一种基于机械臂的EMI球面扫描成像方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于机械臂的EMI球面扫描成像方法及系统，属于机器人及智能硬件技术领域，方法包括以下步骤：构建机械臂模型，确定机械臂的腕部不可达区域、腕部位置最远区域、腕部工作区间；根据机械臂不可达区域和机械臂最远分布区间确定机械臂在末端约束条件下的工作区间；对工作区间进行数学分析，求得采样面积最大的采样球面对应的参数；利用改进的RRT算法进行路径搜索；按照搜索到的路径进行辐射数据采集；利用远近场成像自动聚焦算法对EMI辐射源进行成像。本发明专利技术实现了对EMI辐射源的平均关节变化角降幅、自动聚焦与精确成像，可以为球面ESM扫描机器人的设计提供理论与方法支撑，并应用于电子系统的EMI检测定位应用中。并应用于电子系统的EMI检测定位应用中。并应用于电子系统的EMI检测定位应用中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于机械臂的EMI球面扫描成像方法及系统


[0001]本专利技术属于新一代技术产业与高端装备制造产业领域中的机器人及智能硬件
，具体是涉及一种基于机械臂的EMI球面扫描成像方法及系统。

技术介绍

[0002]随着电子系统电路密度与集成化程度的不断提高，对电子设备高频干扰信号进行成像分析进而提供更加高效的故障检测与整改建议已成为电子工业发展的一个内在需求。现有的思路是采用平面展开的方式将设备干扰源的辐射场近似为平面波进行计算，进而完成由远场到近场的成像变换。但由于电磁波在空间中实际以球面波的形式传播，这将不可避免的影响成像精度。另一方面，基于球面波的高频电磁信号成像对检测精度具有较高要求，这就需要在设计相关系统时提供稳定、高精度的机械扫描与定位方案。特别是探索在具有多重任务约束的、非冗余工作环境下的扫描系统的控制策略，以及对成像过程中自动聚焦、高精度反演性能的检测验证手段。

