一種三維小角度測量裝置及其用于動態(tài)測量三維角度變化量的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三維小角度測量裝置及其用于動態(tài)測量三維角度變化量的方法。三維小角度測量裝置包括發(fā)射/接收裝置、反射裝置和數(shù)據(jù)處理計算機，發(fā)射/接收裝置包括LED光源、十字型通光孔、分光棱鏡A、測量鏡頭和光電探測器。LED光源發(fā)出的光，通過十字型通光、分光棱鏡A后，再經(jīng)測量鏡頭準直后入射至反射裝置的反射面，然后反射回測量鏡頭，最后經(jīng)分光棱鏡A入射到光電探測器。本發(fā)明提出的裝置能分辨滾動角的微小變動量，實現(xiàn)對空間三維小角度的測量；準直光發(fā)射和接收共用一個測量鏡頭，光學(xué)結(jié)構(gòu)簡單緊湊；利用多矢量姿態(tài)估計的算法計算姿態(tài)矩陣，獲得三維角度的實時變化量，具有計算量小精度高的特點。
【專利說明】一種三維小角度測量裝置及其用于動態(tài)測量三維角度變化量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)精密測量領(lǐng)域，尤其涉及一種三維角度測量裝置及其用于精確測量三維小角度變化量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]角度測量是工業(yè)生產(chǎn)、質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)中至關(guān)重要的一步，通?？梢苑譃殪o態(tài)測量和動態(tài)測量兩種。靜態(tài)測量是指對加工或裝配成的零組件角度以及儀器轉(zhuǎn)動后恢復(fù)至靜態(tài)等條件下的角位置的測量。動態(tài)角度測量是指對物體或系統(tǒng)在運動過程中，即設(shè)備在一定角速度和角加速度運動條件下的實時角度信號的測量，如衛(wèi)星軌道對地球赤道面的夾角、精密設(shè)備主軸轉(zhuǎn)動時的軸線角漂移。
[0003]小角度測量一般指10°以下甚至幾十角秒的角度測量，其特點是測量范圍小、測量精度高，測量誤差一般為I"?r，甚至可達0.1"或更小。光學(xué)測量方法具有測量準確度高和非接觸測量以及靈敏度高等特點，被廣泛應(yīng)用于小角度的測量，在某些場合下正在逐漸取代傳統(tǒng)的機械式和電磁式測量方法。目前，常用的光學(xué)測角方法主要有光學(xué)分度頭法、多面棱體法、光電編碼法、自準直法、平行干涉圖法、圓光柵法、光學(xué)內(nèi)反射法、激光干涉法以及環(huán)形激光法等。其中，光學(xué)準直法(包括自準直法)是一種應(yīng)用相對較多的高精度小角度的測量方法。其優(yōu)點是，原理簡單，應(yīng)用較為方便，測量精度和測量靈敏度高。但是，上述的測角方法通常只適用于一維或二維角度測量，不能實現(xiàn)對滾轉(zhuǎn)角的測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種非接觸式的三維小角度測量裝置及其用于精確測量三維小角度變化量的方法，以實現(xiàn)待測點與基準之間三維小角度變化量的高精度(角秒級)動態(tài)測量。
[0005]本發(fā)明的三維小角度測量裝置，包括發(fā)射/接收裝置、反射裝置和數(shù)據(jù)處理計算機。發(fā)射/接收裝置包括LED光源、十字型通光孔、分光棱鏡A、測量鏡頭和光電探測器。LED光源發(fā)出的光，通過十字型通光、分光棱鏡A后，再經(jīng)測量鏡頭準直后入射至反射裝置的反射面，然后反射回測量鏡頭，最后經(jīng)分光棱鏡A入射到光電探測器；數(shù)據(jù)處理計算機與光電探測器連通，實時采集圖像數(shù)據(jù)并解算反射裝置相對于發(fā)射/接收裝置的三維角度變化量。
[0006]所述的L ED光源中心波長為632.8nm ；
所述的十字型通光孔位于測量鏡頭與分光棱鏡A組合而成的光具組的焦點位置；
所述的分光棱鏡A邊長為20mm，玻璃材料為BK7，與測量鏡頭同軸安裝，與測量鏡頭最后一個光學(xué)面相距35.5mm ；
