平面或曲面內(nèi)無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)物體的位移和姿態(tài)的非接觸測(cè)量方法
【專利摘要】平面或曲面內(nèi)無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)物體的位移和姿態(tài)的非接觸測(cè)量方法，屬于二維運(yùn)動(dòng)物體的位移和姿態(tài)測(cè)量方法領(lǐng)域。解決了現(xiàn)有非接觸式測(cè)量方法中被測(cè)設(shè)備上安裝設(shè)備多、安裝復(fù)雜、測(cè)量方法復(fù)雜和跟蹤速度受限的問題。本發(fā)明將兩個(gè)光電位置敏感器固定在待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體表面，在待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體在靜止時(shí)，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面內(nèi)建立水平平面直角坐標(biāo)系，確定兩個(gè)光電位置敏感器的初始位置，使待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行二維運(yùn)動(dòng)，光電位置敏感器用于實(shí)時(shí)采集相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面的圖像信息，每個(gè)光電位置敏感器均通過比較連續(xù)兩幅或多幅圖像信息，對(duì)兩個(gè)光電位置敏感器的獲得的位移的變化量進(jìn)行積分，再根據(jù)初始位置獲得運(yùn)動(dòng)物體的位移和姿態(tài)信息。它應(yīng)用在測(cè)量領(lǐng)域。
【專利說明】平面或曲面內(nèi)無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)物體的位移和姿態(tài)的非接觸測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于二維運(yùn)動(dòng)物體的位移和姿態(tài)測(cè)量方法領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]針對(duì)平面或曲面內(nèi)無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，一般的線性測(cè)量?jī)x器如光柵、碼盤等有固定的測(cè)量方向和測(cè)量范圍，不適于平面或曲面內(nèi)運(yùn)動(dòng)方向任意，運(yùn)動(dòng)范圍大的位置測(cè)量。對(duì)于一些要求無干擾自由運(yùn)動(dòng)物體位姿和姿態(tài)的精確的測(cè)量，接觸式測(cè)量方法的儀器會(huì)影響運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不適于應(yīng)用于這類運(yùn)動(dòng)物體的測(cè)量。目前，非接觸測(cè)量主要有視覺相機(jī)測(cè)量、室內(nèi)GPS、慣導(dǎo)、激光跟蹤儀等等。視覺相機(jī)、室內(nèi)GPS和激光跟蹤儀兩種測(cè)量手段需要在被測(cè)設(shè)備安裝標(biāo)志器、接收器或反射器，同時(shí)在被測(cè)設(shè)備外還需要安裝專門的測(cè)量相機(jī)、發(fā)射器或激光跟蹤儀等測(cè)量設(shè)備。標(biāo)志器、接收器或反射器只能安裝在被測(cè)設(shè)備表面，體積較大，不利于設(shè)備的小型化和集成化。外部的專門的測(cè)量設(shè)備也增加了測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。同時(shí)這幾種測(cè)量方式，由于動(dòng)態(tài)跟蹤速度有限，不適合于高速運(yùn)動(dòng)物體位置和姿態(tài)的測(cè)量。采用慣性導(dǎo)航設(shè)備雖然測(cè)量范圍不受限制，但該設(shè)備只能直接測(cè)量物體的加速度或角速度，通過積分得出物體的位移和轉(zhuǎn)角，測(cè)量精度有限，，若要保證測(cè)量精度勢(shì)必增加成本和體積。這些測(cè)量設(shè)備安裝在運(yùn)動(dòng)物體上的部分體積相對(duì)較大，不適于應(yīng)用于小型運(yùn)動(dòng)物體測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有非接觸式測(cè)量方法中被測(cè)設(shè)備上安裝設(shè)備多、安裝復(fù)雜、測(cè)量方法復(fù)雜和跟蹤速度受限的問題，本發(fā)明提供了一種平面或曲面內(nèi)無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)物體的位移和姿態(tài)的非接觸測(cè)量方法。
[0004]平面或曲面內(nèi)無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)物體的位移和姿態(tài)的非接觸測(cè)量方法，該方法的具體過程為，
