專利名稱：一種二維姿態(tài)角的測量方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)測量領(lǐng)域，特別涉及一種二維姿態(tài)角的測量方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在機械制造、航空、航天、國防、建筑等部門中，姿態(tài)角是需要測量確定 的重要物理量。所謂姿態(tài)角，是指物體相對于參照物的空間方位角，姿態(tài)角的 測量通常釆用圓光柵法、環(huán)形激光測角法、光學(xué)內(nèi)反射小角度測量法、光電自 準(zhǔn)直測角法等。
在諸多的姿態(tài)角測量方法中，圓光柵法其原理是利用兩塊32400線的徑 向光柵安裝在0.5r/s的同一個軸套上，兩個讀數(shù)頭一個固定， 一個裝在轉(zhuǎn)臺上 連續(xù)旋轉(zhuǎn)，信號間的相位差變化與轉(zhuǎn)角成正比，儀器中用一個自準(zhǔn)直儀作為基 準(zhǔn)指示器，可以測得絕對角度，利用光柵細(xì)分原理可測360度范圍內(nèi)的任意角 度，附加零伺服機構(gòu)可以對轉(zhuǎn)臺進(jìn)行實時調(diào)整，限制零漂。
環(huán)形激光測角的基本原理是當(dāng)被檢量具和環(huán)形激光器相對于靜止的光電 自準(zhǔn)直儀同步轉(zhuǎn)動時，在瞄準(zhǔn)軸與量具棱面發(fā)現(xiàn)相重合的瞬間，被測角度轉(zhuǎn)換 成由光電流觸發(fā)和停止脈沖所需的時間間隔，接口裝置在此間隔內(nèi)對環(huán)形激光 脈沖讀數(shù)，根據(jù)讀數(shù)計算出被測角度。
以圓光柵法和環(huán)形激光法為代表的光學(xué)姿態(tài)角測量方法，雖然精度較高， 但對硬件條件要求苛刻，且只限于一維角度測量。
基于傳統(tǒng)光學(xué)方法與光電接收器件相結(jié)合的光電姿態(tài)角測量方法，例如 采用光電自準(zhǔn)直姿態(tài)角測量系統(tǒng)的光電自準(zhǔn)直測角方法，由于其良好的測量精 度和可操作性被廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)的光電自準(zhǔn)直姿態(tài)角測量系統(tǒng)均釆用激光光 源，如圖l所示，利用激光ll本身的方向性，以激光光強分布中心作為基準(zhǔn)直
5線，通過半透半反鏡12，經(jīng)反射鏡13反射和透鏡14聚焦成像在探測器15上,
通過對激光束光斑成像位置的探測實現(xiàn)姿態(tài)角的測量。
由于激光的方向性好，在一定工作距離內(nèi)，當(dāng)姿態(tài)角發(fā)生變化時，激光光 束將會有較大的偏移，從而需要大口徑的光學(xué)系統(tǒng)接收激光光束，隨著工作距
離的增加，所需光學(xué)系統(tǒng)的口徑也在增大。如在l米距離內(nèi)IO。的測角范圍， 所需的光學(xué)系統(tǒng)的口徑是175mm，所以一般光電自準(zhǔn)直姿態(tài)角測量系統(tǒng)的測角 范圍只能小于士5。，這樣，光學(xué)系統(tǒng)的口徑大大阻礙了傳統(tǒng)光電自準(zhǔn)直姿態(tài)角 測量系統(tǒng)對大量程測角范圍的設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種二維姿態(tài)角的測量方法和系統(tǒng),
使姿態(tài)角的測量能夠達(dá)到大量程的姿態(tài)角測角范圍。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的
本發(fā)明提供的 一 種二維姿態(tài)角的測量方法，該方法包括
將平行準(zhǔn)直光源的平行入射光線通過針孔光闌上的多個不對稱的陣列小孔
投射在圖像傳感器成像面上，形成多個光斑；
根據(jù)光斑成像區(qū)域，計算各光斑質(zhì)心在成像面的坐標(biāo)；根據(jù)各光斑質(zhì)心相
對位置關(guān)系，在各光斑為入射光線通過針孔光闌經(jīng)平面反射鏡反射在圖像傳感
