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CN104697472B - 三维转角测量方法及其装置 - Google Patents

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CN104697472B CN201510083944.4A CN201510083944A CN104697472B CN 104697472 B CN104697472 B CN 104697472B CN 201510083944 A CN201510083944 A CN 201510083944A CN 104697472 B CN104697472 B CN 104697472B
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白建明
胡晓东
于芳苏
赵小东
孙国燕
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XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
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Abstract

本发明涉及一种三维转角测量方法及其装置，包括一个由两个二维自准直仪构成的测量装置本体和一个反射部件即合作目标。测量时，测量装置中的第一自准直仪瞄准反射部件正反射面，通过光学自准直测量原理测量出反射部件正反射面的两维角度变化量；同理，第二自准直仪测量出反射部件斜反射面的两维角度变化量。三维测量装置的数据处理中心接收到这些角度信息后，根据公式即可解算出三维转角的角度值，实现了被测物体在空间的三维姿态变化量，具有实现方式简单、技术成熟可靠、安装操作方便的特点。

Description

三维转角测量方法及其装置
技术领域
本发明属于光电测量技术领域，涉及一种基于自准直测量技术实现三维转角测量的方法及其装置。
背景技术
物体在空间旋转有三个自由度：俯仰角、偏摆角和滚转角，其中俯仰角和偏摆角测量可以采用常规光电测量方法(如自准直仪测量)获取，而实现滚转角的高精度测量一直是精密测量技术领域的一个难题。目前，国内外对滚转角测量主要有激光干涉法、偏振光测量方法和基于图像处理的测量方法等。
激光干涉法通过将滚转角变化转换成光程差从而实现测量，虽然激光干涉法可以实现高精度滚转角测量，但前提是需要保证其他二维角度(俯仰角和偏摆角)在测量过程中不能发生变化，否则会影响到滚转角测量精度。
偏振光测量方法是基于磁光调制原理，利用检测出的线偏振光偏振方向与检偏器光轴夹角计算出滚转角，起偏器和检偏器需要分别处在两个单元设备中才能完成角度测量。偏振光检测方法的光机系统设计复杂，且测量设备体积较大不利于安装在被测物体上，存在一定的应用局限性。
基于图像处理的测量方法，是在被测物体上安装合作目标，通过拍摄合作目标的变化来实现滚转角测量。这种方法虽然比较容易实现，但拍摄相机所用的图像传感器分辨率是限制其测量精度的瓶颈，测量精度难以提高。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种基于自准直测量技术来实现三维转角测量的方法，利用本装置可以实现对三维转角的高精度测量。
为解决现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案如下：
一种三维转角测量装置，其特殊之处在于：包括反射部件、第一自准直仪、第二自准直仪，所述反射部件安装在被测物体上，所述反射部件包括正反射面和斜反射面，所述正反射面和斜反射面的夹角为θ，5°≤θ≤20°，所述第一自准直仪与第二自准直仪的夹角也为θ，所述第一自准直仪正对正反射面且第一自准直仪的光轴与正反射面垂直，所述第二自准直仪正对斜反射面且第二自准直仪的光轴与斜反射面垂直。
上述第一自准直仪与第二自准直仪为二维自准直仪或一维自准直仪，
当为一维自准直仪时，所述第一自准直仪的数量为2且并行设置，所述第二自准直仪的数量为2且并行设置，
当为二维自准直仪时，所述第一自准直仪的数量为1，所述第二自准直仪的数量为1。
二维自准直仪中的光电探测器件为面阵CMOS图像传感器或面阵CCD，一维自准直仪中的光电探测器件为线阵CCD。
综合考虑发明装置的测量精度、设备体积及测量距离等因素，本发明中θ的优选范围为10°±2′。
利用上述装置进行三维转角测量的方法，其特殊之处在于：
1)建立OXYZ坐标系、O1X1Y1Z1坐标系、O2X2Y2Z2坐标系，OXYZ为被测物体测量坐标系，O1X1Y1Z1为第一自准直仪测量坐标系，O 2X2Y2Z2为第二自准直仪测量坐标系，