[0005]步驟一，將兩個(gè)光電位置敏感器固定在待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體表面，且光電位置敏感器的信號(hào)輸入端與相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面相對(duì)設(shè)置，并與相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面保留一定距離，保證兩個(gè)光電位置敏感器與相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面之間的垂直距離均大于O且小于1cm，光電位置敏感器的信號(hào)輸出端通過有線或無線傳輸?shù)姆绞脚c計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端連接；所述的兩個(gè)光電位置敏感器分別為I號(hào)光電位置敏感器和2號(hào)光電位置敏感器，
[0006]步驟二，待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體在靜止時(shí)，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面內(nèi)建立水平平面直角坐標(biāo)系，以待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體上I號(hào)光電位置敏感器在h時(shí)刻的初始位置(X1 (t0)、yi (t0))作為在相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面內(nèi)原點(diǎn)，以I號(hào)光電位置敏感器指向2號(hào)光電位置敏感器的方向作為在相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面內(nèi)建立的水平平面直角坐標(biāo)系的X軸方向，在垂直X軸的方向建立y軸，待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體在靜止時(shí)，2號(hào)光電位置敏感器在h時(shí)刻的初始位置為(? (t0)、y2 (t0))，所述的相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面作為基準(zhǔn)面；[0007]步驟三，使待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行二維運(yùn)動(dòng)，光電位置敏感器用于實(shí)時(shí)采集相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面的圖像信息，每個(gè)光電位置敏感器均通過比較連續(xù)兩幅或多幅圖像信息，得出兩個(gè)光電位置敏感器的位移的變化量Λ X1 (k)、Λ Y1 (k)、Λ X2 (k)和Λ Y2 (k)，并將兩個(gè)光電位置敏感器位移的變化量發(fā)送至計(jì)算機(jī)，所述的k為正整數(shù)，
[0008]其中，變化量Λ X1 (k)表示I號(hào)光電位置敏感器的測(cè)量基點(diǎn)在基準(zhǔn)面內(nèi)沿X軸方向的位移變化量，
[0009]變化量Ay1GO表示I號(hào)光電位置敏感器的測(cè)量基點(diǎn)在基準(zhǔn)面內(nèi)沿y軸方向的位移變化量，
[0010]Δ X2 (k)表示2號(hào)光電位置敏感器的測(cè)量基點(diǎn)在基準(zhǔn)面內(nèi)沿X軸方向的位移變化量，
[0011]Δ y2 (k)表示2號(hào)光電位置敏感器的測(cè)量基點(diǎn)在基準(zhǔn)面內(nèi)沿y軸方向的位移變化量，[0012]步驟四，計(jì)算機(jī)通過公式一和公式二對(duì)位移的變化量Ax1GO和Ay1GO分別進(jìn)行積分處理，得到I號(hào)光電位置敏感器在基準(zhǔn)面中的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)(Xl、yi)，所述的X1和yi為無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面的位移量，其中，
[0013]X1=X1 (t0) + Σ Δ X1 (k)(公式一)、
[0014]Y1=Y1 (t0) + ΣΔ Y1 (k) (公式二)；
[0015]計(jì)算機(jī)通過公式三和公式四對(duì)位移的變化量Λ X2 (k)和Λ y2 (k)分別進(jìn)行積分處理，獲得2號(hào)光電位置敏感器在基準(zhǔn)面中的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)(x2、y2)，其中，
[0016]X2=X2 (t0) + Σ Δ X2 (k)(公式三)、
[0017]J2=J2 (t0) +EAy2 (k)(公式四)；
[0018]步驟五，將實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)(Xl、Yl)和實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)(x2、y2)的兩點(diǎn)連線與基準(zhǔn)面內(nèi)水平平面直角坐標(biāo)系X軸之間的夾角θ為:
[0019]^ = arctan^- (公式五)，
[0020]所述的夾角Θ為平面或曲面內(nèi)無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)。
