專利名稱：一種三維姿態(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)明涉及姿態(tài)角的測量技術(shù)，尤其涉及一種三維姿態(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。在諸多姿態(tài)角測量方法中，以圓光柵法 和環(huán)形激光法為代表的光學(xué)測角方法雖然精度較高，但對硬件條件要求苛刻，且只限于一 維角度測量。目前的三維姿態(tài)角測量方法相對比較少，張之江等人基于雙反射面自準(zhǔn)直系 統(tǒng)的測量原理提出了一種三維小角度測量系統(tǒng)模型，如圖1所示，反射面I與反射面II具 有設(shè)定的空間夾角，通過準(zhǔn)直透鏡將反射光線在CCD面上成像，這種基于雙反射面自準(zhǔn)直 系統(tǒng)的測量原理特點是它能分辨Y角的微小變動量，從而實現(xiàn)了對空間三維小角度的測 量。但是這種三維姿態(tài)角的測量缺點是量程較小，對系統(tǒng)的設(shè)計精度要求很高。

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三維姿態(tài)角的測量方法和系統(tǒng)，能夠 使三維姿態(tài)角的測量達到大量程的測角范圍。為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明提供的一種三維姿態(tài)角的測量方法，該方法包括將兩路平行光線經(jīng)針孔光闌在圖像傳感器上形成光斑圖像；對所有光斑進行分組識別，根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的光斑質(zhì)心坐標(biāo)分別獲得 對應(yīng)的二維姿態(tài)角；根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的二維姿態(tài)角，基于雙矢量定姿原理得到三維姿態(tài) 角。上述方案中，所述針孔光闌采用多個陣列小孔；所述兩路平行光線具有不同的光照強度和固定的夾角，并以不同的入射角通過所 述針孔光闌。上述方案中，所述對所有光斑進行分組識別為計算各光斑的最大灰度值，根據(jù)各 光斑的最大灰度值的大小將所有光斑平均分成兩組，光照強度大的平行光線對應(yīng)最大灰度 值大的一組光斑，光照強度小的平行光線對應(yīng)最大灰度值小的一組光斑。上述方案中，所述根據(jù)各光斑的最大灰度值的大小將所有光斑平均分成兩組，為 將每個光斑的最大灰度值按照從大到小的順序排列，將排列好的光斑從中間分為兩組。上述方案中，該方法進一步包括在對所有光斑進行分組識別之后，根據(jù)針孔光闌 各小孔的位置關(guān)系及對應(yīng)同一路平行光線的各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)，將計算光斑質(zhì)心坐標(biāo)時得 到的質(zhì)心標(biāo)記和計算二維姿態(tài)角時所需的光斑標(biāo)記進行一一對應(yīng)。本發(fā)明提供的一種三維姿態(tài)角的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括成像單元、計算機處理單 元；其中；
成像單元，用于將兩路平行光線經(jīng)針孔光闌在圖像傳感器件上形成光斑圖像，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，用于對所有光斑進行分組識別，根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的 光斑的質(zhì)心坐標(biāo)分別獲得對應(yīng)的二維姿態(tài)角；之后根據(jù)所述二維姿態(tài)角，基于雙矢量定姿 原理得到三 維姿態(tài)角。上述方案中，所述成像單元包括針孔光闌、圖像傳感器；其中，針孔光闌，有多個陣列小孔，用于在兩路平行光線通過時，在圖像傳感器上形成多 個光斑；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。上述方案中，所述計算機處理單元包括系統(tǒng)建模單元、質(zhì)心計算單元、光斑分組 識別單元、二維姿態(tài)角計算單元、三維姿態(tài)角計算單元；其中，系統(tǒng)建模單元，用于對針孔光闌和圖像傳感器成像面進行系統(tǒng)建模；質(zhì)心計算單元，用于根據(jù)各光斑的成像區(qū)域，計算各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)；光斑分組識別單元，用于對所有光斑進行分組識別；二維姿態(tài)角計算單元，用于根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的光斑質(zhì)心坐標(biāo)，計算出 兩路平行光線分別對應(yīng)的二維姿態(tài)角；三維姿態(tài)角計算單元，用于根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的二維姿態(tài)角，基于雙矢 量定姿原理得到三維姿態(tài)角。