器成像面上形成的反射光斑時，計算各光斑映射到虛擬擴展的成像面內(nèi)的質(zhì)心
坐標(biāo)；
根據(jù)各光斑質(zhì)心的坐標(biāo)和相應(yīng)陣列小孔的中心坐標(biāo)及系統(tǒng)焦距，通過三角 幾何方法計算出入射光線的二維姿態(tài)角。
上述方案中，所述計算各光斑質(zhì)心在成像面的坐標(biāo)之前，該方法進(jìn)一步包 括對針孔光闌、平面反射鏡和圖像傳感器的成像面進(jìn)行系統(tǒng)建模；
上述方案中，所述系統(tǒng)建模具體為取針孔光闌中心到圖像傳感器的成像 面的垂直點，作為圖像傳感器成像面的平面直角坐標(biāo)系的原點，計算出各陣列 小孔的中心坐標(biāo)、及平面反射鏡的位置。上述方案中，該方法進(jìn)一步包括在各光斑為入射光線直接通過針孔光闌 投射在圖像傳感器成像面上形成的正射光斑時，根據(jù)各光斑質(zhì)心的坐標(biāo)和相應(yīng) 陣列小孔的中心坐標(biāo)及系統(tǒng)焦距，通過三角幾何方法計算出入射光線的二維姿 態(tài)角。
上述方案中，所述計算出入射光線的二維姿態(tài)角具體為根據(jù)各光斑質(zhì)心 的坐標(biāo)和相應(yīng)陣列小孔的中心坐標(biāo)及系統(tǒng)焦距，通過三角幾何方法得到入射光 線的多個二維姿態(tài)角，將所有得到的二維姿態(tài)角取平均值作為入射光線的二維 姿態(tài)角。
本發(fā)明提供的一種二維姿態(tài)角的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 平行準(zhǔn)直光源，用于提供平行入射光；
成像單元，用于將平行準(zhǔn)直光源的平行入射光線通過多個不對稱的陣列小 孔投射在成像面上形成多個光斑，并將各光斑的成像區(qū)域傳送給計算機處理單
元；
計算機處理單元，用于根據(jù)成像單元傳來的各光斑的成像區(qū)域，計算出各 光斑的質(zhì)心坐標(biāo)，并根據(jù)各光斑的質(zhì)心的相對位置，在各光斑為經(jīng)過平面反射 鏡反射形成的反射光斑時，計算各光斑映射到虛擬擴展的成像面內(nèi)的質(zhì)心坐標(biāo)， 根據(jù)各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)和相應(yīng)陣列小孔的中心坐標(biāo)及系統(tǒng)焦距，通過三角幾何 的方法計算出二維姿態(tài)角。
上述方案中，所述成像單元進(jìn)一步包括
針孔光闌，用于利用多個不對稱的陣列小孔，在平行準(zhǔn)直光源的平行入射 光線照射時，在圖像傳感器的成像面上形成多個不對稱的光斑；
圖像傳感器，用于將各光斑成像區(qū)域的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，逐個傳送給 計算機處理單元；
平面反射鏡，用于將通過針孔光闌照射來的光線反射到圖像傳感器上。 上述方案中，所述計算機處理單元進(jìn)一步包括 質(zhì)心計算單元，用于通過一階矩質(zhì)心算法計算各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)； 光斑正反識別單元，用于根據(jù)各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)得到各光斑的質(zhì)心的相對位置，在經(jīng)過平面反射鏡反射形成反射光斑時，計算反射光斑映射到虛擬擴展
的成像面內(nèi)的質(zhì)心坐標(biāo)；
姿態(tài)角計算單元，用于根據(jù)預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)焦距、光斑正反識別單元傳送 的光斑質(zhì)心坐標(biāo)和針孔光闌的各陣列小孔的中心坐標(biāo)，釆用三角幾何的方法計 算出光線的二維姿態(tài)角。
上述方案中，所述計算機處理單元進(jìn)一步包括