[0021]本發(fā)明帶來的有益效果是，傳統(tǒng)的非接觸測(cè)量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測(cè)物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測(cè)量方法，而本發(fā)明所述的平面或曲面內(nèi)無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)物體的位移和姿態(tài)的非接觸測(cè)量方法中，所述的非接觸是指測(cè)量用的光電位置敏感器與相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面的非接觸，不影響待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體與平面或曲面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且本測(cè)量方法簡(jiǎn)單，安裝部件少，兩個(gè)光電位置敏感器與運(yùn)動(dòng)物體一起運(yùn)動(dòng)，跟蹤速度不受影響。
[0022]1、采用本發(fā)明非接觸的測(cè)量方式，對(duì)一些要求無干擾測(cè)量的運(yùn)動(dòng)物體不會(huì)產(chǎn)生干擾力或力矩。
[0023]2、測(cè)量方式屬于無導(dǎo)軌測(cè)量，測(cè)量物體可以在平面或曲面內(nèi)任意運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0024]3、測(cè)量系統(tǒng)供電簡(jiǎn)單，體積小，可用于較小目標(biāo)的平面或曲面內(nèi)的無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)位置和姿態(tài)的測(cè)量。
[0025]4、光電位置敏感器與計(jì)算機(jī)之間無線或有線(USB總線等)傳輸方法，傳輸速度快，可擴(kuò)展性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，兼容性強(qiáng)。[0026]5、只根據(jù)與相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面移動(dòng)量計(jì)算位置和姿態(tài)信息，避免了其他測(cè)量設(shè)備需要安裝靶標(biāo)(視覺測(cè)量相機(jī))、接收器(室內(nèi)GPS)、反射器(激光跟蹤儀)等機(jī)構(gòu)，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)集成于運(yùn)動(dòng)物體上，并且對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面的表面粗糙度要求低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為【具體實(shí)施方式】一中所述的光電位置敏感器與待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體之間的一種位置關(guān)系示意圖；其中，附圖標(biāo)記I表示待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體，附圖標(biāo)記2表示相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面，附圖標(biāo)記3表光電位置敏感器，附圖標(biāo)記4表光電位置敏感器的信號(hào)輸出端；
[0028]圖2為【具體實(shí)施方式】一所述的光電位置敏感器與待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體之間的另一種位置關(guān)系不意圖；
[0029]圖3為兩個(gè)光電位置敏感器在相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面的直角坐標(biāo)系內(nèi)的位置關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]【具體實(shí)施方式】一:參見圖1、2和3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的平面或曲面內(nèi)無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)物體的位移和姿態(tài)的非接觸測(cè)量方法，該方法的具體過程為，
[0031]步驟一，將兩個(gè)光電位置敏感器固定在待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體表面，且光電位置敏感器的信號(hào)輸入端與相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面相對(duì)設(shè)置，并與相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面保留一定距離，保證兩個(gè)光電位置敏感器與相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面之間的垂直距離均大于O且小于1cm，光電位置敏感器的信號(hào)輸出端通過有線或無線傳輸?shù)姆绞脚c計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端連接；所述的兩個(gè)光電位置敏感器分別為I號(hào)光電位置敏感器和2號(hào)光電位置敏感器，
