[发明专利]基于Kalman滤波的非接触测量装置及其测量方法

说明书

本发明公开了一种基于Kalman滤波的非接触测量装置，包括待测工件、激光位移传感器固定架、激光位移传感器、电位移平台、激光位移传感器控制器、伺服驱动器、数据传输线和计算机，所述伺服驱动器由PLC来控制从而带动位移传感器在位移平台上运动；本发明还公开了一种应用于基于Kalman滤波的非接触测量装置的测量方法，包括以下步骤：1、建立非接触式测量系统；2、基于物体表面形状的先验知识，建立待测物体的状态方程和量测方程，并设置初始值；3、实时对物体表面形状进行采样，通过通信，将数据传送至计算机；4、对采样数据进行实时滤波处理；进而得到物体的表面形状。本发明具有算法的执行效率高等优点。

技术领域

本发明涉及一种运用位移激光传感器对工件进行非接触测量的方法，尤其涉及一种基于Kalman滤波的非接触测量装置及其测量方法。

背景技术

在一些精密制造及军工行业需要对一些精密的工件形状或表面平整度进行高精度的检测，这就对检测装置有了很高的要求，传统的接触式测量由于接触等因素使得检测精度难于满足，且有些情况不允许设备对物体进行直接接触，因此运用激光位移传感器等装置进行非接触式的测量，在精密工件检测精度方面有极大的需求。

非接触测量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触待测物体表面的情况下，得到物体表面参数信息的测量方法。目前现有的非接触方法有将准直光源发出的光束经非对称扫描转镜形成扫描光束，扫描光束被待测工件反/散射后，由接收物镜汇聚至光电接收元件，通过待定测量反/散射光在待测工件上的持续时间，通过待定测量方程得到工件形状。还有就是采用直线扫描的方式，将激光位移传感器沿导轨移动方向运动，传感器每前进一步，激光位移传感器可以得出一个距离值，最终得出扫描物体的形状。基于激光位移传感器的非接触式方法的不足之处是未考虑可能由于工件本身的散射性，会影响激光位移传感器测量值的准确度。

对于被测物体的材质的不同，所以对于非接触测量尤其以激光位移传感器为装置的测量，因为材质的不同将引起散射光强度和空间分布的不同，从而使激光传感器接收到的光功率发生变化，对测量精度造成影响。当被测材料过于光滑，粗糙度较低，光泽较亮时，激光束在表面产生漫反射作用的同时会有一部分镜面反射，镜面反射的光强会是一种干扰信号。这种干扰将直接造成的噪声数据，所以必须进行相应的处理。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种基于Kalman滤波的非接触测量方法，该方法可以使得计算机从传感器所得数据更真实的反映传感器对工件检测的实际数据，如此，拥有更接近待测物体的真实数据，对于要进行对工件的形状检测亦或是工件的表面平整度检测肯定是能够得到好的测量结果。

对于目前常见的非接触测量方法可能存在的不足，本发明通过加入Kalman 滤波算法对数据进行滤波处理，Kalman滤波算法的思想是利用观测向量来重构和估计随时间不断变化的状态向量。其步骤是:

(1)建立物体平面的状态方程：

X(k+1)＝Φ(k)X(k)+G(k)V(k)，

激光位移传感器的量测方程：

Z(k)＝H(k)X(k)+W(k)，

(2)对Kalman滤波器的初始状态量，预测(过程)噪声方差，测量(观测) 噪声方差等经行初始化。

(3)根据(1)中的初始化值来得到当前的状态的预测值，又再通过当前的测量值，计算出当前状态的最优化估算值，并根据预测的数值计算出Kalman的增益。具体如下：

一步预测方程：

一步预测的预测协方差为：P(k+1|k)＝Φ(k)P(k|k)Φ'(k)，

一步预测的观测向量为：

观测向量的预测误差(也称新息)