本發(fā)明屬于精密測量領(lǐng)域，具體涉及一種基于激光干涉儀的高精度三自由度實時測量的方法及裝置。

背景技術(shù)：

測量是一切科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，在測量領(lǐng)域中，距離、位移、角度和角位移是基本測量物理量。隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的測量方法，在高精度測量方面，光學(xué)方法具有可溯源和非接觸的優(yōu)勢，飛行時間法和激光干涉測距是常用的長度測量手段，自準直法、激光干涉法、環(huán)形激光法和內(nèi)反射法是常用的測角方法，這些方法一般使用在單一物理量的測量。隨著技術(shù)的發(fā)展，單一物理量測量已經(jīng)不能滿足科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的需求，這就要求測量儀器具有多自由度同時測量的能力。

多自由度的測量方法中，一般采用多種傳感器和測量方法結(jié)合實現(xiàn)多維度測量，這樣的測量系統(tǒng)很復(fù)雜且由于增加測量設(shè)備而對測量目標產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致測量結(jié)果誤差源增加。隨著計算機的發(fā)展，激光散斑干涉測量、數(shù)字全息測量及計算機視覺在多自由度測量領(lǐng)域開始出現(xiàn)，但是這種基于圖像處理的方法需要處理大量的圖像信息而不能高速實時測量，并且其測量精度受限于圖像傳感器的像元大小。

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用激光干涉測量的方法能獲得高精度距離信息，從而獲得更加準確的坐標點信息，采用多反射面棱鏡實現(xiàn)一個干涉儀用于多點測量的目的；結(jié)合理想平面構(gòu)造法，把目標的運動信息轉(zhuǎn)換為平面法向量之間的轉(zhuǎn)動和平面的平移，從而獲得高精度的三自由度運動信息。這方法具有結(jié)構(gòu)簡單和數(shù)據(jù)運算量小的優(yōu)勢，但在其他文獻中尚未采用過此方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜和測量精度不高的不足，設(shè)計了一種基于激光干涉儀的高精度三自由度測量方法和裝置，具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)處理量小和實時性好的特點。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于激光干涉儀的高精度三自由度實時測量的裝置，包括：高精度激光測距儀、外反射角錐棱鏡、直角屋脊棱鏡、快門、控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、光的傳輸方向控制、快門控制信號接口、信號傳輸系統(tǒng)和機構(gòu)外殼；測量裝置中高精度激光測距儀和外反射角錐棱鏡為同軸安裝，其中外反射角錐棱鏡的鏡面依次與直角屋脊棱鏡的脊線平行并使直角屋脊棱鏡的入射光與反射光互相垂直；處于同一平面內(nèi)的三個直角屋脊棱鏡之間以兩兩相距120°的位置固定在機構(gòu)外殼上；控制及處理系統(tǒng)接收由高精度激光測距儀所測的距離信息d1、d2和d3，對其進行運算得到三自由度運動信息，同時控制及處理系統(tǒng)發(fā)出控制指令控制快門狀態(tài)完成測量。

其中，外反射角錐棱鏡將沿軸線的平行光束分成沿不同方向傳播的三束光，這三束光的傳播方向互為120°且垂直于軸線；外反射角錐棱鏡結(jié)合三個位置互為120°的直角屋脊棱鏡實現(xiàn)三個不同位置點距離d1、d2和d3的測量。

另外采用構(gòu)造理想平面的方法實現(xiàn)俯仰、滾轉(zhuǎn)的角位移和軸向活塞位移同時測量，具體測量方法包括以下步驟：

1、根據(jù)三個平面反射鏡的位置確定參考平面的法線；

2、根據(jù)測量的距離信息計算待測物體反射面的法線；

3、利用坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系解出運動物體在俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和軸向位移的運動量。

本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點在于：

1.本發(fā)明提出了采用多面反射型棱鏡(如外反射角錐棱鏡)實現(xiàn)光束方向的控制，解決了現(xiàn)有技術(shù)中需要多個干涉儀進行多點測量的問題，使得測量裝置的結(jié)構(gòu)簡單緊湊。

2.本發(fā)明提出的采用構(gòu)造理想平面的方法實現(xiàn)俯仰、滾轉(zhuǎn)的角位移和軸向活塞位移同時測量。

3.本發(fā)明此方法具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)處理量小和實時性好的特點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明測量方法流程圖；

