專利名稱：空間運動物體位姿的動態(tài)測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間運動物體位姿的動態(tài)測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
工業(yè)上經(jīng)常需要動態(tài)地精密測量空間運動物體的位姿，以控制物體的空間運動。比如，近幾年快速發(fā)展的關(guān)聯(lián)機(jī)床，若要進(jìn)一步提高其加工精度，需要能夠動態(tài)地測量出其動平臺的空間位姿信息，把信息反饋到驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)運動的閉環(huán)控制?？墒怯捎谌鄙賱討B(tài)測量動平臺空間位姿的裝置及方法，現(xiàn)在只能通過分析機(jī)床各項誤差源，研究其產(chǎn)生誤差的原因、誤差分布、誤差傳遞函數(shù)模型及誤差合成計算等，最終來修整誤差。而誤差的產(chǎn)生原因非常復(fù)雜，而且是動態(tài)的，因此很難大幅度提高并聯(lián)機(jī)床的加工精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種空間運動物體位姿的動態(tài)測量裝置及方法，動態(tài)地測量出運動物體的空間位姿，把空間位姿信息反饋到驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)運動的閉環(huán)控制，提高加工精度。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是空間運動物體位姿的動態(tài)測量裝置主要由激光發(fā)射系統(tǒng)與光線接收系統(tǒng)組成，它們一個與待測量位姿的運動物體固定在一起，另一個相對于固定坐標(biāo)系不動。其測量方法為光線接收系統(tǒng)識別其所接收的光線的方位并計算出光線的直線方程；激光發(fā)射系統(tǒng)循環(huán)地依次向不同方向發(fā)射激光脈沖，在每一個循環(huán)內(nèi)，光線接收系統(tǒng)至少接收到兩個不同方向激光脈沖，并計算出激光光線的直線方程，根據(jù)物體上不平行的兩條直線的直線方程，即可求出該物體在坐標(biāo)系中的位姿。
本發(fā)明測量的裝置結(jié)構(gòu)簡單，測量方法簡便易行，裝置與方法的配合能動態(tài)地精密測量出空間運動物體的位姿，閉環(huán)地控制物體的空間運動，提高加工精度。


圖1為本發(fā)明空間物體位姿的條件圖2為本發(fā)明測量裝置示意3為圖2的光線接收系統(tǒng)的工作原理中1定平臺、2聚光鏡、3光線接收系統(tǒng)、4光線、5伸縮桿、6激光發(fā)射系統(tǒng)、7動平臺、8刀具系統(tǒng)、9、10圖像傳感器具體實施方式
如圖1所示，物體處于三維坐標(biāo)系oxyz中，直線AB經(jīng)過物體上的A、B兩點，直線CD經(jīng)過物體上C、D兩點，AB與CD不平行。用數(shù)學(xué)方法可以證明根據(jù)AB、CD的直線方程能夠確定物體的位姿。為了節(jié)約篇幅，下面用自由度的概念來說明這一點。
圖中若直線AB固定，即AB直線方程已知，則物體還剩兩個自由度物體可以繞直線AB轉(zhuǎn)動，并能沿直線AB移動；若直線AB、CD同時固定，即AB、CD直線方程都已知，則物體的自由度為0，即可以確定物體在空間的位姿。
因此，若知道物體上不平行的兩條直線方程，則可以求出該物體在坐標(biāo)系中的位姿。根據(jù)這一原理，只要測量出某一時刻動平臺上不平行兩條直線的方程，就可以求出該時刻動平臺的空間位姿。
如圖2所示，測量裝置主要由定平臺1、聚光鏡2、光線接收系統(tǒng)3，激光發(fā)射系統(tǒng)6、動平臺7組成，聚光鐿2和光線接收系統(tǒng)3固定在定平臺1上，激光發(fā)射系統(tǒng)6固定在動平臺7上，動平臺7上連接刀具系統(tǒng)8，定平臺1經(jīng)伸縮桿5連接動平臺7。
通過改變伸縮桿的長度，可以改變動平臺的空間位姿。其中，聚光鏡的作用是為了擴(kuò)大測量范圍，若激光發(fā)射系統(tǒng)上的激光器足夠多或者光線接收系統(tǒng)的接收面積足夠大，也可以不使用聚光鏡。
