粒子加速器多系統(tǒng)位移監(jiān)測(cè)與全局坐標(biāo)系統(tǒng)一問題研究結(jié)題摘要

隨著粒子加速器規(guī)模的不斷擴(kuò)大和技術(shù)要求的不斷提升，對(duì)磁鐵等關(guān)鍵元部件的點(diǎn)位精度要求越來越嚴(yán)格，需要采用各種可行的點(diǎn)位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)部件各個(gè)方向的位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前，國(guó)際上最普遍使用的點(diǎn)位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括靜力水準(zhǔn)傳感器、線位置監(jiān)測(cè)傳感器、傾斜儀等。但是，這些傳感器往往基于不同的測(cè)量基準(zhǔn)，測(cè)量范圍也不盡相同，測(cè)量數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)互相干擾和無(wú)法檢核的情況。本課題立足于不同點(diǎn)位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，將它們的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歸化到統(tǒng)一的坐標(biāo)體系中進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵元部件的點(diǎn)位精度進(jìn)行多維實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。首先，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的精度預(yù)期，對(duì)不同的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行深入調(diào)研分析和選型，進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并建模仿真；其次，對(duì)采購(gòu)和自研的各類傳感器進(jìn)行精度標(biāo)定并搭建系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)；再次，對(duì)系統(tǒng)中多級(jí)空間坐標(biāo)系建立及轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行深入研究；最后，根據(jù)實(shí)際搭建的測(cè)試平臺(tái)并結(jié)合坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法的研究，將各傳感器在其自身坐標(biāo)系下的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到基板坐標(biāo)系和系統(tǒng)坐標(biāo)系，最終將不同系統(tǒng)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系下表達(dá)。 2100433B

粒子加速器的發(fā)展對(duì)關(guān)鍵部件（如磁鐵）準(zhǔn)直精度要求越來越高，為了保證加速器正常運(yùn)行，須采用各種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)這些部件的橫向和縱向位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本項(xiàng)目試圖通過理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，將不同位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)一到加速器的全局坐標(biāo)系下，方便對(duì)不同位置在不同方向上的位置變化進(jìn)行診斷，便于及時(shí)進(jìn)行必要的位置調(diào)整。國(guó)際上最普遍使用的位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)（縱向）、引張線位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（橫向和縱向）以及傾斜儀系統(tǒng)（俯仰角和擺動(dòng)角）等，為了將它們的監(jiān)測(cè)結(jié)果在全局坐標(biāo)系上反映出來，在硬件上必須精密地建立它們的共同基準(zhǔn)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過該基準(zhǔn)統(tǒng)一在一個(gè)局部坐標(biāo)系下，同時(shí)要考慮不同監(jiān)測(cè)方法受到的環(huán)境影響而產(chǎn)生的偏差，并能得到有效修正；隨后要進(jìn)行數(shù)學(xué)上分析與計(jì)算，將各個(gè)局部坐標(biāo)系統(tǒng)一到全局坐標(biāo)系下，并根據(jù)誤差傳遞理論有效評(píng)估轉(zhuǎn)換的精度，使其在加速器準(zhǔn)直允許誤差范內(nèi)。將基于國(guó)際上最新相關(guān)研究進(jìn)展，開展本項(xiàng)目研究。

粒子加速器（英語(yǔ)：particle accelerator）是利用電場(chǎng)來推動(dòng)帶電粒子使之獲得高能量。日常生活中常見的粒子加速器有用于電視的陰極射線管及X光管等設(shè)施。只有當(dāng)被加速的粒子置于抽真空的管中時(shí)，才不會(huì)被空氣中的分子所撞擊而潰散。在高能加速器里的粒子由四極磁鐵（quadrupole magnet）聚焦成束，使粒子不會(huì)因?yàn)楸舜碎g產(chǎn)生的排斥力而散開。

粒子加速器有兩種基本型式，環(huán)形加速器和直線加速器。

游戲和圖形開發(fā)中常用的坐標(biāo)系有：世界坐標(biāo)系、物體坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系、慣性坐標(biāo)系。 世界坐標(biāo)系是描述其它坐標(biāo)系所需要的參考框架，只能用世界坐標(biāo)系描述其他坐標(biāo)系的位置，不能用更大的，外部的坐標(biāo)系來描述世界坐標(biāo)系。

關(guān)于世界坐標(biāo)系的的典型問題都是關(guān)于初始位置和環(huán)境的，如：

1、 每個(gè)物體的位置和方向。 2、攝像機(jī)的位置和方向。 3、世界的每一點(diǎn)的地形是什么。 4。各物體從哪里來，到哪里去。 物體坐標(biāo)系是和特定物體相關(guān)的坐標(biāo)系。每個(gè)物體都有它們獨(dú)立的坐標(biāo)系。 在物體坐標(biāo)系中可能會(huì)遇到的問題： 1、周圍有需要互相作用的物體嗎？（我要攻擊它嗎？） 2、哪個(gè)方向，在我前面嗎？我左邊一點(diǎn)？（我應(yīng)該射擊還是轉(zhuǎn)身就跑） 攝像機(jī)坐標(biāo)系是和觀察者密切相關(guān)的坐標(biāo)系。是一種特殊的“物體”坐標(biāo)系。 典型問題： 1、3D空間中的給定點(diǎn)在攝像機(jī)前方嗎？ 2、3D空間中的給定點(diǎn)在屏幕上還是超出了邊界？ 3、某個(gè)物體是否在屏幕上？部分還是全部在？ 4、兩個(gè)物體誰(shuí)在前面？（可見性檢測(cè)，深度排序） 慣性坐標(biāo)系是為了簡(jiǎn)化世界坐標(biāo)系到物體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。從物體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系只需旋轉(zhuǎn)，從慣性坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系只需平移。 嵌套坐標(biāo)系同樣為了簡(jiǎn)化物體在世界坐標(biāo)系中位置，如一個(gè)物體坐標(biāo)系嵌套一個(gè)頭部坐標(biāo)系，則頭部坐標(biāo)系可以只與物體坐標(biāo)系聯(lián)系，簡(jiǎn)化操作。

坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，應(yīng)用矩陣表示，一切操作如物體的旋轉(zhuǎn)、平移過程等都可以用矩陣(4*4齊次空間矩陣)來表示2100433B