系統(tǒng)建模單元，用于取針孔光闌中心到圖像傳感器的成像面的垂直點，作 為圖像傳感器成像面的平面直角坐標(biāo)系的原點，為針孔光闌、平面反射鏡和圖 像傳感器的成像面進(jìn)行系統(tǒng)建模，計算出各陣列小孔的中心坐標(biāo)、及平面反射 鏡的位置；還用于為質(zhì)心計算單元提供計算所需的直角坐標(biāo)系。
上述方案中，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括
接口單元，用于將成像單元得到的圖像數(shù)據(jù)按照所使用的接口傳送協(xié)議進(jìn) 行封裝，傳送到計算機處理單元。
上述方案中，所述光斑正反識別單元進(jìn)一步用于根據(jù)各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)， 得到各光斑的質(zhì)心的相對位置，在沒有經(jīng)過平面反射鏡反射而形成正射光斑時， 直接將各光班的質(zhì)心坐標(biāo)傳送給姿態(tài)角計算單元。
本發(fā)明所提供的二維姿態(tài)角測量方法和系統(tǒng)，以平行準(zhǔn)直光源為基準(zhǔn)光源， 具有多個不對稱的陣列小孔的針孔光闌作為光學(xué)系統(tǒng)，在圖像傳感器四周設(shè)置 一組高精度平面反射鏡，將平行準(zhǔn)直光源的大角度平行入射光通過針孔光闌， 經(jīng)過平面反射鏡的反射后投射在圖像傳感器成像面上形成光斑，計算光斑質(zhì)心 在成像面的平面直角坐標(biāo)系上的坐標(biāo)；并根據(jù)各陣列小孔的中心坐標(biāo)和預(yù)先設(shè) 定的系統(tǒng)焦距，通過三角幾何的方法計算出光線的二維姿態(tài)角。本發(fā)明的方法 避免了自準(zhǔn)直測角方法中激光光源及反射鏡對視場的約東，擴大了可用視場， 使姿態(tài)角的測量能夠達(dá)到大量程的測角范圍；并且，由于釆用平行準(zhǔn)直光源為 基準(zhǔn)光源和針孔光闌作為光學(xué)系統(tǒng)，使系統(tǒng)的設(shè)計與工作距離無關(guān)，避免了對 光學(xué)系統(tǒng)口徑的要求，無需龐大厚重的光學(xué)鏡頭。


圖l為傳統(tǒng)的光電自準(zhǔn)直姿態(tài)角測量系統(tǒng)的原理示意圖2為本發(fā)明中二維姿態(tài)角測量方法的實現(xiàn)流程示意圖； 圖3為本發(fā)明中二維姿態(tài)角測量方法的測量原理示意圖； 圖4為本發(fā)明中二維姿態(tài)角測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的基本思想是以平行準(zhǔn)直光源為基準(zhǔn)光源，具有多個不對稱的陣 列小孔的針孔光闌作為光學(xué)系統(tǒng)，在圖像傳感器四周設(shè)置一組高精度平面反射 鏡，根據(jù)需要達(dá)到的測角范圍預(yù)先設(shè)定系統(tǒng)焦距，將平行準(zhǔn)直光源的大角度平 行入射光通過針孔光闌，經(jīng)過平面反射鏡的反射后投射在圖像傳感器成像面上 形成光斑，計算光斑質(zhì)心在成像面的平面直角坐標(biāo)系上的坐標(biāo)；并根據(jù)各陣列 小孔的中心坐標(biāo)和預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)焦距，通過三角幾何的方法計算出光線的二 維姿態(tài)角。
其中，所述針孔光闌， 一般釆用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)在硅基片 上鍍膜蝕刻陣列小孔來實現(xiàn)，小孔直徑為100pm,孔間距600pm;為了識別正 射光斑和反射光斑，針孔光闌設(shè)計成多個不對稱的陣列小孔，在本發(fā)明的實施 例中釆用三個不對稱的陣列小孔，其分布如圖3所示。
所述預(yù)先設(shè)定系統(tǒng)焦距， 一般是根據(jù)圖像傳感器成像面的大小和所要達(dá)到 的測角范圍，進(jìn)行系統(tǒng)焦距設(shè)定，例如圖像傳感器成像面的長寬均為2a,所
要達(dá)到的測角范圍為士20。，平面反射鏡的高度H取= ^^^，為在沒有
2tanl(T