圖3為角位移測量誤差曲線圖；

圖4為活塞位移測量誤差曲線圖；

圖中附圖標記含義為：1為高精度激光干涉測距儀，2為外反射角錐棱鏡，3為直角屋脊棱鏡，4為快門，5為控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，6為光的傳輸方向控制，7為快門控制信號接口，8為信號傳輸系統(tǒng)，9為機構(gòu)外殼。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清晰明了，一下結(jié)合具體實施實例，結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。

首先結(jié)合圖1介紹基于激光干涉儀的高精度三自由度測量裝置。測量裝置的主要部件有高精度激光干涉測距儀1、外反射角錐棱鏡2、直角屋脊棱鏡3、快門4、控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5、光的傳輸方向控制6、快門控制信號接口7、信號傳輸系統(tǒng)8和機構(gòu)外殼9；測量裝置中高精度激光測距儀1和外反射角錐棱鏡2為同軸安裝，其中外反射角錐棱鏡的鏡面依次與直角屋脊棱鏡3的脊線平行并使直角屋脊棱鏡的入射光與反射光互相垂直；處于同一平面內(nèi)的三個直角屋脊棱鏡3之間以兩兩相距120°的位置固定在機構(gòu)外殼上；外反射角錐棱鏡軸線與反射鏡之間的距離設(shè)為81.65mm；控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5接收由高精度激光測距儀1所測的距離信息d1、d2和d3，對其進行運算得到三自由度運動信息，同時控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5發(fā)出控制指令控制快門狀態(tài)完成測量。

結(jié)合圖2，本發(fā)明基于激光干涉儀的三自由度測量方法步驟如下：

步驟1)、根據(jù)測量裝置的具體尺寸，計算出三個平面反射鏡的中心位置坐標a0(x1,y1,z1)、b0(x2,y2,z2)、c0(x3,y3,z3)，并將其保存作為參考基準。根據(jù)裝置具體參數(shù)并假設(shè)測量裝置在三維笛卡爾坐標系的第一象限正方向，得到平面反射鏡中心的特殊坐標為a0(100,0,0)、b0(0,100,0)、c0(0,0,100)，別對準三個次反射鏡以測量距離信息d1、d2和d3。

步驟2)、代入d1、d2和d3計算出目標面上三個點的坐標a(x1,y1,z1)、b(x2,y2,z2)、c(x3,y3,z3)，根據(jù)a、b、c三點坐標確定目標面內(nèi)的兩個不共線的向量和由以下的表達式得到當前目標平面法線

步驟3)、重復(fù)步驟1和步驟2，獲得運動后的目標平面法線

步驟4)、根據(jù)坐標變換關(guān)系兩個方向的旋轉(zhuǎn)角分別p和r，則兩個方向都存在旋轉(zhuǎn)時，變換矩陣t為：

計算得到：

其中，

步驟5)、根據(jù)求出的角位移p和r，代入到原坐標數(shù)據(jù)中獲得只經(jīng)過轉(zhuǎn)動而沒有活塞移動的目標狀態(tài)坐標a1(x1,y1,z1)、b1(x2,y2,z2)、c1(x3,y3,z3)，并計算對應(yīng)前后坐標點距離|a1-a|、|b1-b|和|c1-c|及它們的均值，用三個點的距離差近似代替活塞移動d。

步驟6)、將a(x1,y1,z1)、b(x2,y2,z2)、c(x3,y3,z3)存起來作為下一輪測量的原平面數(shù)據(jù)，按照步驟1)中順序測量d1、d2和d3,并重復(fù)步驟2)步驟6)行測量。

當然在本實例中，對外反射角錐棱鏡、干涉儀及平面反射鏡的安裝要求嚴格，如果安裝中存在角度誤差的情況下會對測量結(jié)果造成影響，因此要控制安裝誤差在一定的范圍內(nèi)以保證測量精度。圖3和圖4的計算機仿真計算可以看出，在工作距離為800mm的配置下0.01°的角位移測量誤差和活塞位移誤差分別為10^-6°和10^-14mm。

盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式進行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，尤其是外反射型棱錐、算法流程和光路通斷裝置快門，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭示的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換均涵蓋在本發(fā)明包含的范圍之內(nèi)。