设备的精度，特别是在机组投产初期连续出现的产品精度超差以及合格率一直偏低等问题，使企业的正常生产陷入了困境。冷轧板厂是新组建单位，新职工比较多，员工普遍缺乏设备使用以及维护保养方面的经验，对冷轧这一新的生产工艺，尚未建立起科学的设备维护管理体制，许多工作还有待完善。设备管理人员在工作中时常是顾此失彼，虽然投入了太多的精力和时间，却没有收到明显的效果。设备运行故障增多和产品质量不稳定等，现场维护和修理人员也倍感疲惫。因此，必须要寻求和探讨新的设备管理模式和方法，才能适应先进设备管理以及企业生产的需要。

二、设备标定理念的形成和实施

1. 设备标定理念的形成

为确保冷轧板厂设备能在高精度下安全、可靠运行，实现稳产高产和生产出高质量产品，满足高端用户的需要，必须提高冷轧板厂设备管理的控制手段。在2007年初，工厂组织了考察小组赴国内知名的冷轧生产线企业学习和取经。通过考察和学习认识到冷轧板厂目前实施的设备点检维护方法，已无法满足高精端产品生产的需求，必须采取新的管理模式。通过汲取宝钢等先进企业的设备管理经验，结合冷轧板生产线设备的特点，提出以推行设备标定为主线的设备管理与维护理念。经过一段时间的不断探索和实践，形成的设备标定体系已成为冷轧板厂设备管理工作的重点。

设备标定是对生产线上主要设备的关键工艺参数进行的定期严格检测、检验和校准，使设备始终保持在高精度技术状态，保证生产出高质量的产品。为能有序地搞好设备标定工作并取得好的效果，根据标定的对象不同，把其分为3个大类，即机械设备标定、电气设备标定和工艺设备标定。

机械设备标定是对机械设备的安装精度、运行精度和机械性能等进行的有计划测量，以确保设备能够始终保持其精准状态。电气设备标定是对电气设备进行的精度测量以及对元器件性能进行的检测、对比和调整等，以确保电气设备控制系统的精度。工艺设备标定是对工艺设备的关键参数等进行的校核，使工艺设备参数能始终满足高精度产品的需求，同时还要对其进行不断的优化和调整，保证生产出高质量的产品。

2. 设备标定的实施过程

2007年初，冷轧板厂组织全厂的各方面专业技术人员，根据设备对产品质量的影响程度和设备的自身特点等，对设备需要标定的内容以及方法进行了多次讨论，经过反复筛选，把各机组中主要影响产品质量的40多台重要设备的100多个关键参数，按照机械、电气和工艺等分别纳入到标定范围内，对不同的设备制定出了不同的标定内容、标定参数、标定周期和标定方法等。制定了《冷轧板厂设备标定管理办法》和《设备标定汇总表》，并纳入到工厂的设备管理工作考核范畴。

经过全体工程技术人员的共同努力和不断摸索，2007年4月冷轧板厂的设备标定实施方案已基本成熟，5月开始对全厂既定设备实施标定工作，根据制定的《设备标定汇总表》中的标定周期，厂点检站定期给各机组的机械、电气和工艺技术人员下发《设备标定卡》，由技术人员负责组织和完成设备的标定工作。不但要在标定卡上记录出应标定的各种数据，而且要与制定的参考允许值进行比较，如果在允许值之内则视为标定合格，否则属标定不合格设备。

标定工作完成后应将标定卡及时返回到点检站，由点检站技术员负责对标定情况进行汇总和填写《设备标定登记台账》，并组织相关专家进行情况分析。对标定不合格的设备和项目要及时安排检修或待停机时进行调整、修复和校核，直到标定数值达到参考允许值。

点检站负责对所有的《设备标定卡》进行存档和备案，随时跟踪和掌握各设备不同阶段的运行状况，以便更好地进行设备维护和确保设备能始终在最佳状态下运行，使产品质量得到可靠的保证。定期将设备标定及整改情况及时在工厂局域网上发布，以方便相关人员能及时了解设备的技术状况。设备标定工作流程如图1所示。

三、取得的成效

(1)对轧机测厚仪设备的标定。2007年初，由于大量产品出现了厚度超差，部分产品还出现了质量异议等问题，经过分析发现是轧机测厚仪的精度不稳定影响了对产品厚度的控制，于是组织技术人员对轧机测厚仪每月进行1次标定，及时调整各种参数，使轧机测厚仪的误差始终控制在了设计范围之内，避免了产品厚度超差情况的再次出现。

(2)对平直度测量辊设备的标定。2007年5月，工厂利用设备检修时间对轧机的平直度测量辊实施标定工作，通过标定发现平直度测量辊的板型通道时常发生损坏现象，经过分析原因是员工盲目依赖平直度测量辊来控制板型所致，于是工厂制定了相应的设备操作规范和管理措施，极大改善了板型质量，避免了可能引发的质量事故以及板型通道时常损坏的现象。

(3)对轧机上防缠导板的标定。在没对轧机上防缠导板实施标定之前，上防缠导板与轧辊之间的间隙不是过大就是过小。当间隙过大在高速轧制时会经常出现乳化液外喷现象，而间隙过小时又会发生带钢表面被划伤的情况。通过对上防缠导板与轧辊间隙实施标定后，有效防止了因上述原因引发的乳化液外喷和带钢表面被划伤现象，较好地改善了乳化液的吹扫效果，也减少了因乳化液吹扫不干净而引起钢卷表面锈蚀的质量问题。

(4)对拉矫机设备的标定。酸洗线拉矫机在投产初期，拉矫机对钢板的破鳞和板型改善效果不好，一直是制约工厂生产的难题，通过对拉矫辊进行标定，极大提高了拉矫机去除钢板表面氧化铁皮的能力，有效改善了钢板的型状，保证了拉矫机生产能力的发挥。