平面反射鏡時測角范圍為±10°所需系統(tǒng)焦距的一半，則系統(tǒng)焦距F為 如果想要更大的測角范圍，只要將焦距縮短到合適位置即可。 下面通過附圖及具體實施例對本發(fā)明再做進(jìn)一 步的詳細(xì)描述。本發(fā)明實現(xiàn)一種二維姿態(tài)角的測量方法，如圖2所示，該方法包括以下幾 個步驟
步驟201:對針孔光闌、平面反射鏡和圖像傳感器的成像面進(jìn)行系統(tǒng)建模;
具體的，對針孔光闌、平面反射鏡和成像面進(jìn)行系統(tǒng)建模實際就是在成像 面建立一平面直角坐標(biāo)系，如圖3所示，取針孔光闌中心Om到成像面的垂直 點Oc，作為成像面的平面直角坐標(biāo)系的原點，根據(jù)設(shè)定的三個不對稱的陣列小 孔到圖像傳感器的成像面的垂直投影，計算出三個不對稱的陣列小孔的中心坐 標(biāo)，分別為(A,乂)、 02，少2)、 (x3，j;3);同時，計算平面反射鏡在坐標(biāo)系上的 位置，在圖3中即為(0,力)；
步驟202:平行準(zhǔn)直光源的平行入射光入射，當(dāng)入射角較小時，通過針孔 光闌直接投射在圖像傳感器成像面上形成正射光斑，當(dāng)入射角較大時，通過針 孔光闌后將經(jīng)過平面反射鏡的反射，在圖像傳感器成像面上形成反射光斑；
步驟203:計算光斑質(zhì)心在圖像傳感器成像面的坐標(biāo)，識別正射光斑和反 射光斑，計算反射光斑映射到虛擬擴展的成像面內(nèi)的質(zhì)心坐標(biāo)；
具體的，對光斑質(zhì)心定位釆取一階矩質(zhì)心算法，即根據(jù)圖像傳感器釆集 的光斑的成像區(qū)域，將三個光斑的成像區(qū)域各分為M行N列，對其中一個光 斑逐行讀取光斑成像區(qū)域中各像素的灰度值F(x，力和在直角坐標(biāo)系上的坐標(biāo)
值(X力，按照公式(1)得到該光斑的質(zhì)心坐標(biāo)(X，兀)
xc 二 ;v 5
2E尸("，力少
- (1)
其中，公式(l)中，x K是求得的光斑質(zhì)心坐標(biāo)；x是x行y列像素的
10橫坐標(biāo)；y是x行y列像素的縱坐標(biāo)；F(x,力是x行y列像素的灰度值；按照
上述方法，分別求得三個光斑的質(zhì)心坐標(biāo)；
并根據(jù)三個光斑的質(zhì)心的相對位置，判斷是否為反射光斑，如圖3所示， 如果為反射光斑，則將三個光斑的質(zhì)心坐標(biāo)映射到虛擬擴展的成像面內(nèi)，即 將平面反射鏡的位置的Yc軸坐標(biāo)乘以2,再減去質(zhì)心坐標(biāo)的Yc軸坐標(biāo)，作為 映射在虛擬擴展的成像面的質(zhì)心坐標(biāo)的Yc軸坐標(biāo)，其中，Xc軸坐標(biāo)保持不變， 最后得到的三個光斑的質(zhì)心坐標(biāo)分別為0d，7d)、 (Xc2，少c2)、 (xe3,7c3)。
其中，在本步驟中，在平面反射鏡與圖像傳感器成像面的連接處，有可能 出現(xiàn)三個光斑不同時為反射光斑或正射光斑和光斑重疊的情況，此時，可以把 形成的光斑作為正射光斑，因為針孔光闌本身很小，將不會對結(jié)果有很大影響。
步驟204:根據(jù)步驟203中光斑的質(zhì)心坐標(biāo)、步驟201中的陣列小孔的中 心坐標(biāo)和預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)焦距F,通過三角幾何的方法計算出光線的二維姿態(tài) 角；
具體的，如圖3所示，設(shè)光線在系統(tǒng)建模的平面直角坐標(biāo)系的x軸和y軸 方向上的入射角分別為(a， p),則根據(jù)預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)焦距F，以及步驟203 中的光斑的質(zhì)心坐標(biāo)0d，7d)、 (xc2,X2)、 Oc3,J^)和步驟201中的陣列小孔 的中心坐標(biāo)(a,^)、 (X2，a)、 (x3,_y3)，按照公式(2)得到a和(3:
"2 = arctan( f ) A = arctan(^^_)
a3 = aretan(^3;^3)
ii<^ + or, + a, <^ = ~*-^-^
3 3
