一种水下精密移动平台及其装调方法与流程

1.本发明涉及水下计量技术领域，具体涉及一种水下精密移动平台及其装调方法。


背景技术：

2.水下双目测量系统是一种在水中采用双目视觉测量技术对被测物进行测量的设备。但是，目前对于水下双目测量系统的校准缺乏有效手段。
3.在水下双目立体视觉系统中，通过求取两摄像机反投光线交汇点的方法，可以定位得到空间三维点坐标。水下环境与理想模型不同，水下成像光路模型如图1所示，一般性模型中两摄像机光轴自由放置，不再限制其垂直于折射平面，反投光线需要经过空气、玻璃、水三种介质，并在介质交界面处共发生两次折射。以左摄像机为例，对p点的反投光路进行分析，o
cl
为左摄像机光心，p
il
为物点p的像点，p
ul
、p
dl
分别为光线与玻璃防水罩上、下表面的交点，θ
al
、θ
gl
、θ
wl
分别为光线的入射角、一次折射角、二次折射角，d
l
为左摄像机光心到防水罩外表面距离，h为防水罩的厚度。
4.在对水下双目立体视觉系统进行校准过程中，光线将发生两次折射，光传输模型与空气中完全不同，会造成图像位置偏移、图像畸变，而且偏离光轴位置不同，距离相机镜头远近不同，引起的像点畸变、偏移也不相同，但会符合光线传输的基本规律，需要通过系统研究单相机、双相机水下变折射率环境中的光线折射规律，建立水下非线性成像模型。并依据此模型，针对水下成像过程光线的折射问题，归纳为镜头的畸变，在相机内参数模型中引入高阶畸变参数对折射进行补偿，以修正折射对成像的影响。因此，水下双目立体视觉系统相对于常规双目立体视觉系统测量模型更为复杂，在水下环境对其进行校准更为困难。
5.虽然目前已有一些精密移动平台，但现有精密移动平台无法满足水下双目立体视觉系统在水下环境中校准的要求，不适用于水下双目立体视觉系统在水下环境中校准。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提出了一种水下精密移动平台及其装调方法，能够实现对水下双目立体视觉系统校准。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
8.本发明的一种水下精密移动平台，包括水下传动机构、水下读数头与直线光栅尺以及水下电机，其中水下传动机构采用精密陶瓷导轨与陶瓷丝杠，水下水下读数头与直线光栅尺均进行防水设计，水下电机也进行防水和密封设计；在水下精密移动平台上安装有一个标准球，移动平台通过水下电机和水下传动机构带动标准球移动；水下视觉测量系统通过水下读数头与直线光栅尺测量得到的标准球移动距离为dc，水下精密移动平台移动标准距离为d，通过比对二者，实现对水下双目测量系统的校准。
9.其中，所述防水读数头通过防水外壳、o型密封圈、防水接头与线缆的设计，保证读数头的防水性能。
10.其中，所述水下光栅尺在金属钢带式光栅尺的基础上，表面镀有一层透明防水膜。
11.其中，所述水下电机，通过防水外壳设计、防水线缆设计，并安装水封性能良好的斯特封密封圈与o形圈，达到密封，满足水下环境的应用场景。
12.本发明还提供了一种适用于本发明所述水下精密移动平台的装调方法，包括如下步骤：
13.步骤1，安装基轨，将基轨固定于底座上；
14.步骤2，在安装另一根导轨时，将杠杆千分表固定于滑块之上，将杠杆千分表测针接触到另一根导轨侧面，移动滑块，观测千分表示值变化，调节导轨位置，直到千分表示值不变；
15.步骤3，与步骤2方法相同，用千分表测针接触到导轨上面，移动滑块，观测千分表示值变化，调节导轨高度，直到千分表示值不变，两根导轨沿z向平行；
16.步骤4，安装丝杠，通过游标卡尺，沿y向测量导轨至丝杠的间距，沿y向调整导轨位置，直到在导轨两端沿y向测量结果相同；通过深度尺测量导轨上面与丝杠轴端高度，保证位置1处和位置2处高度相等，从而保证丝杠轴线相对于导轨平面沿z向高度相等；通过两个方向调节，保证丝杠轴线沿y向和z向分别和导轨两个平面平行；
17.步骤5，安装电机；
18.步骤6，安装读数头和光栅尺，保证光栅尺沿z向与导轨平行，保证读数头信号强度；
19.步骤7，安装完成后，采用光电自准直仪对移动平台运行直线性进行测试；
20.步骤8，通过激光干涉仪对移动平台精度进行修正与验证：
21.在动滑台上固定一角隅棱镜，记录移动平台运行过程中多个位置激光干涉仪示值和移动平台位移值，从而得到导轨定位精度，通常为位置间隔长度为l/n，其中l为导轨行程，n为测量点位数；
22.将激光干涉仪作为位移标准，对平台精度进行补偿，通过拟合公式得到激光干涉仪基准值a与平台运行位移量b之间的关系，即b＝f(a)，提高移动平台定位精度。