(5)对酸洗线焊机设备的标定。酸洗线焊机在没有进行设备标定以前经常发生故障，由于设备修理需要的时间较长，严重影响了酸洗线的生产节奏，甚至造成了全线停产。2007年5月开始对酸洗线焊机进行标定，焊机故障明显下降。于是工厂又进一步完善了焊机标定方法，调整了对机械、电器等关键部件的标定周期，将对焊机顶锻缸到缓冲器距离的校核改成对焊机顶锻的试验标定，使设备标定工作更加方便、可靠，保证了焊机设备的稳定运行。

(6)对圆盘剪设备工艺参数的标定。冷轧板厂投产初期，经常出现在酸洗圆盘剪处的带钢堆钢和边丝情况，严重影响了生产节奏，也大大缩短了剪刀的使用寿命，造成备件消耗量加大。通过对圆盘剪设备实施标定后，不但提高了圆盘剪的剪切质量，大幅度降低了维修人员处理剪刀堆钢和边丝的时间，也极大降低了备件消耗。后将这一方法应用在重分卷生产线以后，重分卷机组的生产效率也得到了大幅度提高。

济钢冷轧板厂自推行对重要机组设备实施标定工作以来，企业生产在不断增加的情况下，设备运行却日趋稳定，设备利用率大幅度提高，轧机产品成材率和合格率等都在稳步上升，产品质量异议情况明显减少，有力地保证了企业生产的正常运行。

摘要：论述实施设备参数标定方法在冷轧设备管理中的重要作用,以及设备参数标定方法的应用和取得的效果。

汽油机ECU控制参数的台架标定 第4篇

ECU参数的标定是一个繁杂的过程,所涉及的参数多达5 000个[1],即使完成基本的发动机控制,需要标定的参数也有一百多个。其中,点火提前角与空燃比是影响汽油机性能和排放的两个最重要的参数。在一定工况下,只有把点火提前角和空燃比精确地控制在某个值,才能使发动机的动力性、经济性及排放达到最优。而在每种工况下所需要的最佳点火提前角、点火线圈闭合角及空燃比受多种因素的影响,需要借助其他的辅助工具找出理论最优值,以供标定时参考。此外,由于汽油机的动力性、经济性与排放三者之间相互制约,使得发动机ECU的标定过程十分复杂。笔者将在综合考虑发动机各方面的性能的基础上,探讨发动机ECU控制参数的标定策略。

1 标定前的准备

为了对ECU进行台架标定,必须先搭建具有标定功能的试验台架,同时对所开发的ECU进行基本的标定(包括硬件标定、基本的控制参数标定等),以使其能够对发动机进行基本的控制。

1.1 标定试验台的搭建

标定的对象是MR479汽油发动机(基本参数见表1),标定系统由发动机测控系统、测功机、油耗仪、数据采集仪、汽车排气分析仪、ECU及标定软件组成试验用部分设备规格见表2,试验台结构见图1。考虑到数据管理以及标定的方便,将测控平台的数据、ECU的数据以及汽车排气分析仪的数据送到标定软件统一管理。

发动机测控系统的测功机与发动机飞轮相连,可以实时调节发动机负荷,通过对发动机冷却系统的控制,可以控制发动机温度。同时,通过发动机上安装的传感器、执行器以及与测功机、油耗仪的配合,可以获得发动机的转速、转矩、功率、油耗、机油温度、排气温度和冷却水温度等参数,通过数据采集终端,可以把这些参数实时显示在控制台显示屏,同时通过CAN通信将数据发送到ECU标定软件,便于标定人员及时了解发动机的运行状况。

ECU标定软件可以实时修改电控单元的控制参数,让发动机按不同的控制数据运行并显示标定人员关心的参数,同时存储发动机运行数据。上位机与下位机之间的信息交换采用标准的CAN通信,而汽车排气分析仪的数据则通过串口通信送到标定软件。为了实时反映发动机的一些状况,在ECU外连接了故障输出模块,实时指示发动机的爆震、失火等状况。

1.2 ECU硬件标定

在发动机台架标定前,必须先对ECU所连接的传感器、执行器进行标定,这样ECU才能正常工作。需要标定的基本硬件包括:进气温度、压力传感器,冷却水温度传感器、节气门位置传感器、爆震传感器、氧传感器、怠速控制阀、喷油器等[2]。图2、图3、图4、图5、图6、图7为所标定的部分传感器、执行器特性。

2 ECU台架标定

台架标定试验是在实验室测控台架上,利用测功机、排气分析仪、油耗仪以及各种传感器、执行器等测控设备,对发动机燃烧特性和尾气排放进行系统试验,以此获得发动机在各种运行工况下满足排放限值的最佳控制参数。目前台架标定主要包括以下项目[3]:

a.实际充气效率标定。

b.空燃比标定。

c.点火正时标定。

d.基本排放标定。

e.发动机台架试验标定后的验证。

每一大项中都有若干小项。为了减小标定的工作量,在进行标定试验前,首先参考相近机型的有关参数并对发动机进行必要的测试,设定ECU的基本数据,使发动机能够维持基本运转,然后在此基础上进行标定。

发动机的台架标定分为稳态和非稳态标定,在标定的过程中,由于ECU的某些控制参数尚未得到检验,因此应当设置紧急停机策略以及发动机保护机制,以确保实验的安全。

2.1 稳定工况标定

稳定工况是指发动机节气门开度保持不变,其转速和负荷也基本不变的运行工况[4]。本试验标定工作以发动机的排放为主,兼顾动力性和经济性。在台架标定过程中根据发动机转速和负荷的不同,将λ的取值范围设定在0.95~1.02之间。

发动机的电控系统根据各传感器的测量信号随时对喷油脉宽和点火提前角进行修正,例如,当发动机温度偏离设定的基准条件或发动机的工况变动时,都要进行修正。为了排除这些修正因素的干扰,在进行基本标定时必须控制试验条件:

a.发动机应充分暖机,使冷却水温、油温都保持在设定的基准条件下。一般地,水温应大于55℃,油温控制在90℃左右。

b.对每一试验工况点,应在发动机转速充分稳定后再进行数据测量,同时,应尽可能地将发动机的工况点稳定在所选定的节点上[5]。

2.1.1 基本参数的初始化

稳态工况基本参数的初始化首先要选择工况点。工况节点的选择需要考虑两个因素:发动机各控制量的变化趋势和使用频度,在变化趋势大的区域节点应密一些,而使用频度高的工况节点可选密一些。