聚光鏡2與光線接收系統(tǒng)3與定平臺1固定在一起，靜止不動，組裝后可以標(biāo)定出它們的空間位姿，激光發(fā)射系統(tǒng)6與動平臺7固定在一起隨動平臺一起運動，激光發(fā)射系統(tǒng)6上有多個激光器，激光器向不同方向發(fā)射激光，它們發(fā)出的激光彼此互不平行，工作時每個激光器依次發(fā)出激光脈沖，光線接收系統(tǒng)能夠識別接收到的光線的空間方位，求出光線的直線方程。
位姿測量裝置及方法的工作原理如下設(shè)在某一很短的時間周期T內(nèi)，激光發(fā)射系統(tǒng)上的激光器依次發(fā)射出彼此互不平行的激光脈沖，至少有兩個激光脈沖被光線接收系統(tǒng)接收到并求出激光光線的直線方程。由于激光器與動平臺固結(jié)在一起，故其發(fā)射出的激光光線與動平臺相互位置始終不變，因此，求出了激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的兩道互不平行的激光光線的直線方程，就可以確定動平臺的空間位姿。
如圖3所示，光線接收系統(tǒng)3包括有聚光鏡2和圖像傳感器9、10，在每個圖像傳感器的表面都有一個圖中未標(biāo)出的半反射鏡，它們與相應(yīng)的圖中未標(biāo)出的電路及軟件一起構(gòu)成光線接收系統(tǒng)。光線照射到半反射鏡部分光線反射、部分光線透射。圖像傳感器相對于定平臺即靜坐標(biāo)系不動，故可以標(biāo)定出圖像傳感器上每一個像素的空間坐標(biāo)。
圖3中AB為激光器發(fā)射的光線，經(jīng)聚光鏡2反射后光線方向變?yōu)锽C，光線BC到達(dá)圖像傳感器9表面上的半反射鏡后，一部分透射被圖像傳感器9接收，另一部分被反射，其方向變?yōu)镃D，光線CD到達(dá)圖像傳感器10表面上的半反射鏡后部分被反射，部分透射被圖像傳感器10接收。由于圖像傳感器上的每一個像素坐標(biāo)已經(jīng)標(biāo)定，故可以得知光線的反射點C、D兩點的空間位置坐標(biāo)，進(jìn)而求出CD的直線方程。
由于光線CD是光線BC經(jīng)半反射鏡部分反射后形成的，故CD的強(qiáng)度比BC的強(qiáng)度弱，若BC透過圖像傳感器9表面半反射鏡的光線強(qiáng)度比CD透過圖像傳感器10表面半反射鏡的光線強(qiáng)度大，則C點像素接收到的信號比D點像素接收到的信號強(qiáng)，由此可以判定光線CD的傳播方向是由C點到D點，確定光線的傳播方向，即可唯一確定入射光線的方程。由于聚光鏡、半反射鏡的空間位置固定，故可以依次計算出光線CB、BA的直線方程。
AB為從激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的一條光線，其與動平臺的相互位置是始終不變的。只要再求出激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的另一條與AB不平行的光線的直線方程，就可以確定動平臺的位姿。
先接收到光線的像素C點信號強(qiáng)度比后接收到光線的像素D點信號強(qiáng)度大，但是當(dāng)BC入射角大而CD的入射角小時可能不滿足這一條件。還可以采取以下措施來確保以上條件的實現(xiàn)①合理設(shè)計結(jié)構(gòu)，保證當(dāng)BC的入射角過大時無法滿足兩塊圖像傳感器都接收到光脈沖；②軟件處理當(dāng)計算發(fā)現(xiàn)光線CD與接收到光脈沖信號的兩塊圖像傳感器之一的表面法線夾角過大時即入射角過大，舍棄本次接收到信號；③在半反射鏡表面安裝衰減片，則C點接收到的光線只一次經(jīng)過衰減片，而D點接收到的光線三次經(jīng)過衰減片，其光線強(qiáng)度衰減比C點大。
當(dāng)然，也可以先不判斷光線CD的傳播方向。則入射光線AB的直線方程有兩種解，相應(yīng)的定平臺的位姿有多種不同的解，再根據(jù)定平臺在前一時刻的位姿來判斷哪一種解是真解。但此方法計算困難，大大增加軟件的計算工作量。
在實際使用中，為了可靠地接收并識別不同方向的光線，光線接收系統(tǒng)至少包括3塊彼此成一定角度的圖像傳感器。