其中，這里設(shè)定陣列小孔1的中心坐標(biāo)為(Xp^),其相應(yīng)的光斑的質(zhì)心坐
標(biāo)為(X"7d);陣列小孔2的中心坐標(biāo)為02，少2)，其相應(yīng)的光斑的質(zhì)心坐標(biāo)為 Oc2，x2);陣列小孔2的中心坐標(biāo)為03，少3),其相應(yīng)的光斑的質(zhì)心坐標(biāo)為 <X3,X3);得到的a和p即為二維姿態(tài)角。
為實現(xiàn)上述方法，本發(fā)明還提供一種二維姿態(tài)角的測量系統(tǒng)，如圖4所示，
該系統(tǒng)包括平行準(zhǔn)直光源41、成像單元42、計算機處理單元43;其中， 平行準(zhǔn)直光源41，用于提供平行入射光；
成像單元42,用于將平行準(zhǔn)直光源41的平行入射光通過多個不對稱的陣 列小孔投射在成像面上，形成多個光斑；并將各光斑的成像區(qū)域傳送給計算機 處理單元43;
計算機處理單元43，用于對成像單元42進(jìn)行系統(tǒng)建模，計算出各陣列小 孔的中心坐標(biāo)，根據(jù)圖像傳感器釆集的光斑的成像區(qū)域，計算各光斑的質(zhì)心坐 標(biāo)，并根據(jù)各光斑的質(zhì)心的相對位置，確定各光斑是否為反射光斑，是反射光 斑則計算各光斑映射到虛擬擴展的成像面內(nèi)的質(zhì)心坐標(biāo)，根據(jù)各光斑的質(zhì)心坐 標(biāo)和相應(yīng)陣列小孔的中心坐標(biāo)及系統(tǒng)焦距F,通過三角幾何的方法計算出二維 姿態(tài)角；
所述成像單元42進(jìn)一步包括針孔光闌421、圖像傳感器422、平面反射 鏡423;
針孔光闌421，用于利用多個不對稱的陣列小孔，在平行準(zhǔn)直光源41的平 行入射光照射時，在圖像傳感器422的成像面上形成多個不對稱的光斑；圖像傳感器422,用于將各光斑成像區(qū)域的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，逐個傳
送給計算機處理單元43;
平面反射鏡423,用于將通過針孔光闌421照射來的光線反射到圖像傳感 器422上；
所述計算機處理單元43進(jìn)一步包括質(zhì)心計算單元431、光斑正反識別單 元432、姿態(tài)角計算單元433;其中，
質(zhì)心計算單元431，用于通過一階矩質(zhì)心算法計算各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)；
光斑正反識別單元432，用于根據(jù)各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)，得到各光斑的質(zhì)心 的相對位置，判斷是否為反射光斑，如果是，則根據(jù)平面反射鏡423的位置將 反射光斑的質(zhì)心坐標(biāo)映射到虛擬擴展的成像面內(nèi)，作為光斑的質(zhì)心坐標(biāo)；
姿態(tài)角計算單元433,用于根據(jù)預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)焦距、光斑正反識別單元 432傳送的光斑質(zhì)心坐標(biāo)和針孔光闌421的各陣列小孔的中心坐標(biāo)，釆用三角 幾何的方法計算出光線的二維姿態(tài)角；
所述成像單元42進(jìn)一步包括圖像傳感器驅(qū)動單元424,用于對圖像傳感器 422進(jìn)行驅(qū)動；
所述計算機處理單元43進(jìn)一步包括系統(tǒng)建模單元434，用于取針孔光鬧421 中心到圖像傳感器422的成像面的垂直點，作為圖像傳感器422成像面的平面 直角坐標(biāo)系的原點，計算出各陣列小孔的中心坐標(biāo)、及平面反射鏡423的位置；
所述系統(tǒng)建模單元434,還用于為質(zhì)心計算單元431提供計算所需的直角 坐標(biāo)系；
所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括接口單元44，用于將成像單元42得到的圖像數(shù)據(jù)按 照所使用的接口傳送協(xié)議進(jìn)行封裝，傳送到計算機處理單元43。