所述的測量鏡頭包含6個普通球面鏡透鏡，所述6個球面鏡透鏡的球面形狀、厚度、材料參數(shù)為:曲面1:曲率半徑167.731mm，厚度20.468mm, 口徑100mm，玻璃折射率1.43，玻璃阿貝系數(shù)95.0 ;
曲面2:曲率半徑-286.907mm, 口徑IOOmm ；
間隔 I:17.482mm ；
曲面3:曲率半徑-247.520mm，厚度8.344mm, 口徑100mm，玻璃折射率1.80，玻璃阿貝系數(shù)42.4 ；
曲面4:曲率半徑1255.162mm, 口徑IOOmm ；
間隔 2:11.083mm
曲面5:曲率半徑137.666mm，厚度13.163mm, 口徑85mm，玻璃折射率1.49，玻璃阿貝系數(shù) 70.4 ;
曲面6:曲率半徑1571.168mm, 口徑85mm ；
間隔 3:144.138mm ；
曲面7:曲率半徑-94.840mm，厚度4.504mm, 口徑40mm，玻璃折射率1.52，玻璃阿貝系數(shù) 64.1 ;
曲面8:曲率半徑-135.891mm, 口徑40mm ；
間隔 4:48.151mm ；
曲面9:曲率半徑-69.725，厚度4.914mm, 口徑40mm，玻璃折射率1.71，玻璃阿貝系數(shù)53.8 ；
曲面10:曲率半徑126.670，口徑40mm ；
間隔 5:3.589mm
曲面11:曲率半徑109.210，厚度18.861mm, 口徑40mm，玻璃折射率1.59，玻璃阿貝系數(shù) 35.5 ;
曲面12:曲率半徑-123.015，口徑40mm ；
所述的光電探測器的光敏面位于測量鏡頭與分光棱鏡A組合而成的光具組的離焦面上，所述的離焦面在不同視場位置的彌散斑90%能量集中于5X5探測器像元的內(nèi)，且不同視場位置點列圖均方根半徑值的差值小于Iym;
所述反射裝置，包括四個平面反射鏡和一個分光棱鏡B，四個平面反射鏡兩個為一組，組成夾角為180° - 2Φ的組合反射鏡A和組合反射鏡B，分布于分光棱鏡B的相鄰兩則；發(fā)射/接收裝置發(fā)出的平行光經(jīng)分光棱鏡B后分成兩束，分別入射至組合反射鏡A和組合反射鏡B，反射光再次經(jīng)分光棱鏡B后返回，返回發(fā)射/接收裝置。
[0007]用本發(fā)明的裝置動態(tài)測量三維小角度變化量的方法，其特征在于，包括以下步驟:
(I)建立坐標系:
建立基準坐標系F、光電探測器成像面坐標系MV、組合反射鏡A和B對應(yīng)的坐標系FA和FB如下:
成像面坐標系《V的坐標原點為光電探測器像面左上角頂點，u和V分別對應(yīng)光電探測器像面的行坐標和列坐標，坐標單位為像素；
基準坐標系F記為XYZ，Z軸為此時的測量鏡頭光軸方向，Y軸垂直于探測器成像面背向分光棱鏡A, X軸由左手定規(guī)確定；組合反射鏡A對應(yīng)的坐標系FA記為XaYaZa，Ya軸沿組合反射鏡A兩平面反射鏡的交線，Za軸背向分光棱鏡B，YaZa平面平分兩平面反射鏡的夾角，且Xa軸由左手定規(guī)
確定，因此，組合反射鏡A的兩個反射面巧、IV2的法線在坐標系FA中的方向矢量分別為B1 = [O sm爐-cospf和《2 = [0 -sm<p -cos;其中，上標j.表示向量或矩陣的轉(zhuǎn)置；類似FA’建立組合反射鏡B對應(yīng)的坐標系FB，并記為XbYbZb，則組合反射鏡B的兩個反射面Ar3、M的法線在坐標系FB中的方向矢量分別為《3 = [O Sin^P -Mspf和
H4= [O ---?φ -COS^]* ；
(2)標定坐標系FA與坐標系FB的關(guān)系:
2.1圖像采集
靜態(tài)條件下，采集經(jīng)反射裝置反射回的十字光斑圖像左。幅，毛)取值為10~100 ；
2.2十字光斑定位
根據(jù)文獻《根據(jù)邊緣梯度方向的十字絲目標快速自動檢測》(2004年發(fā)表于《光學(xué)技術(shù)》第30卷第3期)提出的十字絲目標快速識別算法，提取十字光斑在光電探測器成像面坐標系MV中的位置；并將&幅圖像十字光斑的位置的均值作為最終十字光斑位置，記為
(?,?),其中hi,2,3，4，分別對應(yīng)經(jīng)反射面巧發(fā)射回的準直光線成像的十字光斑；
2.3計算坐標系FA在坐標系F中的姿態(tài)矩陣Mil