需要指出的是各個激光器發(fā)出的激光脈沖依次產(chǎn)生而不是同時產(chǎn)生，只有這樣才能識別光線接收系統(tǒng)接收到的光線是由哪一個激光器發(fā)出的。光線接收系統(tǒng)接收到的一條光線是動平臺在t0時刻位姿下發(fā)出的，而接收到的下一條光線是動平臺在t0+Δt時刻位姿下發(fā)出的，因此，根據(jù)光線的直線方程求出的動平臺的位姿有一定的誤差，盡管如此，由于動平臺的運動速度是有限的，并且相鄰激光脈沖之間的時間間隔足夠短，所以誤差是微不足道的。
由于測量過程不受定平臺運動過程的干擾，因此能夠動態(tài)地測量定平臺的位姿。
根據(jù)運動的相對性原理可知，把激光發(fā)射系統(tǒng)固定，而把光線接收系統(tǒng)與聚光鏡同動平臺固定在一起，隨動平臺一起運動，同樣可以實現(xiàn)動平臺位姿的確定。
該測量系統(tǒng)不僅可以用于測量動平臺的空間位姿，而且可以用于其它需要測量物體空間位姿的場合。
權(quán)利要求
1.空間運動物體位姿的動態(tài)測量裝置，其特征在于它主要由激光發(fā)射系統(tǒng)與光線接收系統(tǒng)組成，它們一個與待測量位姿的運動物體固定在一起，另一個相對于固定坐標(biāo)系不動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間運動物體位姿的動態(tài)測量裝置，其特征在于測量裝置主要由定平臺(1)、聚光鏡(2)、光線接收系統(tǒng)(3)，激光發(fā)射系統(tǒng)(6)、動平臺(7)組成，聚光鐿(2)和光線接收系統(tǒng)(3)固定在定平臺(1)上，激光發(fā)射系統(tǒng)(6)固定在動平臺(7)上，動平臺(7)上連接刀具系統(tǒng)(8)，定平臺(1)經(jīng)伸縮桿(5)連接動平臺(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間運動物體位姿的動態(tài)測量裝置，其特征在于光線接收系統(tǒng)(3)由多個以上彼此成一定角度的圖像傳感器(9、10)組成，每一塊圖像傳感器表面都有一塊半反射鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的空間運動物體位姿的動態(tài)測量裝置，其特征在于半反射鏡鏡表面有衰減片。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間運動物體位姿的動態(tài)測量裝置，其特征在于激光發(fā)射系統(tǒng)(6)由多個激光器構(gòu)成，激光器發(fā)出的光彼此互不平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間運動物體位姿的動態(tài)測量裝置的測量方法，其特征在于光線接收系統(tǒng)識別其所接收到的光線的方位，激光發(fā)射系統(tǒng)循環(huán)地依次向不同方向發(fā)射激光脈沖，在每一個循環(huán)內(nèi)，光線接收系統(tǒng)至少接收到兩個不同方向激光脈沖，并計算出激光光線的直線方程，根據(jù)物體上不平行的兩條直線的直線方程，即可求出該物體要坐標(biāo)系中的位姿。
全文摘要
本發(fā)明公開了空間運動物體位姿的動態(tài)測量裝置及方法，測量裝置主要由定平臺(1)、聚光鏡(2)、光線接收系統(tǒng)(3)，激光發(fā)射系統(tǒng)(6)、動平臺(7)組成，聚光鏡(2)和光線接收系統(tǒng)(3)固定在定平臺(1)上，激光發(fā)射系統(tǒng)(6)固定在動平臺(7)上，動平臺(7)上連接刀具系統(tǒng)(8)，定平臺(1)經(jīng)伸縮桿(5)連接動平臺(7)；聚光鏡(2)與光線接收系統(tǒng)(3)與定平臺(1)固定在一起，激光發(fā)射系統(tǒng)(6)與動平臺(7)固定在一起隨動平臺一起運動。本發(fā)明的測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，測量方法簡便易行，裝置與方法配合動態(tài)地精密測量空間運動物體的位姿，閉環(huán)地控制物體的空間運動，提高加工精度。
文檔編號G01B21/04GK1657871SQ20051003854
公開日2005年8月24日 申請日期2005年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月22日
發(fā)明者支前鋒, 劉遠(yuǎn)偉 申請人:淮陰工學(xué)院