23.其中，所述步骤7中，在动滑台固定一正六面体，控制移动平台每次移动距离l/n，其中l为导轨行程，n为测量点位数，观测并记录光管x、y向的角度示值，从而计算出导轨的直线性。
24.有益效果：
25.1、本发明的水下精密移动平台上安装有一个标准球，移动平台带动标准球移动，水下视觉测量系统测量得到的标准球移动距离为dc，水下精密移动平台移动标准距离为d，通过比对二者，实现对水下双目测量系统的校准。
26.2、本发明的水下精密移动平台采用陶瓷导轨和陶瓷丝杠，实现了传动机构的防水设计。
27.3、本发明通过对光栅尺镀表面防水透明镀膜，读数头做防水设计，保证测量部分的耐水性；通过设计防水电机，保证电机部分的密封性能，从而保证整体结构的防水性。
28.4、本发明的水下电机，通过防水外壳设计、防水线缆设计，并安装水封性能良好的斯特封密封圈与o形圈，达到良好的密封效果，满足水下环境的应用场景。
29.5、本发明的装调方法适用于本发明水下精密移动平台，安装完成后，采用光电自准直仪对移动平台运行直线性进行测试；通过激光干涉仪对移动平台精度进行修正与验
证，其中激光干涉仪精度极高，可作为位移标准，对平台精度进行补偿，通过拟合公式得到激光干涉仪基准值a与平台运行位移量b之间的关系，即b＝f(a)，提高移动平台定位精度，保证平台的安装精度与定位精度。
附图说明
30.图1为为水下成像光路模型示意图。
31.图2为本发明水下精密移动平台校准原理示意图。
32.图3为本发明水下精密移动平台结构示意图。
33.图4为本发明水下精密移动平台的防水读数头示意图。
34.图5为本发明水下精密移动平台的光栅尺防水示意图。
35.图6为本发明水下精密移动平台的水下电机示意图。
36.图7为本发明装调方法中导轨安装示意图。
37.图8为本发明装调方法中丝杠安装示意图。
38.图9为本发明装调方法中对安装完成的水下精密移动平台直线性测试示意图。
39.图10为本发明装调方法中对安装完成的水下精密移动平台定位精度测试示意图。
具体实施方式
40.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
41.本发明提供了一种水下精密移动平台，校准原理如图2所示。在水下精密移动平台上安装一个标准球，移动平台带动标准球移动。水下视觉测量系统测量得到的标准球移动距离为dc，水下精密移动平台移动标准距离为d，通过比对二者，实现对水下双目测量系统的校准。基于上述原理，本发明中水下精密移动平台结构图如图3所示，包括水下传动机构、水下读数头与直线光栅尺以及水下电机，其中水下传动机构采用精密陶瓷导轨与陶瓷丝杠，水下水下读数头与直线光栅尺均进行防水设计，水下电机也进行了防水和密封设计。具体地，水下精密移动平台设计要点如下：
42.水下传动机构设计：采用精密陶瓷导轨与陶瓷丝杠，可以保证导轨移动直线性，并且不会生锈；
43.水下水下读数头与直线光栅尺设计：目前现有的读数头与光栅尺均不能在水中使用，读数头需要进行防水设计，保证其具有良好的防水性能，本发明设计了一种水下环境使用的防水读数头，如图4所示，通过防水外壳、o型密封圈、防水接头与线缆的设计，保证读数头具有良好的防水性能；水下光栅尺在金属钢带式光栅尺的基础上，通过在其表面镀一层透明防水膜，以此来防止其生锈，如图5所示；
44.水下电机设计：常规的电机无法满足水下环境的应用场合，为了解决该问题，本发明设计了水下电机，通过防水外壳设计、防水线缆设计，并安装水封性能良好的斯特封密封圈与o形圈，如图6所示，达到良好的密封效果，以满足水下环境的应用场景。
45.本发明还提供了一种适用本发明平台的装调方法，包括如下步骤：
46.步骤1，安装基轨，将基轨固定于底座上；
47.步骤2，在安装另一根导轨时，将杠杆千分表固定于滑块之上，将杠杆千分表测针接触到另一根导轨侧面，移动滑块，观测千分表示值变化，调节导轨位置，直到千分表示值
不变，说明沿y向导轨平行，导轨安装示意图如图7；
48.步骤3，与步骤2方法相同，用千分表测针接触到导轨上面，移动滑块，观测千分表示值变化，调节导轨高度，直到千分表示值不变，两根导轨沿z向平行，从而保证两根导轨沿y向和z向平行；
49.步骤4，安装丝杠，通过游标卡尺，沿y向测量导轨至丝杠的间距，沿y向调整导轨位置，直到在导轨两端沿y向测量结果相同。通过深度尺测量导轨上面与丝杠轴端高度，保证位置1处和位置2处高度相等，从而保证丝杠轴线相对于导轨平面沿z向高度相等。通过两个方向调节，保证丝杠轴线沿y向和z向分别和导轨两个平面平行；
50.步骤5，安装电机，电机与丝杠轴通过柔性联轴器连接，因此按照设计值安装即可，为了防止电机输出轴生锈，需对电机输出轴进行表面处理；
51.步骤6，安装读数头、光栅尺，保证光栅尺沿z向与导轨平行，保证读数头信号强度；