2.1.2 基本参数的标定

基本参数标定时,在参数每一个工况节点上,分别改变喷油量、点火提前角等主控制量,每种参量变化6~8次,系统标定软件将记录所关心的控制量、性能、排放数据、环境状态数据,以便进一步分析处理。

对于本系统,采用了速度密度法计算喷油量,因此充气效率、点火提前角与喷油脉宽MAP图是最基本的参数,见图8,图9。

完成了基本三维图的试验,就可得到各节点上对应功率最佳、经济最佳、排放最佳的不同控制参数,为整个标定工作定下了参考基准。

2.1.3 稳态工况修正

由于发动机运行的动态性,为了保持发动机运行的稳定,在稳定工况下也需要对控制参数进行修正,稳态修正曲线一般包括:水温修正、气温修正、蓄电池电压修正等。标定时使发动机工作在稳定工况,对上述项目进行单一因素的控制变化时,调整记录发动机的最佳控制参数,数据处理后就可获得其修正曲线。

2.2 非稳定工况标定

非稳定工况包括发动机的起动过程、加速过程、减速过程和动态负荷等。本试验采用简单的控制方式,只对稳态工况的喷油量和点火角参数作进一步的附加修正。比如对于节气门控制,增加节气门的变化率修正曲线,以满足加减速和动态负荷的需求。要获得非稳定工况良好的标定参数,需要过渡过程试验台架。由于人为控制的工况总是与实际的工况有较大的差距,台架的试验主要是找出控制规律和提供重要的参考数据,非稳态工况标定参数的最后确定必须经过整车试验的验证。

2.2.1 怠速标定

在怠速工况,电控系统一般采用转速闭环控制方法,通过对怠速进气量的控制来控制怠速转速;用对点火角的修正来控制怠速的稳定运转;用对喷油量和进气量的修正来控制怠速工况的抗干扰性;用最佳水温特性和基本喷油量、点火角来控制排放。

为了控制怠速转速,需要对闭环PID控制的参数进行整定。在整定时,先把积分微分部分调为零或者设一个很小的值,适当改变目标转速,观察比例控制的响应特性,一般以转速响应较快、震荡2次即可基本稳定到某一转速为宜。此时转速与目标转速存在静差,需要在加入积分控制后再调试。如果比例参数过小,则速度响应较慢并且静差较大,当转速变化较大时即使加入微分控制静差仍然偏大。如果比例参数过大,则因响应过快而导致转速在两个值之间频繁震荡。比例参数调好后,依次加入积分、微分作用再调试。该过程需要反复试验。调试的结果见图10,时间约为1 min。图中的转速突变处为目标转速的调整,共调整了11次目标转速。由图可见,转速已能稳定控制。

对于本汽油机,在速度较低时,通过怠速控制阀来控制转速,而转速高于一定值(经过试验,对于本发动机该值为1 300 r/min)时,则交由节气门来控制。此时由于控制对象的改变,所用到的PID参数也不相同,因此需要对节气门控制的PID参数进行标定。经过试验表明,对节气门的控制利用位置式自适应PID控制更加有效。怠速控制阀、节气门PID参数都标好后,应当注意处理好转速在1 300 r/min上下的过渡,避免因为PID参数的过渡而导致发动机运行的大幅度波动。

在发动机怠速运行时,修改点火提前角会影响到燃烧做功,进而影响转速的稳定性,此时可结合冷却水温度来考虑排放指标,寻找一个最优值。

2.2.2 起动标定

起动工况分为起动和暖机两个过程。前者指从起动电机啮合到发动机不依赖起动电机而能自行运转的过程;后者指从发动机起动后到能独立可靠地带负荷运转的过程。试验表明,通过起动电机的带动,发动机转速一般能达到400 r/min左右,此后则需要依靠发动机的做功自行运转。起动过程喷油量的控制比较复杂,包括了起动油泵、开始预喷等过程。预喷量的多少根据发动机水温确定。起动期间点火提前角主要考虑冷却水温和转速的影响,一般来说水温越高点火提前角越小,转速越高点火提前角越大。

为了获取发动机的起动特性,本试验通过对起动时转速的变化来研究。为此,对ECU做了特别的设置,将起动时的转速及时地发送到标定软件记录下来,再与起动时的进气压力、进气温度、发动机温度、喷油量、点火提前角、点火脉宽、蓄电池电压等参数进行对比分析,找出起动加浓的修正曲线。

对于非起动标定,发动机起动之后,如果温度还较低,不适合做进一步的试验。为了保护发动机,可在控制策略中添加发动机温度-速度控制策略,待发动机温度达到一定值后再允许进入调试模式。

2.2.3 加速减速标定

加速工况采用加速加浓修正,本试验利用节气门位置传感器的信号进行加浓,通过对节气门位置传感器的变化率来判断发动机是否处于加速工况。当发动机处于加速工况时,利用冷却水温度与节气门变化率修正曲线来修正。当发动机节气门变化率表明发动机处于急加速工况时,为了提高发动机的加速响应性,在同步喷射基础上添加异步喷射,增量的大小只与节气门开度变化量有关。

减速过程的处理一般分为减速减稀、减速断油和减速断油后再喷射3个过程[6]。同样利用节气门位置信号来判断。当转速大于断油的转速限值,气温大于限值,负荷小于断油负荷时执行断油,以降低减速时的燃油消耗和排放。当转速小于再喷射转速,或者处于非怠速工况而负荷大于断油负荷和再喷射的滞后量之和时执行再喷射,以此改善驾驶性。为了防止发动机减速时出现冲击,再喷射时点火提前角应该从怠速点火提前角推迟一个量,然后逐步增加。