技术实现思路

[0003]为解决电子设备EMI球面扫描成像存在的成像精度低、机械扫描与定位稳定性及精度较低的问题，提供一种基于机械臂的EMI球面扫描成像方法及系统，该方法及系统将机械臂与微波扫描成像技术相结合，重点研究其在球面扫描模式下的系统建模方法与运动控制策略，以期实现对电子设备EMI辐射源的远近场变换成像与精确定位。
[0004]为解决上述问题，本专利技术采取如下的技术方案：
[0005]一种基于机械臂的EMI球面扫描成像方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：构建机械臂模型，确定机械臂的腕部不可达区域Ω
w
和腕部位置最远区域W
fron
，并根据所述腕部不可达区域Ω
w
和所述腕部位置最远区域W
fron
确定机械臂的腕部工作区间W
space
；
[0007]步骤2：以机械臂末端始终指向辐射源为末端约束条件，将所述腕部不可达区域Ω
w
和所述腕部位置最远区域W
fron
上的点分别偏移末端约束条件对应的单位向量，得到对应的机械臂不可达区域Ω和机械臂最远分布区间EE
fron
，根据所述机械臂不可达区域Ω和所述机械臂最远分布区间EE
fron
确定机械臂在末端约束条件下的工作区间EE
space
；
[0008]步骤3：对在末端约束条件下的工作区间EE
space
进行数学分析，求得最大采样球面面积；
[0009]步骤4：生成采样球面对应的采样点集并确定路径最短的采样序列，利用改进的RRT算法搜索一条总路径长度最小且相邻序列关节角变化平缓的路径；
[0010]步骤5：按照搜索到的路径进行辐射数据采集，得到EMI辐射源的球面远场扫描数据；
[0011]步骤6：根据所述球面远场扫描数据，利用远近场成像自动聚焦算法对EMI辐射源进行成像。
[0012]相应地，本专利技术还提出一种基于机械臂的EMI球面扫描成像系统，包括机械臂、矢量网络分析仪和控制计算机，所述控制计算机包括：
[0013]机械臂建模模块，用于构建机械臂模型，确定机械臂的腕部不可达区域Ω
w
和腕部位置最远区域W
fron
，并根据所述腕部不可达区域Ω
w
和所述腕部位置最远区域W
fron
确定机械臂的腕部工作区间W
space
；
[0014]工作区间确定模块，用于以机械臂末端始终指向辐射源为末端约束条件，将所述腕部不可达区域Ω
w
和所述腕部位置最远区域W
fron
上的点分别偏移末端约束条件对应的单位向量，得到对应的机械臂不可达区域Ω和机械臂最远分布区间EE
fron
，根据所述机械臂不可达区域Ω和所述机械臂最远分布区间EE
fron
确定机械臂在末端约束条件下的工作区间EE
space
；
[0015]采样球面求取模块，用于对在末端约束条件下的工作区间EE
space
进行数学分析，求得最大采样球面面积；
[0016]路径搜索模块，用于生成采样球面对应的采样点集并确定路径最短的采样序列，利用改进的RRT算法搜索一条总路径长度最小且相邻序列关节角变化平缓的路径；
[0017]驱动及采集模块，用于按照搜索到的路径驱动机械臂运动到指定的采样点，同时控制矢量网络分析仪进行辐射数据采集，得到EMI辐射源的球面远场扫描数据；
[0018]成像模块，用于根据所述球面远场扫描数据，利用远近场成像自动聚焦算法对EMI辐射源进行成像。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0020]本专利技术通过对机械臂构型与球面扫描边界等约束条件进行建模，获得在以上约束条件下的机械臂工作区间，并对工作区间进行数学分析，求得最大采样球面面积，然后利用改进的快速扩展随机树算法(Rapid
‑
exploring Random Tree，RRT)基于关节角搜索策略进行路径搜索与规划，并进行远近场自动聚焦成像，实现了对EMI辐射源的平均关节变化角降幅、自动聚焦与精确成像，可以为球面ESM扫描机器人的设计提供理论与方法支撑，并应用于电子系统的EMI检测定位应用中。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例所述的一种基于机械臂的EMI球面扫描成像方法的流程图；
[0022]图2为六自由度与七自由度两种机械臂构型的建模以及腕部不可达区域示意图；
[0023]图3为x0o0z0平面上机械臂腕部工作区示意图；
[0024]图4为在末端约束下机械臂不可达区域的产生的示意图；
[0025]图5为采样球面在空间中的分布情况示意图；
[0026]图6为部分采样面路径示意图；
[0027]图7为成像图对比度与聚焦距离的关系图。
具体实施方式
[0028]本专利技术对机械臂与电子设备EMI球面进行空间建模，通过对机械臂构型、球面扫描边界与检测天线姿态进行建模，探索在以上约束下系统的最优设计模式并进行最优运动控制的求解。下面将结合附图及较佳实施例对本专利技术的技术方案进行详细描述。
[0029]如图1所示，本专利技术实施例提供一种基于机械臂的EMI球面扫描成像方法，该方法包括以下步骤：
[0030]步骤1：构建机械臂模型，确定机械臂的腕部不可达区域Ω
w
和腕部位置最远区域W
fron
，并根据所述腕部不可达区域Ω
w
和所述腕部位置最远区域W
fron
确定机械臂的腕部工作区间W
space
。
[0031]在ESM扫描中扩大采样面积可以得到更加精准的成像，因此也要求检测使用的机械臂工作空间尽量大。由于不同机械臂构型对ESM采样面积的生成存在影响，因此首先探讨机械臂自身构型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于机械臂的EMI球面扫描成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建机械臂模型，确定机械臂的腕部不可达区域Ω
w
和腕部位置最远区域W
fron
，并根据所述腕部不可达区域Ω
w
和所述腕部位置最远区域W
fron
确定机械臂的腕部工作区间W
space
；步骤2：以机械臂末端始终指向辐射源为末端约束条件，将所述腕部不可达区域Ω
w
和所述腕部位置最远区域W
fron
上的点分别偏移末端约束条件对应的单位向量，得到对应的机械臂不可达区域Ω和机械臂最远分布区间EE
fron
，根据所述机械臂不可达区域Ω和所述机械臂最远分布区间EE
fron
确定机械臂在末端约束条件下的工作区间EE
space
；步骤3：对在末端约束条件下的工作区间EE
space
进行数学分析，求得最大采样球面面积；步骤4：生成采样球面对应的采样点集并确定路径最短的采样序列，利用改进的RRT算法搜索一条总路径长度最小且相邻序列关节角变化平缓的路径；步骤5：按照搜索到的路径进行辐射数据采集，得到EMI辐射源的球面远场扫描数据；步骤6：根据所述球面远场扫描数据，利用远近场成像自动聚焦算法对EMI辐射源进行成像。2.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的EMI球面扫描成像方法，其特征在于，所述腕部不可达区域Ω
w
的公式如下：Ω
w
:X2+y2+(z
‑
d1)2≤Y
short2
#(3)其中，连杆距离d1表示机械臂关节沿z1轴平移的距离，r
short
为机械臂在关节角限制下腕部位置W与肩部位置S的最短距离；所述腕部位置最远区域W
fron
的公式如下：其中，连杆距离d4为机械臂关节沿z4轴平移的距离，a2为机械臂关节沿x2轴的平移距离，lim＝[
‑
120
°
，120
°
]，表示基坐标系x1y1z1中的仰角；机械臂的腕部工作区间W
space
的公式如下：3.根据权利要求2所述的一种基于机械臂的EMI球面扫描成像方法，其特征在于，所述机械臂不可达区域Ω的公式如下：其中，[l
x l
y l
z
]
T
为末端约束条件对应的单位向量，所述机械臂最远分布区间EE
fron
的公式如下：
在末端约束条件下的工作区间EE
space
的公式如下：4.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的EMI球面扫描成像方法，其特征在于，步骤3中对在末端约束条件下的工作区间EE
space
进行数学分析的过程包括以下步骤：设采样球面以辐射源O'为球心、以R
s
为采样半径，忽略工作区间EE
space
中的不规则区域影响，只考虑在x1o1y1平面以上的属于工作区间EE
space
的采样球面面积S
up
，同时固定球心O'位于y1轴且在该轴上对应坐标为w；定义完整采样球面与机械臂最远分布区间EE
fron
边界相交时的交线为L；以O'为原点，以与射线o1x1平行且方向相同的射线O'x'作为极轴建立二维极坐标系x'O'y'，交线L在x1o1y1上的投影L'为一条线段，线段L'的表达式为：其中，β为二维极坐标系x'O'y'中的极角，变化范围为[
‑
π,π]，计算公式如下：其中，连杆距离d1和连杆距离d4分别表示机械臂关节沿z1轴和z4轴平移的距离，a...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晋行，刘晓瑞，刘鹏，邱世振，
申请(专利权)人：青岛中电绿网新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：