上述方案中，所述光斑分組識別單元，具體用于計算各光斑的最大灰度值，根據(jù)各 光斑的最大灰度值的大小將所有光斑平均分成兩組，光照強度大的平行光線對應(yīng)最大灰度 值大的一組光斑，光照強度小的平行光線對應(yīng)最大灰度值小的一組光斑。上述方案中，所述光斑分組識別單元，還用于根據(jù)針孔光闌各小孔的位置關(guān)系及 對應(yīng)同一路平行光線的各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)，將計算光斑質(zhì)心坐標(biāo)時得到的質(zhì)心標(biāo)記和計算 二維姿態(tài)角時所需的光斑標(biāo)記進行一一對應(yīng)。本發(fā)明提供的一種三維姿態(tài)角的測量方法和系統(tǒng)，將兩路平行光線經(jīng)針孔光闌在 圖像傳感器上形成光斑圖像；對所有光斑進行分組識別，根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的光 斑質(zhì)心坐標(biāo)分別獲得對應(yīng)的二維姿態(tài)角；之后根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的二維姿態(tài)角， 基于雙矢量定姿原理得到三維姿態(tài)角；如此，使三維姿態(tài)角的測量能夠達到大量程的測角 范圍；并且，由于采用兩路平行光線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)。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一種三維小角度測量系統(tǒng)模型的示意圖；圖2為本發(fā)明實現(xiàn)三維姿態(tài)角的測量方法的流程示意圖；圖3為本發(fā)明對針孔光闌和圖像傳感器的成像面進行系統(tǒng)建模的示意圖；圖4為本發(fā)明中對兩路平行光線通過針孔光闌形成的六個光斑進行分組識別及 將光斑標(biāo)記和質(zhì)心標(biāo)記進行一一對應(yīng)的示意圖；圖5為本發(fā)明中通過雙矢量定姿原理得到三維姿態(tài)角的原理示意圖6為本發(fā)實現(xiàn)三維姿態(tài)角的測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的基本思想是將兩路平行光線經(jīng)針孔光闌在圖像傳感器上形成光斑圖 像；對所有光斑進行分組識別，根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的光斑質(zhì)心坐標(biāo)分別獲得對應(yīng) 的二維姿態(tài)角；之后根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的二維姿態(tài)角，基于雙矢量定姿原理得到 三維姿態(tài)角。下面通過附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。 本發(fā)明實現(xiàn)三維姿態(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 將兩路平行光線經(jīng)針孔光闌在圖像傳感器成像面上形成光斑圖像；本步驟中，所述針孔光闌，一般采用微電子機械系統(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100 μ m，孔間距600 μ m ；針孔光闌設(shè)計成多個陣列小孔， 在本發(fā)明的實施例中針孔光闌模式是采用三個陣列小孔，其分布如圖3中針孔光闌模式所 示；所述兩路平行光線具有不同的光照強度和固定的夾角，并以不同的入射角通過所 述針孔光闌；圖3中F表示系統(tǒng)焦距，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 到的測角范圍進行設(shè)定的。