52.步骤7，安装完成后，采用光电自准直仪对移动平台运行直线性进行测试。如图9所示，在动滑台固定一正六面体，控制移动平台每次移动距离l/n，其中l为导轨行程，n为测量点位数，观测并记录光管x、y向的角度示值，从而计算出导轨的直线性；
53.步骤8，通过激光干涉仪对移动平台精度进行修正与验证。如图10所示，在动滑台上固定一角隅棱镜，记录移动平台运行过程中多个位置激光干涉仪示值和移动平台位移值，从而得到导轨定位精度，通常为位置间隔长度为l/n，其中l为导轨行程，n为测量点位数。
54.其中，激光干涉仪精度极高，可作为位移标准，对平台精度进行补偿，通过拟合公式得到激光干涉仪基准值a与平台运行位移量b之间的关系，即b＝f(a)，从而提高移动平台定位精度。
55.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种水下精密移动平台，其特征在于，包括水下传动机构、水下读数头与直线光栅尺以及水下电机，其中水下传动机构采用精密陶瓷导轨与陶瓷丝杠，水下水下读数头与直线光栅尺均进行防水设计，水下电机也进行防水和密封设计；在水下精密移动平台上安装有一个标准球，移动平台通过水下电机和水下传动机构带动标准球移动；水下视觉测量系统通过水下读数头与直线光栅尺测量得到的标准球移动距离为dc，水下精密移动平台移动标准距离为d，通过比对二者，实现对水下双目测量系统的校准。2.如权利要求1所述的平台，其特征在于，所述防水读数头通过防水外壳、o型密封圈、防水接头与线缆的设计，保证读数头的防水性能。3.如权利要求1或2所述的平台，其特征在于，所述水下光栅尺在金属钢带式光栅尺的基础上，表面镀有一层透明防水膜。4.如权利要求3所述的平台，其特征在于，所述水下电机，通过防水外壳设计、防水线缆设计，并安装水封性能良好的斯特封密封圈与o形圈，达到密封，满足水下环境的应用场景。5.一种适用于如权利要求1-4任意一项所述水下精密移动平台的装调方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，安装基轨，将基轨固定于底座上；步骤2，在安装另一根导轨时，将杠杆千分表固定于滑块之上，将杠杆千分表测针接触到另一根导轨侧面，移动滑块，观测千分表示值变化，调节导轨位置，直到千分表示值不变；步骤3，与步骤2方法相同，用千分表测针接触到导轨上面，移动滑块，观测千分表示值变化，调节导轨高度，直到千分表示值不变，两根导轨沿z向平行；步骤4，安装丝杠，通过游标卡尺，沿y向测量导轨至丝杠的间距，沿y向调整导轨位置，直到在导轨两端沿y向测量结果相同；通过深度尺测量导轨上面与丝杠轴端高度，保证位置1处和位置2处高度相等，从而保证丝杠轴线相对于导轨平面沿z向高度相等；通过两个方向调节，保证丝杠轴线沿y向和z向分别和导轨两个平面平行；步骤5，安装电机；步骤6，安装读数头和光栅尺，保证光栅尺沿z向与导轨平行，保证读数头信号强度；步骤7，安装完成后，采用光电自准直仪对移动平台运行直线性进行测试；步骤8，通过激光干涉仪对移动平台精度进行修正与验证：在动滑台上固定一角隅棱镜，记录移动平台运行过程中多个位置激光干涉仪示值和移动平台位移值，从而得到导轨定位精度，通常为位置间隔长度为l/n，其中l为导轨行程，n为测量点位数；将激光干涉仪作为位移标准，对平台精度进行补偿，通过拟合公式得到激光干涉仪基准值a与平台运行位移量b之间的关系，即b＝f(a)，提高移动平台定位精度。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤7中，在动滑台固定一正六面体，控制移动平台每次移动距离l/n，其中l为导轨行程，n为测量点位数，观测并记录光管x、y向的角度示值，从而计算出导轨的直线性。

技术总结
本发明提出了一种水下精密移动平台及其装调方法，能够实现对水下双目立体视觉系统校准。本发明的水下精密移动平台上安装有一个标准球，移动平台带动标准球移动，水下视觉测量系统测量得到的标准球移动距离为dc，水下精密移动平台移动标准距离为d，通过比对二者，实现对水下双目测量系统的校准。本发明的装调方法适用于本发明水下精密移动平台，安装完成后，采用光电自准直仪对移动平台运行直线性进行测试；通过激光干涉仪对移动平台精度进行修正与验证，保证平台的安装精度与定位精度。保证平台的安装精度与定位精度。保证平台的安装精度与定位精度。


技术研发人员：王晓光 刘柯 孙增玉 朱浩 郭天茂 滕晓 鲍晨兴 郭力振 李闯
受保护的技术使用者：北京航天计量测试技术研究所
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/9/20