入射方向向量為sO的準直光，經(jīng)反射面Affc反射后,反射光方向為Wji:
【權(quán)利要求】
1.一種三維小角度測量裝置，包括發(fā)射/接收裝置、反射裝置和數(shù)據(jù)處理計算機，發(fā)射/接收裝置包括LED光源、十字型通光孔、分光棱鏡A、測量鏡頭和光電探測器，其特征在于，LED光源發(fā)出的光，通過十字型通光、分光棱鏡A后，再經(jīng)測量鏡頭準直后入射至反射裝置的反射面，然后反射回測量鏡頭，最后經(jīng)分光棱鏡A入射到光電探測器；數(shù)據(jù)處理計算機與光電探測器連通，實時采集圖像數(shù)據(jù)并解算反射裝置相對于發(fā)射/接收裝置的三維角度變化量； 所述的光電探測器的光敏面位于測量鏡頭與分光棱鏡A組合而成的光具組的離焦面上； 所述反射裝置，包括四個平面反射鏡和一個分光棱鏡B，四個平面反射鏡兩個為一組，組成夾角為180° - 2Φ的組合反射鏡A和組合反射鏡B，分布于分光棱鏡B的相鄰兩則；發(fā)射/接收裝置發(fā)出的平行光經(jīng)分光棱鏡B后分成兩束，分別入射至組合反射鏡A和B，反射光再次經(jīng)分光棱鏡B后返回，返回發(fā)射/接收裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維小角度測量裝置，其特征在于，所述的LED光源中心波長為 632.8nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維小角度測量裝置，其特征在于，所述的十字型通光孔位于測量鏡頭與分光棱鏡A組合而成的光具組的焦點位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維小角度測量裝置，其特征在于，所述的分光棱鏡A與測量鏡頭同軸安裝，與測量鏡頭最后一個光學(xué)面相距35.5mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維小角度測量裝置，其特征在于，所述的測量鏡頭包含6個普通球面鏡透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三`維小角度測量裝置，其特征在于，所述離焦面在不同視場位置的彌散斑90%能量集中于5X5探測器像元的內(nèi)，且不同視場位置點列圖均方根半徑值的差值小于I μ m。
7.三維小角度測量裝置應(yīng)用于動態(tài)測量三維角度變化量的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)建立坐標系: 建立基準坐標系F、光電探測器成像面坐標系《V、組合反射鏡A和B對應(yīng)的坐標系FA和FB如下:坐標系MV的坐標原點為光電探測器像面左上角頂點，U和V分別對應(yīng)光電探測器像面的行坐標和列坐標，坐標單位為像素；坐標系F記為XYZ, Z軸為此時的測量鏡頭光軸方向，Y軸垂直于探測器成像面背向分光棱鏡A, X軸由左手定規(guī)確定； (2)標定坐標系FA與坐標系FB的關(guān)系: ` 2.1圖像采集 靜態(tài)條件下，采集經(jīng)反射裝置反射回的十字光斑圖像左。幅，毛)取值為10~100 ； ` 2.2十字光斑定位 根據(jù)十字絲目標快速識別算法，提取十字光斑在光電探測器成像面坐標系《V中的位置；并將A幅圖像十字光斑的位置的均值作為最終十字光斑位置，記為(?,?),其中 t = l，2,3,4，分別對應(yīng)經(jīng)反射面Ffc發(fā)射回的準直光線成像的十字光斑；， 2.3計算坐標系FA在坐標系F中的姿態(tài)矩陣Aia 入射方向向量為sO的準直光，經(jīng)反射面-?反射后,反射光方向為W1.:
wJfc= [wUfc W2Jfc >%fc] = so-2C?*.e%)%(I) 式(I)中，表示矢量％點乘矢量七； 在坐標系F中，%和tl勺表達式分別為
【文檔編號】G01C1/00GK103630108SQ201310649534
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】劉海波, 張小虎, 于起峰, 張躍強, 蘇昂 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)