2.3 标定参数的台架综合调试与验证

经过以上工作后,ECU已经获得了标定好的控制参数,此时可整理一下数据,将其统一下载到ECU中,使发动机在ECU的控制下运行,并改变发动机的状态观察其各项指标,检验各步标定工作是否达到了预期的目的,如果不能达到要求,则需对其中相关的参数重新标定,直到指标满意为止。值得注意的是,对于不成熟的ECU,可能不是控制参数的问题,而是ECU中的控制策略不完善或没能很好地与发动机相匹配,这就要修改ECU的设计了。关于ECU的V开发模式,这里不涉及。

3 结论

发动机ECUD的标定过程需要进行大量的试验,耗费大量的人力、物力,同时它也是一项技术性很强的工作。经过标定后的发动机可获得较好的动力性、经济性及排放性能。

通过对MR479汽油机的标定,实现了利用自主开发的ECU稳定控制发动机,达到了台架试验的基本目标。由于发动机运行的动态性,各控制参数的相互影响以及部分参数的矛盾性,对ECU控制参数的标定有时需要折衷考虑,标定工作对于ECU的台架标定具有一定的参考价值。

摘要：利用课题组开发的ECU及配套的标定软件,在汽油发动机台架上进行控制参数的标定试验,介绍了汽油机ECU台架标定的一般过程及标定的相关策略,对过渡工况的控制与标定策略进行了探讨,重点介绍了怠速的参数标定。通过试验实现了发动机在台架上的稳定运转。

关键词：汽油机,ECU,标定,控制策略

参考文献

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参数标定方法 第5篇

标定是测距系统中必不可少的手段, 相机的标定过程会直接影响立体视觉系统测量的准确性, 人们对相机标定的精度和方便性也在不断提高。相机标定方法可分为自标定方法、传统标定方法和基于主动视觉的标定方法3种不同类型。传统标定方法的典型代表有双平面法、直接线性变换法 (DL T) 、Weng迭代法、Tsai两步法等, 其中Tsai两步法精度比较高、实施操作简单, 是目前比较常用的标定方法[1]。

本文针对导轨CCD测距系统的结构特点和测距原理, 为了提高测距的准确性, 对导轨CCD测距系统的主要参数标定进行了研究。

1 基于坐标转换标定CCD相机主要参数的原理

1.1 测距系统中的坐标系转换关系

导轨CCD测距系统结构如图1所示。相机在一条直线导轨上可以自由滑动, 相机位于左侧和右侧时CCD中心距离为B, 并且左右光轴平行, 其光学成像模型如图2所示。目标点P在相机导轨上的左、右不同位置分别成像, 在左CCD上的投影为xl, 在右CCD上投影为xr。相机在不同位置时焦距为f不变, 根据三角形相似原理, 我们可以推算出P点到相机的距离L=Bf/x, 其中, x= (xl-xr) 为P点在左右光路中成像点的位置差。

CCD测距系统中的内部参数标定是通过测距系统中坐标系转换来求取的, 如图3所示。

(1) 世界坐标系 (owxwywzw) :在世界环境中选择一个原点及其基准坐标系来描述相机和物体的位置关系。

(2) 摄像机坐标系 (ocxcyczc) :原点在摄像机光心, zc轴为相机光轴, 与相机焦平面垂直, xc轴、yc轴与焦平面坐标系的xu轴和yu轴分别平行且方向一致。

(3) 焦平面坐标系 (ouxuyu) :物体在相机焦平面上成像, 该坐标系的单位是实际物理长度, 原点为相机光轴与焦平面的交点, xu轴、yu轴与图像坐标系的u轴和v轴分别平行且方向一致。

(4) 图像坐标系 (ofuv) :面阵CCD的传感器阵列在焦平面上, 将物理图像转换为像素图像, 图像坐标系的单位是像素, 最左上端是 (0, 0) , 以图像的横向为u轴, 纵向为v轴。

设世界坐标系中某个物体点的坐标为 (xw, yw, zw) , 该物体点在摄像机坐标系中的坐标为 (xc, yc, zc) , 则有:

设物体点在焦平面成像的坐标为 (xu, yu) , 其在摄像机坐标系与焦平面坐标系的转换关系为:

由于摄像机镜头有畸变, 实际物体点在焦平面的成像坐标为 (xd, yd) , 其数学模型可用下式描述[2]:

其中:k1, k2为径向畸变系数;p1, p2为切向畸变系数;

设物体点在图像坐标系上的像素坐标为 (u, v) , 其焦平面坐标系与图像坐标系的转换关系为:

其中:Nx, Ny分别为焦平面上横向、纵向单位长度的像素数; (uo, vo) 是图像坐标系上的主点, 为焦平面坐标系的原点对应在图像坐标系上的像素坐标, 理想情况下在图像的中心 (焦平面坐标系的原点在CCD的中心, 图形坐标系的原点在图像的最左上端) 。

1.2 图像坐标系中的主点 (uo, vo) 的标定原理

在实际情况下, 由于摄相机镜头透镜的加工误差以及CCD接口错误和其他因素, 造成相机输出图像的主点与理想的图像中心可以有几十像素的差异。设O (uo, vo) 是焦平面坐标系的原点对应在图像坐标系中的像素坐标。如图4所示, 标定板上选择点特征点p (xc, yc, zc) , 其投影在成像平面上的图像坐标是 (u1, v1) 。然后我们平行于光轴, 靠近相机和远离相机移动标定板ΔZ的距离, 并分别获得投影在成像平面上的图像坐标为 (u2, v2) 和 (u3, v3) [3], 根据径向平行约束关系可以推算出图像坐标系的主点坐标:

1.3 面阵CCD纵横比SX的标定原理

面阵CCD可以直接获取二维图像信息, 测量图像直观。在面阵CCD相机的成像情况下, 焦平面坐标系上yu方向上的采样间隔由CCD传感元件的行间距所控制, 沿xu方向的采样间隔由定时和抽样误差影响, 这种成像原理将导致实际图像纵横比SX的不确定性[4]。