其中OXZ、O1X1Z1、O2X2Z2均在水平面内，OY轴、O1Y1轴、O2Y2轴与水平面垂直，坐标系符合右手法则，坐标系OXYZ与坐标系O1X1Y1Z1重合，坐标系O2X2Y2Z2为坐标系O1X1Y1Z1绕O1Y1轴逆时针旋转θ角度后得到，θ值为反射部件两反射面的固定夹角；
2)第一自准直仪对正反射面进行准直测量，得出两个测量角度值：α1x和α1y，其中α1x为反射部件绕Y轴的转角变化量，即被测物体的偏摆角β；α1y为反射部件绕Z轴的转角变化量，即被测物体的俯仰角ω；
3)第二自准直仪对斜反射面进行准直测量，得出两个测量角度值：α2x和α2y，其中α2x为反射部件绕Y轴的转角变化量，与α1x值相同；α2y为第二自准直仪测得在第二自准直仪测量坐标系Y轴上的角度变化量，它包含了两种角度信息：滚转角分量α和α1y分量ω；
4)根据步骤2)、3)测得的角度值α1y、α2y及两反射面固定夹角θ计算出被测物体的滚转角。
滚转角的计算公式与具体推导过程相对应，本发明中的滚转角计算公式为：
本发明具有以下优点：
1、本发明属于光学非接触式测量，利用自准直测量技术实现三维转角测量，具有实现方式简单、技术成熟可靠、安装操作方便的特点；
2、本发明采用高速大面阵CMOS图像传感器作为自准直仪的光电探测器件，能够满足转角的高精度、实时响应测量等要求；
3、本发明解决了背景技术中对滚转角测量的局限性，滚转角可与其他两维转角同时测量，且在一定测量视场范围内有较高测量精度。
附图说明
图1为本发明的组成示意图(俯视图)；
图2为本发明的测量原理示意图(俯视图)；
图3为三维转角测量的坐标系关系图；
图4为反射部件法线对应的单位向量在测量坐标系中位置示意图。
附图1标号说明：
1-被测物体；2-反射部件；3-准直光源1；4-三维测角装置安装载体；5-三维测角装置箱体；6-面阵CMOS图像传感器1；7-第一自准直仪；8-准直光源2；9-面阵CMOS图像传感器2；10-第二自准直仪；11-反射部件正反射面；12-反射部件斜反射面；71-第一自准直仪光路；72-第二自准直仪光路；61-第一返回像点1；91-第二返回像点。
具体实施方式
本发明根据自准直仪检测原理进行测量，三维转角测量装置包括一个由两个二维自准直仪构成的测量装置本体和一个反射部件2(即合作目标)。测量时，测量装置中的第一自准直仪7瞄准反射部件正反射面11，通过光学自准直测量原理测量出反射部件正反射面的两维角度变化量；同理，第二自准直仪10测量出反射部件斜反射面12的两维角度变化量。三维测量装置的数据处理中心接收到这些角度信息后，根据公式即可解算出三维转角的角度值，实现了被测物体1在空间的三维姿态变化量。
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明：
如图1所示，反射部件2安装在被测物体1上，将三维测量装置架设与反射部件等高位置上。调节测量装置位置，使第一自准直仪7对准反射部件正反射面11，第二自准直仪10对准反射部件斜反射面12，同时保证两个自准直仪接收的第一返回像点61和第二返回像点91的位置基本在图像传感器的中心位置。具备上述条件后，即可进行三维转角测量。
如图2所示，图中坐标系OXYZ为系统测量坐标系，坐标系O1X1Y1Z1为第一自准直仪测量坐标系，O2X2Y2Z2为第二自准直仪测量坐标系，其中OXZ、O1X1Z1、O2X2Z2均在水平面内，OY轴、O1Y1轴、O2Y2轴与水平面垂直，坐标系符合右手法则。坐标系OXYZ与坐标系O1X1Y1Z1重合，坐标系O2X2Y2Z2为坐标系O1X1Y1Z1绕O1Y1轴逆时针旋转θ角度后得到，θ值为反射部件两反射面的固定夹角。
如图3所示，测量坐标系OXYZ中的单位向量I1对应反射部件正反射面的法线矢量，单位向量I2对应反射部件斜反射面的法线矢量，I1和I2有一固定夹角θ，θ为正反射面法线与斜反射面法线之间的夹角。在测量坐标系OXYZ中设向量I1坐标为(1，0，0)T，向量I2坐标为(cos，0，-sinθ)T，向量I1、I2的变化与法线N1、N2的变化一致，即对应着反射部件的正反射面和斜反射面的三维转角的变化。
被测设备旋转α、β、ω角度后，向量I1、I2变为I1′、I2′(在测量坐标系OXYZ中)：
式中C1、C2、C3为绕OX轴、OY轴、OZ轴旋转的坐标变换矩阵：
如图4所示，定义旋转后的向量I1′、I2′与平面OXZ的夹角变化量分别为α1y、α2y，向量I1′、I2′与平面X1OY1的夹角变化量分别为α1x、α2x。由I1′、I2′坐标可得：
利用第一自准直仪可直接测量α1y、α1x，即根据第一自准直仪测量结果能够得到偏摆角β和俯仰角ω。
根据向量I2′坐标，可计算I2′与平面X1OZ1的夹角变化量a2：
当α、ω为小角度(-20′～+20′范围内)时，可近似sinα≈α、sinω≈ω、cosω≈1，上式简化为：
α2y≈arcsin(ωcosθ+αsinθ)
从而得出滚转角α的计算公式：