步驟202 對所有光斑進行分組識別，根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的光斑的質(zhì)心 坐標(biāo)分別獲得對應(yīng)的二維姿態(tài)角；具體的，對針孔光闌和圖像傳感器的成像面進行系統(tǒng)建模，如圖3所示，在成像面 建立一平面直角坐標(biāo)系作為傳感器的像空間坐標(biāo)系，取針孔光闌中心Om到成像面的垂直 點0c，作為像空間坐標(biāo)系的原點；根據(jù)各光斑的成像區(qū)域，通過一階矩質(zhì)心算法計算各光 斑的質(zhì)心坐標(biāo)，并對所有光斑進行分組識別，確定兩路平行光線各自對應(yīng)的光斑，通過三角 幾何的方法計算出兩路平行光線分別對應(yīng)的二維姿態(tài)角；所述對所有光斑進行分組識別為計算各光斑的最大灰度值，根據(jù)各光斑的最大 灰度值的大小將所有光斑平均分成兩組，光照強度大的平行光線對應(yīng)最大灰度值大的一組 光斑，光照強度小的平行光線對應(yīng)最大灰度值小的一組光斑；具體的，兩路平行光線的光照強度不一致，設(shè)置平行光線1的光照強度為I，平行 光線2的光照強度為0. 51，兩路平行光線在圖像傳感器的成像面上的成像光斑的最大灰度 值不同，根據(jù)最大灰度值的大小將光斑分為兩組，包括設(shè)max_pix (i)代表第i個光斑的最大灰度值，將每個光斑的maX_piX (i)按照從 大到小的順序排列，將排列好的光斑從中間分為兩組，平行光線1對應(yīng)最大灰度值大的一 組光斑，平行光線2對應(yīng)最大灰度值小的一組光斑，如圖3中的針孔光闌形成的六個光斑， 將六個光斑的maX_piX(i)按照從大到小的順序排列，取排在前三位的光斑為第一組，如 max_pix(l)、max_pix(2)、max_pix(3)排在前三位，則為第一組，對應(yīng)光線 1 ；max_pix(4)、 max_pix(5),max_pix(6)排在后三位，則為第二組，對應(yīng)光線2 ；進一步的，在對所有光斑進行分組識別之后，本步驟還包括根據(jù)針孔光闌各小孔 的位置關(guān)系及對應(yīng)同一路平行光線的各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)，將光斑標(biāo)記和質(zhì)心標(biāo)記進行一一對應(yīng)；所述質(zhì)心標(biāo)記為計算光斑的質(zhì)心坐標(biāo)時得到的光斑質(zhì)心的一個標(biāo)記，該標(biāo)記值表示 以圖像橫縱坐標(biāo)為基準(zhǔn)的光斑的質(zhì)心順序，以六個光斑為例，帶有質(zhì)心標(biāo)記的質(zhì)心坐標(biāo)依
次為(X1, Y1)、(χ2, ι2).......(χ6, y6)；所述光斑標(biāo)記為對每路平行光線所對應(yīng)的光斑的標(biāo)
記，以下標(biāo)1、2區(qū)分兩路平行光線所成的六個光斑的光斑標(biāo)記為A” BpCpAyByQ。所述根據(jù)針孔光闌各小孔的位置關(guān)系及對應(yīng)同一路平行光線的各光斑的質(zhì)心坐 標(biāo)，將光斑標(biāo)記和質(zhì)心標(biāo)記進行一一對應(yīng)，具體為以圖3中的針孔光闌為例，在安裝針孔光闌時將光闌直角邊與成像面直角坐標(biāo)對 應(yīng)，對于對應(yīng)同一平行光線的三個光斑，永遠是光斑A和光斑B的縱坐標(biāo)相似，光斑B和光 斑C的橫坐標(biāo)相似。定義集合L(dx)和L(dy)，分別表示每兩個質(zhì)心橫坐標(biāo)之間的距離集合 以及每兩個質(zhì)心縱坐標(biāo)之間的距離集合，距離最小的兩個坐標(biāo)最相似，如公式(1)所示
權(quán)利要求
1.一種三維姿態(tài)角的測量方法，其特征在于，該方法包括 將兩路平行光線經(jīng)針孔光闌在圖像傳感器上形成光斑圖像；對所有光斑進行分組識別，根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的光斑質(zhì)心坐標(biāo)分別獲得對應(yīng) 的二維姿態(tài)角；根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的二維姿態(tài)角，基于雙矢量定姿原理得到三維姿態(tài)角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述針孔光闌采用多個陣列小孔； 所述兩路平行光線具有不同的光照強度和固定的夾角，并以不同的入射角通過所述針孔光闌。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述對所有光斑進行分組識別為計 算各光斑的最大灰度值，根據(jù)各光斑的最大灰度值的大小將所有光斑平均分成兩組，光照 強度大的平行光線對應(yīng)最大灰度值大的一組光斑，光照強度小的平行光線對應(yīng)最大灰度值 小的一組光斑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量方法，其特征在于，所述根據(jù)各光斑的最大灰度值的大 小將所有光斑平均分成兩組，為將每個光斑的最大灰度值按照從大到小的順序排列，將排 列好的光斑從中間分為兩組。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量方法，其特征在于，該方法進一步包括在對所有光斑 進行分組識別之后，根據(jù)針孔光闌各小孔的位置關(guān)系及對應(yīng)同一路平行光線的各光斑的質(zhì) 心坐標(biāo)，將計算光斑質(zhì)心坐標(biāo)時得到的質(zhì)心標(biāo)記和計算二維姿態(tài)角時所需的光斑標(biāo)記進行 --對應(yīng)。