相机在摄像机坐标系xc和yc方向上的焦距相同, 垂直拍摄一个圆, 然后计算垂直与水平方向的圆直径之比, 得到的比值就是纵横比SX。

1.4 基于Tsai两步法对f和k1的标定

在Tsai两步法中, 只考虑摄像机镜头有径向畸变k1, 其他畸变系数的初始值 (初始值应尽量接近于其预期值) 分别为:k2=0, p1=0, p2=0。这时焦平面数学式 (3) 简化为:

这样, 由式 (6) 有xu/yu=xd/yd, 又由式 (2) 得xc/yc=xu/yu, 所以有xd/yd=xc/yc, 结合式 (1) 可得:

由式 (7) 经一系列运算, 可求得R, tx和ty。

由式 (1) 、式 (2) 和式 (6) 经一系列运算求解可得到f, tz, k1[5]。

1.5 通过坐标系转换标定相机左、右位相对位置

导轨CCD测距系统测距时, 导轨结构的尺寸精度和动态精度会影响相机左、右位置的平行度, 使被测点在CCD左、右位置成像时的位置差产生误差, 直接影响距离测量的精度, 所以在测距之前必须对相机位于导轨上左、右位置的相对位置关系进行标定, 即求解相机在左、右位置时的基线长度和偏移角度。

考虑在空间中的点p, 可以从世界坐标系变换到左相机和右相机, 世界坐标xw和两个相机坐标xl, xr有如下关系:xl=Rlxw+Tl;xr=Rrxw+Tr。则:xr=RrR-1lxl+ (Tr-RrR-1lTl) 。

很明显, 左、右两个位置的几何关系可以用R位, T位表示为:

通过平移向量T位我们可以解出两个CCD平面的相对位置基线长度B为:

相机两种位置光轴的螺距角α、偏转角β、扭转角γ为:

2 导轨CCD测距系统标定的实施

2.1 构建导轨CCD测距标定实验平台

实验采用分辨率为4 288像素×2 848像素, CCD尺寸为23.6mm×15.8mm的数码单反相机, 工作输出8bit RGB图像。导轨CCD测距标定实验平台使用 (18mm~105mm) f/3.5G~5.6G变焦镜头, 由两条直线精密导轨平行架设在两端底座上, 滑块为一块矩形底板, 可固定相机在导轨上平行滑动。

将一把钢尺和白纸设计成27mm×50mm的长条黑白方格作为标定板。白纸和钢尺交界线的端点作为特征点, 在MATLAB上提取图像特征点坐标, 编写M程序处理实验数据。

2.2 导轨CCD测距实验中主要参数的标定

对主点坐标标定时应保证相机光轴方向和标定板移动方向平行, 可参照地面的平行线来调整相机光轴和标定板的移动方向, 精细操作读取标定板上特征点p及前后移动ΔZ的距离的图像坐标 (u1, v1) 、 (u2, v2) 、 (u3, v3) , 代入公式 (5) 求取主点坐标;对CCD纵横比标定选取一个圆作为目标, 利用参照线来保证相机光轴垂直于目标圆的面, 精细操作读取垂直与水平方向的圆直径的像素长, 求垂直与水平方向的圆直径比即为纵横比SX。

在标定板上选取如图5所示编号的5个特征点, 令其世界坐标依次为: (10, 27, 0) ; (60, 27, 0) ; (160, 27, 0) ; (210, 0, 0) ; (110, 0, 0) 。

将导轨面设置在水平位置且有一定的高度以方便实际操作, 对导轨底座进行划线记录位置以验证导轨的水平位置和方向是否在操作中移动。如果有移动, 拍摄的图片无效, 重新精细操作, 直到成功得到左右位3组图像输出。

将实验拍摄图像导入MATLAB进行图像预处理, 并锐化图像, 选取特征点位置时采用局部放大逐点选取, 把像素误差控制在最低, 运行算法程序, 得到的参数标定结果如表1所示。

2.3 标定后测距实验

测距选择目标为楼顶护栏转角处, 使用GPS测得相机坐标和被测点坐标计算得到目标距离为314.34m (精确到5m) 。

将利用导轨CCD测距得到的3组图像导入MATLAB中进行图像预处理, 锐化图像, 选取特征点位置并采用局部放大逐点选取, 将像素误差控制在最低, 分别求取3组图片在左右相机位置的像素差。

利用测距公式计算的距离为303.86 m, 与GPS测得的参考数值误差很大。对导轨CCD测距系统进行标定实验, 把标定后的焦距、畸变系数、精确基线长度、两摄像机像面相对位置参数和两主光轴夹角再代入测距公式中, 重新对目标点测距, 标定后测距公式计算的距离为312.19m, 与参考距离数值的误差减小到了1%以内。

3 结论

本文对常规的双目视觉测距系统进行改进, 设计了导轨CCD测距系统, 推论了测距系统中4种坐标系统的转换关系, 并且研究了导轨CCD测距系统的焦平面原点、面阵CCD纵横比、相机焦距、镜头畸变系数和测距位置关系的标定方法。经过导轨CCD测距系统标定实验结果表明, 该方法对导轨CCD测距系统有效性高, 实用性强。

参考文献

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参数标定方法 第6篇

采用Stewart平台结构的并联平台具有刚度大,负荷自重比高,载荷分布均匀,运动平稳的特点,在高精度、大载荷且对工作空间要求相对较小的场合得到了很广泛的应用[1]。

几何精度是并联平台的重要性能指标,也是未能得到妥善解决的难题[2]。并联平台的几何参数误差主要是由于平台的制造和安装过程中,实际几何参数与理论值之间的不一致造成的。几何参数误差使得根据理论之建立起来的并联平台运动学模型不准确,进而造成平台运动精度和定位误差,影响并联平台的精度。受到并联平台自身结构特性和测量设备等条件的约束,直接对并联平台的几何参数进行测量的难度比较大[3]。通过标定并联平台的几何参数,能获得更接近实际值的并联平台的几何尺寸数值。