[0032]步驟二,待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體在靜止時(shí),在相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面內(nèi)建立水平平面直角坐標(biāo)系，以待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體上I號(hào)光電位置敏感器在h時(shí)刻的初始位置U1 (t0)、yi (t0))作為在相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面內(nèi)原點(diǎn)，以I號(hào)光電位置敏感器指向2號(hào)光電位置敏感器的方向作為在相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面內(nèi)建立的水平平面直角坐標(biāo)系的X軸方向，在垂直X軸的方向建立y軸，待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體在靜止時(shí)，2號(hào)光電位置敏感器在h時(shí)刻的初始位置為(? (t0)、y2 (t0))，所述的相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面作為基準(zhǔn)面；
[0033]步驟三，使待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行二維運(yùn)動(dòng)，光電位置敏感器用于實(shí)時(shí)采集相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面的圖像信息，每個(gè)光電位置敏感器均通過比較連續(xù)兩幅或多幅圖像信息，得出兩個(gè)光電位置敏感器的位移的變化量Λ X1 (k)、Λ Y1 (k)、Λ X2 (k)和Λ y2 (k)，并將兩個(gè)光電位置敏感器位移的變化量發(fā)送至計(jì)算機(jī)，所述的k為正整數(shù)，
[0034]其中，變化量Λ X1 (k)表示I號(hào)光電位置敏感器的測(cè)量基點(diǎn)在基準(zhǔn)面內(nèi)沿X軸方向的位移變化量，
[0035]變化量Ay1GO表示I號(hào)光電位置敏感器的測(cè)量基點(diǎn)在基準(zhǔn)面內(nèi)沿y軸方向的位移變化量，
[0036]Δ X2 (k)表示2號(hào)光電位置敏感器的測(cè)量基點(diǎn)在基準(zhǔn)面內(nèi)沿X軸方向的位移變化量，
[0037]Δ y2(k)表示2號(hào)光電位置敏感器的測(cè)量基點(diǎn)在基準(zhǔn)面內(nèi)沿y軸方向的位移變化量，[0038]步驟四，計(jì)算機(jī)通過公式一和公式二對(duì)位移的變化量Ax1GO和Ay1GO分別進(jìn)行積分處理，得到I號(hào)光電位置敏感器在基準(zhǔn)面中的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)(Xl、yi)，所述的X1和yi為無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面的位移量，其中，
[0039]X1=X1 (t0) + Σ Δ X1 (k) (公式一)、
[0040]Y1=Y1 (t0) + ΣΔ Y1 (k) (公式二)；
[0041]計(jì)算機(jī)通過公式三和公式四對(duì)位移的變化量Λ X2 (k)和Λ y2 (k)分別進(jìn)行積分處理，獲得2號(hào)光電位置敏感器在基準(zhǔn)面中的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)(x2、y2)，其中，
[0042]X2=X2 (t0) + Σ Δ X2 (k)(公式三)、[0043]J2=J2 (t0) +EAy2 (k) (公式四)；
[0044]步驟五，將實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)(Xl、Yl)和實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)(x2、y2)的兩點(diǎn)連線與基準(zhǔn)面內(nèi)水平平面直角坐標(biāo)系X軸之間的夾角Θ為:
[0045]0 = arctanXT^ (公式五)，
[0046]所述的夾角Θ為平面或曲面內(nèi)無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)。本實(shí)施方式中，兩個(gè)光電位置敏感器可以嵌入式固定在待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體表面，具體參見圖2，兩個(gè)光電位置敏感器還可以支撐安裝在待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體表面，具體參見圖1。
[0047]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一所述的平面或曲面內(nèi)無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)物體的位移和姿態(tài)的非接觸測(cè)量方法的區(qū)別在于，所述的兩個(gè)光電位置敏感器與相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面之間的垂直距離均大于O且小于0.5cm。
【權(quán)利要求】