此外，所述系統(tǒng)中圖像傳感器422、圖像傳感器驅(qū)動單元424及接口單元 44可集成在可編程邏輯陣列(FPGA)中。
以上所述， 僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范 圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng) 包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種二維姿態(tài)角的測量方法，其特征在于，該方法包括將平行準(zhǔn)直光源的平行入射光線通過針孔光闌上的多個不對稱的陣列小孔投射在圖像傳感器成像面上，形成多個光斑；根據(jù)光斑成像區(qū)域，計算各光斑質(zhì)心在成像面的坐標(biāo)；根據(jù)各光斑質(zhì)心相對位置關(guān)系，在各光斑為入射光線通過針孔光闌經(jīng)平面反射鏡反射在圖像傳感器成像面上形成的反射光斑時，計算各光斑映射到虛擬擴展的成像面內(nèi)的質(zhì)心坐標(biāo)；根據(jù)各光斑質(zhì)心的坐標(biāo)和相應(yīng)陣列小孔的中心坐標(biāo)及系統(tǒng)焦距，通過三角幾何方法計算出入射光線的二維姿態(tài)角。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述計算各光斑質(zhì)心在成像 面的坐標(biāo)之前，該方法進(jìn)一步包括對針孔光闌、平面反射鏡和圖像傳感器的 成像面進(jìn)行系統(tǒng)建模； 所述系統(tǒng)建模具體為取針孔光闌中心到圖像傳感器的成像面的垂直點， 作為圖像傳感器成像面的平面直角坐標(biāo)系的原點，計算出各陣列小孔的中心坐 標(biāo)、及平面反射鏡的位置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括在各光 斑為入射光線直接通過針孔光闌投射在圖像傳感器成像面上形成的正射光斑 時，根據(jù)各光斑質(zhì)心的坐標(biāo)和相應(yīng)陣列小孔的中心坐標(biāo)及系統(tǒng)焦距，通過三角 幾何方法計算出入射光線的二維姿態(tài)角。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的方法，其特征在于，所述計算出入射光 線的二維姿態(tài)角具體為根據(jù)各光斑質(zhì)心的坐標(biāo)和相應(yīng)陣列小孔的中心坐標(biāo)及 系統(tǒng)焦距，通過三角幾何方法得到入射光線的多個二維姿態(tài)角，將所有得到的 二維姿態(tài)角取平均值作為入射光線的二維姿態(tài)角。
5、 一種二維姿態(tài)角的測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括 平行準(zhǔn)直光源，用于提供平行入射光；成像單元，用于將平行準(zhǔn)直光源的平行入射光線通過多個不對稱的陣列小 孔投射在成像面上形成多個光斑，并將各光斑的成像區(qū)域傳送給計算機處理單元；計算機處理單元，用于根據(jù)成像單元傳來的各光斑的成像區(qū)域，計算出各 光斑的質(zhì)心坐標(biāo)，并根據(jù)各光斑的質(zhì)心的相對位置，在各光斑為經(jīng)過平面反射 鏡反射形成的反射光斑時，計算各光斑映射到虛擬擴展的成像面內(nèi)的質(zhì)心坐標(biāo)， 根據(jù)各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)和相應(yīng)陣列小孔的中心坐標(biāo)及系統(tǒng)焦距，通過三角幾何 的方法計算出二維姿態(tài)角。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述成像單元進(jìn)一步包括 針孔光闌，用于利用多個不對稱的陣列小孔，在平行準(zhǔn)直光源的平行入射光線照射時，在圖像傳感器的成像面上形成多個不對稱的光斑；圖像傳感器，用于將各光斑成像區(qū)域的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，逐個傳送給 計算機處理單元；平面反射鏡，用于將通過針孔光闌照射來的光線反射到圖像傳感器上。