并联平台的标定一般有自标定法和外部标定法[4]。自标定法的核心思想是利用安装在主动或从动铰链上的内部传感器检测系统内部运动变量,并据此构造相应的标定模型。外部标定法是通过一定的外部测量设备获取并联平台的位姿信息,从而来标定并联平台的几何参数。文献[5]介绍了一种通过在末端执行器安装特殊的方位限制来标定并联机床的方法。为了克服获得完整六自由度姿态信息的困难,文献[6]通过测量部分姿态信息来解决标定问题。文献[7]提出了一种通过激光跟踪仪对并联机构进行运动学标定的方法。文献[8]采用了一种低成本的机器视觉的运动学标定方法。以上方法通常需要能够测量动平台姿态信息的特殊测量设备,对标定的测量设备要求较高,并且解算过程比较复杂。

本文针对并联平台结构几何尺寸测量困难的问题,在并联平台运动学模型基础上提出了一种利用普通传感器并且能够满足要求的外部标定方法,实现六自由度并联平台的几何参数标定。

1 并联六自由度平台及运动学分析

1.1 并联六自由度平台模型

本文的研究对象为6-SPS型六自由度的并联平台,采用Stewart平台结构,主要包括上下平台,六根滚珠丝杆副电动推杆以及分别用来连接上下平台和电动推杆的万向节,如图1所示。下平台固定在基础上,借助六只杆件的伸缩运动,完成上平台在空间六个自由度的运动,从而可以实现各种空间运动姿态。

图1中,六自由度的并联平台上下平台为相似的规则的几何图形。3组上平台万向节中心均匀分布在φ270mm圆周上,两两之间所夹圆心角为120°;3组下平台万向节中心均匀分布在φ445mm圆周上,两两之间所夹圆心角为120°。电动推杆由步进电机与滚珠丝杠组成,其中滚珠丝杠螺旋副为单头螺旋,螺距为4mm,步进电机的步距角为1.8°。

1.2 并联平台的运动学逆解

已知并联平台的位置和姿态,求解六个驱动杆件长度的,即为并联平台的运动学逆解。建立如图2所示的并联平台坐标系,并设上平台的任意一组两边长分别为e1、e2,下平台的任意一组两边长分别为a1、a2,其中A、B、C、D、E、F为上平台万向节的中心,A1、B1、C1、D1、E1、F1为下平台万向节的中心。

为不失一般性,建立静坐标系O-XYZ,建立动坐标系O1-X1Y1Z1。其中,静坐标系原点O为下平台的中心,OX轴与OY轴均位于下平台内,并且OX轴平行于BC边,OY轴垂直于BC边,Z轴由右手螺旋法则确定。动坐标系原点O1为上平台的中心,O1X1轴平行于B1C1边,O1Y1轴垂直于B1C1边,Z1轴由右手螺旋法则确定。则静坐标系中角点A的坐标为,在动坐标系中角点A1的坐标为

。

从动坐标系O1-X1Y1Z1到静坐标系O-XYZ的旋转矩阵R为:

式(1)中,c=cos,s=sin;α,β,γ为旋转欧拉角[9],坐标轴旋转顺序为Z-Y-X。取上平台上任意一点为A1,则A1点的坐标在动、静坐标之间的坐标变换[10]可表达为:

式(2)中为M在静坐标系中的坐标;为A1在动坐标系中的坐标;为动坐标系O1-X1Y1Z1的中心点O1在静坐标系O-XYZ中的坐标。

点A1在动坐标系中坐标A1’已知,式(2)中O1的坐标和旋转矩阵R未知,若测得O1在静坐标系O-XYZ中的坐标和旋转欧拉角,则上平台的A1点在静坐标系中的坐标可由式(2)求得。驱动杆l1的长度:

同理可得驱动杆的长度l2,l3,l4,l5,l6。

2 并联平台的几何参数标定

2.1 标定理论及方法

针对难以直接测量平台任意点的坐标值的问题,本文提出了一种通过测量动坐标系相对于静坐标系的旋转角度标定并联平台几何参数的方法。本方法不需要复杂测量装置,只需配置测量旋转欧拉角的普通传感器。采集多组欧拉角数据,通过两次坐标变换,根据并联平台运动学逆解算法即式(1)~式(3)建立多元方程组,求解所需未知并联平台上下平台的几何参数,即e1、e2、a1、a2的值。

2.2 并联平台几何参数标定实验设计

2.2.1 标定实验的控制系统

并联实验控制系统采用基于PC机+运动控制卡的控制模式,图3为控制系统的框图。硬件包括工业PC、运动控制卡、AC/DC开关电源、步进电机驱动器、位姿传感器、步进电机、控制卡接口板等。鉴于并联实验平台具有6组步进电机,且需要对电机角位移、角速度、角加速度进行控制的工作特性,本文运动控制卡选用DMC2610六轴运动控制卡。

2.2.2 标定实验的传感器

标定实验需要测量并联平台动坐标系相对静坐标系的旋转欧拉角,要保证一定的精度,且旋转矩阵的欧拉角坐标轴旋转顺序为Z-Y-X,故本文选用解算欧拉角时坐标轴旋转顺序与旋转矩阵中坐标轴旋转顺序一致的传感器。传感器采用高精度的陀螺加速度计MPU6050,通过处理器读取MPU6050的测量数据然后通过串口输出。

传感器内部集成了欧拉角解算器,进行欧拉角解算时所使用的参考静坐标系为东北天坐标系。东北天坐标系也称作站心直角坐标系,用于了解以观察者为中心的其他物体运动规律,定义为以站心(本文中为传感器中心)为坐标系原点O,Z轴向上为正(天向),y轴向北为正(北向),x轴向东为正(东向)。

传感器位置随着平台运动而变化,其动坐标系如图4所示。配合动态卡尔曼滤波算法,能够在动态环境下准确输出传感器的当前姿态,姿态测量精度0.01度,可以满足标定实验要求。