6.一種三維姿態(tài)角的測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括成像單元、計算機處理單 元；其中；成像單元，用于將兩路平行光線經(jīng)針孔光闌在圖像傳感器件上形成光斑圖像，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，用于對所有光斑進行分組識別，根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的光斑 的質(zhì)心坐標(biāo)分別獲得對應(yīng)的二維姿態(tài)角；之后根據(jù)所述二維姿態(tài)角，基于雙矢量定姿原理 得到三維姿態(tài)角。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述成像單元包括針孔光闌、圖像 傳感器；其中，針孔光闌，有多個陣列小孔，用于在兩路平行光線通過時，在圖像傳感器上形成多個光斑；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。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機處理單元包括系統(tǒng) 建模單元、質(zhì)心計算單元、光斑分組識別單元、二維姿態(tài)角計算單元、三維姿態(tài)角計算單元； 其中，系統(tǒng)建模單元，用于對針孔光闌和圖像傳感器成像面進行系統(tǒng)建模； 質(zhì)心計算單元，用于根據(jù)各光斑的成像區(qū)域，計算各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)； 光斑分組識別單元，用于對所有光斑進行分組識別；二維姿態(tài)角計算單元，用于根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的光斑質(zhì)心坐標(biāo)，計算出兩路平行光線分別對應(yīng)的二維姿態(tài)角；三維姿態(tài)角計算單元，用于根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的二維姿態(tài)角，基于雙矢量定 姿原理得到三維姿態(tài)角。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光斑分組識別單元，具體用于計 算各光斑的最大灰度值，根據(jù)各光斑的最大灰度值的大小將所有光斑平均分成兩組，光照 強度大的平行光線對應(yīng)最大灰度值大的一組光斑，光照強度小的平行光線對應(yīng)最大灰度值 小的一組光斑。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光斑分組識別單元，還用于根 據(jù)針孔光闌各小孔的位置關(guān)系及對應(yīng)同一路平行光線的各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)，將計算光斑質(zhì) 心坐標(biāo)時得到的質(zhì)心標(biāo)記和計算二維姿態(tài)角時所需的光斑標(biāo)記進行一一對應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維姿態(tài)角的測量方法，將兩路平行光線經(jīng)針孔光闌在圖像傳感器上形成光斑圖像；對所有光斑進行分組識別，根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的光斑質(zhì)心坐標(biāo)分別獲得對應(yīng)的二維姿態(tài)角；之后根據(jù)兩路平行光線各自對應(yīng)的二維姿態(tài)角，基于雙矢量定姿原理得到三維姿態(tài)角；本發(fā)明同時還公開了一種三維姿態(tài)角的測量系統(tǒng)，通過本發(fā)明的方案，使三維姿態(tài)角的測量能夠達到大量程的測角范圍；并且，由于采用兩路平行光線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G01C1/00GK102135421SQ20101060650
公開日2011年7月27日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者張廣軍, 江潔, 王昊予, 王英雷 申請人:北京航空航天大學(xué)