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機處理單元進(jìn)一步包括質(zhì)心計算單元，用于通過一階矩質(zhì)心算法計算各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)；光斑正反識別單元，用于根據(jù)各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)得到各光辨的質(zhì)心的相對 位置，在經(jīng)過平面反射鏡反射形成反射光斑時，計算反射光斑映射到虛擬擴展的成像面內(nèi)的質(zhì)心坐標(biāo)；姿態(tài)角計算單元，用于根據(jù)預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)焦距、光斑正反識別單元傳送 的光斑質(zhì)心坐標(biāo)和針孔光闌的各陣列小孔的中心坐標(biāo)，釆用三角幾何的方法計 算出光線的二維姿態(tài)角。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機處理單元進(jìn)一步 包括、系統(tǒng)建模單元，用于取針孔光闌中心到圖像傳感器的成像面的垂直點，作 為圖像傳感器成像面的平面直角坐標(biāo)系的原點，為針孔光闌、平面反射鏡和圖像傳感器的成像面進(jìn)行系統(tǒng)建模，計算出各陣列小孔的中心坐標(biāo)、及平面反射 鏡的位置；還用于為質(zhì)心計算單元提供計算所需的直角坐標(biāo)系。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5至8所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括接口單元，用于將成像單元得到的圖像數(shù)據(jù)按照所使用的接口傳送協(xié)議進(jìn) 行封裝，傳送到計算機處理單元。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光斑正反識別單元進(jìn) 一步用于根據(jù)各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)，得到各光斑的質(zhì)心的相對位置，在沒有經(jīng)過 平面反射鏡反射而形成正射光斑時，直接將各光班的質(zhì)心坐標(biāo)傳送給姿態(tài)角計 算單元。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二維姿態(tài)角的測量方法，通過以平行準(zhǔn)直光源為基準(zhǔn)光源，具有多個不對稱的陣列小孔的針孔光闌作為光學(xué)系統(tǒng)，在圖像傳感器四周設(shè)置一組高精度平面反射鏡，將平行準(zhǔn)直光源的大角度平行入射光通過針孔光闌，經(jīng)過平面反射鏡的反射后投射在圖像傳感器成像面上形成光斑，計算光斑質(zhì)心在成像面的平面直角坐標(biāo)系上的坐標(biāo)，并根據(jù)各陣列小孔的中心坐標(biāo)和預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)焦距，通過三角幾何的方法計算出光線的二維姿態(tài)角；本發(fā)明同時公開了一種二維姿態(tài)角的測量系統(tǒng)；通過本發(fā)明的方法使姿態(tài)角的測量能夠達(dá)到大量程的測角范圍，并且由于采用平行準(zhǔn)直光源為基準(zhǔn)光源和針孔光闌作為光學(xué)系統(tǒng)，使系統(tǒng)的設(shè)計與工作距離無關(guān)。
文檔編號G01C1/00GK101666640SQ20091009366
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月27日
發(fā)明者張廣軍, 潔 江, 王昊予 申請人:北京航空航天大學(xué)