2.2.3 辅助坐标系

由于式(2)、式(3)中动坐标系O1-X1Y1Z1的中心点O1在静坐标系O-XYZ中的坐标和旋转矩阵R均为未知,为了求得二者建立了如图5所示的辅助坐标系O2-X2Y2Z2。

图5中,O2为传感器位置,并且O2X2轴平行于O1X1轴,O2Y2轴平行于O1Y1轴,O2Z2轴平行于O1Z1轴,并设O2与并联上平台中心O1点空间水平距离值为m,O2到并联上平台的垂直距离即为d。

传感器所测的角度为传感器坐标系相对于东北天坐标系的旋转角,而式(1)旋转矩阵中旋转角度要求为动坐标系相对于静坐系的旋转角,故需加以转换,如:

式(4)~式(6)中α,β,γ为动坐标系相对于静坐系的旋转欧拉角,α0,β0,γ0为进行角度转换引入的参数,α1,β1,γ1为实验所测的传感器坐标系相对于东北天坐标系的旋转欧拉角。则标定实验依据的旋转矩阵为:

由几何位置关系可得在坐标系O2-X2Y2Z2中O1的坐标,设O2点在静坐标系O-XYZ中的坐标值为(X,Y,Z),O1在静坐标系中的坐标为:

旋转矩阵和上平台中心O1在静坐标系O-XYZ中的坐标均已得知,联立并联平台运动学逆解式(1)~式(3),把式(7)、式(8)代入逆解公式,即可求出上平台各点在静坐标系中的坐标,根据杆长公式可以建立多元方程组。

2.2.4 标定实验步骤

步骤1:实验系统初始化,并将传感器布置于并联实验平台上平台任意一边,如图6所示。

步骤2:利用运动控制软件控制滚珠丝杠副依次伸长一定的长度,并记录每次伸长前后上位机显示的XYZ轴旋转的欧拉角度值。

步骤3:按步骤2,测试上平台处于不同初始姿态下的参数。

3 标定实验的结果处理

设六根杆件初始长度为l1,l2,l3,l4,l5,l6,实验过程用方程的形式表示如下:

根据并联平台逆解算法式(2)、式(3)和式(7)~式(13)可建立多元方程组。滚珠丝杠副依次伸长10mm,将传感器获得的实验数据代入多元方程组,求解多元方程,获得并联实验平台几何结构参数,实验数据如表1所示。

表1中,理论值为并联平台设计时的理论值,标定值为算法求解值。首先依照并联平台设计理论值控制并联平台上平台任意一点运行到10个预设的点位,并记录这些点位的理论值和测量值,计算其误差。然后将标定值替换原来的理论值,运行到相同点位,计算点位理论值与测量值的误差。标定前后各个方向轴上的直线移动和转动误差对比如图7所示。

图7中,经过标定,并联平台各个方向轴上的6个分量误差均有所下降。沿x轴方向的最大位移误差由3.5mm下降为1.0mm,绕x轴方向最大转角误差由0.44°下降为0.09°;沿y轴方向的最大位移误差由3.4mm下降为0.9mm,绕y轴方向的最大转角误差由0.72°下降为0.1°;沿z轴方向的最大位移误差由5.5mm下降为1.0mm,绕z轴方向的最大转角误差0.64°由下降为0.08°,对其他组实验数据处理结果与此类似。

4 结束语

本文对六自由度并联平台进行了数学建模分析,进行了运动学分析和逆解求解,并设计了该平台的运动控制系统。在此基础上,提出了一种通过测量动坐标系相对于静坐标系的旋转角度来标定六自由度并联平台几何参数的方法,为并联平台标定工作提供了一种新的方法与技术,解决了平台结构尺寸测量困难的问题,提高了并联平台的几何精度。

参考文献

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[9]槐创锋,方跃法,韩书葵.应用欧拉角表达步行机器人系统的机械模型[J].机械工程学报,2006,42:48-53.

参数标定方法 第7篇

皮革感官参数特性测试仪器[1]是一种新型皮革感官特性参数综合测试仪器,能够测试皮革的三个感官特性参数:柔软度、丰满度、弹性度。现有的理论表明,皮革感官特性参数和力学性能有着密切的关系。皮革感官特性参数有主要影响的材料力学性能有以下四个[2]:拉伸性能、压缩性能、顶伸性能、弯曲性能。其关键在于测量皮革的载荷—位移—时间关系,而测试的载荷都很小,要求载荷测试精确到0.01 kg,测试的精度达到0.1%。所以一方面要求选用高精度的载荷传感器,另一方面,要精确的标定载荷传感器。

载荷传感器是一种测试载荷的仪器,在使用之前需要进行标定,以得到传感器的输入—输出关系,以此作为使用过程中的计量依据。在一般使用中,采用两端线性标定法或者平均值法来标定传感器的灵敏度,这两种标定方法得到的精度有限,有时不能够满足精密测量的要求,若要用于精密测量,需寻求其它方法。

1 新型皮革感官特性参数测试仪器原理

新型皮革感官特性参数测试仪器[3]的结构如图1所示。本仪器能较为全面地体现皮革特性感官参数测试仪器的设计,实现皮革特性感官参数从传统经验检验到现代科学检验的转变。

1.皮革试样,2.载荷传感器,3.滚珠丝杠导轨,4.横梁,5.光栅尺,6.导套

该仪器能够实现皮革感官参数性能的综合检测,主要有如下四种检测功能:

1)拉伸性能测定:皮革试样由上下两夹头夹持,测定皮革样品从开始至结束的伸长长度,记录拉伸时的载荷—位移—时间实时数据。

2)压缩性能测定:皮革样品放置在压缩平台上,测定皮革样品从开始至结束的压缩深度,记录压缩时的载荷—位移—时间实时数据。

3)顶伸性能测定:皮革样品用圆环固定在留有圆孔的夹具上,顶杆逐步施加顶伸力,测定皮革样品从开始至结束的顶伸深度,记录顶伸时的载荷—位移—时间实时数据。

4)弯曲性能测定:皮革样品卷成圆筒夹持在工作平台上,上压板逐渐施加压力,测定皮革样品从开始至结束的压深长度,记录压缩时的载荷—位移—时间实时数据。

2 传感器原理

当今应用最广的是电阻应变式载荷传感器[4],它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。图2电阻应变式载荷传感器的原理图,它是由一个或多个能在受力后产生形变的应变梁,和能感应这个形变量的电阻应变片组成的电桥电路,以及能把电阻应变片固定粘贴在应变梁上并能传导应变量的粘合剂和保护电子电路的密封胶等三大部分组成载荷传感器。当在应变梁上挂上砝码时,应变梁发生形变,电阻应变片也一起产生形变,使应变片的阻值发生改变,从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小,一般这种应变片都组成应变电桥,并通过毫伏变送器变换成0-10V的电压信号在数字电压表上显示,经过信号采集系统在计算机中显示实时载荷。

1.数字电压表,2.毫伏变送器,3.应变梁,4.应变片,5.砝码

3 标定方法

标定系统由0～3 kg、间隔为0.5 kg的砝码施加载荷,用数字电压表分别记录各载荷下毫伏变送器的输出电压,如表1所示。

3.1 最小二乘法拟合

最小二乘法是一种数学优化技术[5],它通过最小化误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配。最小二乘的思想就是要使得观测点和估计点的距离的平方和达到最小。“二乘”指的是用平方来度量观测点与估计点的远近,“最小”指的是参数的估计值要保证各个观测点与估计点的距离的平方和达到最小。由于最小二乘法计算比较复杂,所以,本文采用最小二乘法线性拟合软件[6]来拟合方程。在得到电压和载荷的关系后,用u表示电压,m表示载荷,应用“最小二乘法数据处理软件”,输入数组,得到拟合结果,如图3所示。

得到拟合方程:

m*=0.37440u-0.74780 (1)

3.2 两端线性拟合

在工程实践中,一般传感器的精度都比较好,有时没有软件计算最小二乘法,因而两端线性拟合法也得到了大量的应用。

选取载荷为0(载荷最小)时输出电压2.001 V,再选取载荷为3 kgf(载荷最大)时输出电压10.012V,得拟合方程斜率:

undefined

拟合方程为:

m**=0.37448u-p** (3)

当载荷为0时,输出电压为2.001V,代入式(3)可得:

p**=0.74794

得拟合方程为:

m**=0.37448u-0.7494 (4)

3.3 平均值法拟合

平均值法是在两端线性拟合法的基础上产生的拟合方法,得到的拟合精度理论上讲要高于两端线性拟合法。平均值法原理:首先根据载荷为零时,输出的电压可以得到零点偏移,再根据后面的每个测点计算出各测点和载荷为零的点形成的直线斜率,k1***,k2***…k6***,取各斜率的平均值undefined。

undefined

计算如表2所示:

拟合方程为:

m***=0.37495-p*** (6)

当载荷为0时,输出电压为2.001 V,代入式(6)可得: p***=0.75027

得到拟合方程为:

m***=0.37495u-0.75027 (7)

4 分析比较

分别用三个拟合方程来表示m,比较它和对应实际载荷的相对误差,并求其误差平均值,计算如表3所示:

undefined分别表示用最小二乘法、两端线性拟合法、平均值法得到拟合公式在测量实际载荷时的平均相对误差,可见最小二乘法得到的精度最高,为其它两种拟合公式的3～4倍。

4 测试

在得到载荷传感器的载荷-电压拟合方程后,将传感器的灵敏度和零点偏移输入测试程序,以皮革压缩性能测试为例,得到皮革的压缩载荷-时间曲线如图4所示。

具体的过程如下:

将皮革样品放置在压缩平台上,横梁从位置零点以1 mm/min的速度向下运动进行压缩,皮革受到压缩后载荷传感器测得的压缩载荷增大,当载荷达到8.0 kg时,停止压缩,进行时长为60 s的保压,横梁保持静止,但是皮革发生蠕变,载荷传感器测得的载荷缓慢减少,保压结束后,横梁以1 mm/min的速度上升,载荷传感器测定皮革的回弹载荷,当上升到一定距离时,载荷减小到0,横梁继续上升回到位置零点。通过大量不同等级皮革的载荷曲线绘制,对比其感官参数特性和机测力学性能曲线的关系,通过研究两者的关系,希望找到它们之间联系的桥梁,实现皮革感官参数特性的机器评定。

5 结论

新型皮革感官特性参数测试仪器对测试载荷的精度要求很高,载荷的设计精度为0.1%。经过比较可得,使用最小二乘法拟合得到的电压—载荷关系能够满足设计要求。使用两端线性拟合和平均值法拟合得到的电压—载荷关系不能够满足设计需要,而且两者精度相差不大,平均值法得到的精度稍稍高出两端线性拟合法得到的精度,说明平均值法不能够有效的提高系统精度。横向对比发现,最小二乘法的得到的精度是后两者的3～4倍,能够大幅度的提高系统的精度,因此,在系统要求精度高的情况下,可以使用最小二乘法来提高系统精度。同时,针对最小二乘法拟合计算比较复杂的缺点,优先选用“最小二乘法数据处理软件”,能够有效的解决繁琐的计算问题。在标定了载荷传感器后,仪器精度达到了设计要求。同样,该方法也适合于其他的载荷传感器的高精度标定。

参考文献

[1]董继先,张三,钱德明,等.新型皮革感官特性参数测试仪器的研究[J].中国皮革,2008,(11):43-45.

[2]董继先,张三,张晓镭,等.皮革感官特性参数的力学表征方法[J].皮革科学与工程,2008,(12):42-44.

[3]董继先,张三,钱德明,等.皮革感官特性参数自动测试仪器[P].实用新型专利,2009,6,专利号:200820030291.

[4]刘迎春,叶湘滨.传感器原理设计与应用[M].长沙:国防科技大学出版社,2002.

[5]蔺小林,蒋耀林.现代数值分析[M].北京:国防工业出版社,2004,9.