1.平面或曲面內(nèi)無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)物體的位移和姿態(tài)的非接觸測(cè)量方法，其特征在于，該方法的具體過程為， 步驟一，將兩個(gè)光電位置敏感器固定在待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體表面，且光電位置敏感器的信號(hào)輸入端與相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面相對(duì)設(shè)置，并與相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面保留一定距離，保證兩個(gè)光電位置敏感器與相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面之間的垂直距離均大于O且小于1cm，光電位置敏感器的信號(hào)輸出端通過有線或無線傳輸?shù)姆绞脚c計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端連接；所述的兩個(gè)光電位置敏感器分別為I號(hào)光電位置敏感器和2號(hào)光電位置敏感器， 步驟二，待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體在靜止時(shí)，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面內(nèi)建立 水平平面直角坐標(biāo)系，以待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體上I號(hào)光電位置敏感器在h時(shí)刻的初始位置U1 Utl)、Y1 (t0))作為在相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面內(nèi)原點(diǎn)，以I號(hào)光電位置敏感器指向2號(hào)光電位置敏感器的方向作為在相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面內(nèi)建立的水平平面直角坐標(biāo)系的X軸方向，在垂直X軸的方向建立y軸，待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體在靜止時(shí)，2號(hào)光電位置敏感器在h時(shí)刻的初始位置為(? Utl) ^y2 (t0))，所述的相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面作為基準(zhǔn)面； 步驟三，使待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行二維運(yùn)動(dòng)，光電位置敏感器用于實(shí)時(shí)采集相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面的圖像信息，每個(gè)光電位置敏感器均通過比較連續(xù)兩幅或多幅圖像信息，得出兩個(gè)光電位置敏感器的位移的變化量Λ X1 (k)、Λ Y1 (k)、Λ X2 (k)和Λ y2 (k)，并將兩個(gè)光電位置敏感器位移的變化量發(fā)送至計(jì)算機(jī)，所述的k為正整數(shù)， 其中，變化量Λ X1 (k)表示I號(hào)光電位置敏感器的測(cè)量基點(diǎn)在基準(zhǔn)面內(nèi)沿X軸方向的位移變化量， 變化量Λ Y1 (k)表示I號(hào)光電位置敏感器的測(cè)量基點(diǎn)在基準(zhǔn)面內(nèi)沿y軸方向的位移變化量，Δ X2(k)表示2號(hào)光電位置敏感器的測(cè)量基點(diǎn)在基準(zhǔn)面內(nèi)沿X軸方向的位移變化量，Δ y2(k)表示2號(hào)光電位置敏感器的測(cè)量基點(diǎn)在基準(zhǔn)面內(nèi)沿y軸方向的位移變化量，步驟四，計(jì)算機(jī)通過公式一和公式二對(duì)位移的變化量Ax1GO和Ay1GO分別進(jìn)行積分處理，得到I號(hào)光電位置敏感器在基準(zhǔn)面中的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)(Xl、yi)，所述的X1和yi為無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面的位移量，其中， X1=X^t0)+ ΣΔ X1 (k)(公式一)、 Υι=Υι(?0)+ ΣΔ Y1 (k) (公式二)； 計(jì)算機(jī)通過公式三和公式四對(duì)位移的變化量Ax2GO和Ay2GO分別進(jìn)行積分處理，獲得2號(hào)光電位置敏感器在基準(zhǔn)面中的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)(x2、y2)，其中， X2=X2 (t0) + Σ Δ χ2 (k) (公式三)、 12=12 (to) + Σ Δ y2 (k) (公式四)； 步驟五，將實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)(Xl、yi)和實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)(x2、y2)的兩點(diǎn)連線與基準(zhǔn)面內(nèi)水平平面直角坐標(biāo)系X軸之間的夾角θ為: ^ = arctanZ^"(公式五)， 所述的夾角θ為平面或曲面內(nèi)無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面或曲面內(nèi)無導(dǎo)軌二維運(yùn)動(dòng)物體的位移和姿態(tài)的非接觸測(cè)量方法，其特征在于，所述的兩個(gè)光電位置敏感器與相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面或曲面之間的垂直距尚均大于0且小于0.5cm。
【文檔編號(hào)】G01C23/00GK103900603SQ201410160571
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】齊乃明, 徐喆垚, 霍明英, 齊驥, 孫康 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)