Claims (8)

1.一种三维转角测量装置，其特征在于：包括反射部件、第一自准直仪、第二自准直仪，所述反射部件安装在被测物体上，所述反射部件包括正反射面和斜反射面，所述正反射面和斜反射面的夹角为θ，5°≤θ≤20°，所述第一自准直仪与第二自准直仪的夹角也为θ，所述第一自准直仪正对正反射面且第一自准直仪的光轴与正反射面垂直，所述第二自准直仪正对斜反射面且第二自准直仪的光轴与斜反射面垂直。
2.根据权利要求1所述的三维转角测量装置，其特征在于：所述第一自准直仪与第二自准直仪为二维自准直仪或一维自准直仪，
当为一维自准直仪时，所述第一自准直仪的数量为2个且并行设置，所述第二自准直仪的数量为2且并行设置，
当为二维自准直仪时，所述第一自准直仪的数量为1个。
3.根据权利要求2所述的三维转角测量装置，其特征在于：二维自准直仪中的光电探测器件为面阵CMOS图像传感器或面阵CCD，一维自准直仪中的光电探测器件为线阵CCD。
4.根据权利要求1至3之一所述的三维转角测量装置，其特征在于：10°≤θ≤20°。
5.根据权利要求4所述的三维转角测量装置，其特征在于：θ＝10°±2′。
6.根据权利要求5所述的三维转角测量装置，其特征在于：所述第一自准直仪的光轴与正反射面法线夹角、所述第一自准直仪光轴与斜反射面法线夹角误差均在±2＇范围内。
7.根据权利要求1至6之一所述装置进行三维转角测量的方法，其特征在于：
1)建立OXYZ坐标系、O1X1Y1Z1坐标系、O2X2Y2Z2坐标系，OXYZ为被测物体测量坐标系，O1X1Y1Z1为第一自准直仪测量坐标系，O 2X2Y2Z2为第二自准直仪测量坐标系，
其中OXZ、O1X1Z1、O2X2Z2均在水平面内，OY轴、O1Y1轴、O2Y2轴与水平面垂直，坐标系符合右手法则，坐标系OXYZ与坐标系O1X1Y1Z1重合，坐标系O2X2Y2Z2为坐标系O1X1Y1Z1绕O1Y1轴逆时针旋转θ角度后得到，θ值为反射部件两反射面的固定夹角；
2)第一自准直仪对正反射面进行准直测量，得出两个测量角度值：α1x和α1y，其中α1x为反射部件绕Y轴的转角变化量，即被测物体的偏摆角β；α1y为反射部件绕Z轴的转角变化量，即被测物体的俯仰角ω；
3)第二自准直仪对斜反射面进行准直测量，得出两个测量角度值：α2x和α2y，其中α2x为反射部件绕Y轴的转角变化量，与α1x值相同；α2y为第二自准直仪测得在第二自准直仪测量坐标系Y轴上的角度变化量，它包含了两种角度信息：滚转角分量α和α1y分量ω；
4)根据步骤2)、3)测得的角度值α1y、α2y及两反射面固定夹角θ计算出被测物体的滚转角。
8.根据权利要求7所述的三维转角测量的方法，其特征在于：滚转角的计算公式为：
<mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> <msub> <mn>2</mn> <mi>y</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <msub> <mn>1</mn> <mi>y</mi> </msub> <mo>*</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> <mrow> <mi>sin</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
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