低動態(tài)水平/方位角在線測量裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種空間角度的實時測量裝置及測量方法，具體地說是一種低動態(tài)水 平/方位角在線測量裝置及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 空間角度的測量是工程測量的重要組成部分。隨著科學(xué)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，空間 角度測量越來越廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、建筑、航空、航天、航海等各個領(lǐng)域。目前空間角度測量 主要憑借陀螺儀來完成。然而使用陀螺儀進(jìn)行角度測量時，其測量誤差的積分效應(yīng)會使測 量精度越來越低，所以在使用一段時間后需要對其測量裝置進(jìn)行校準(zhǔn)以消除累計誤差。消 除累計誤差的方法有很多種，其中直接給定高精度角度基準(zhǔn)（積分初始角）是一種較為便 捷的方法。
[0003] 除了利用陀螺儀測量空間角度外，在低動態(tài)條件下還有利用重力測量角度的各種 傾斜檢測儀器，例如傾角傳感器、電子水平儀以及光學(xué)自準(zhǔn)直水平測量裝置，這些測量裝置 的成本隨著測量精度的提高而大幅度增加，且這類方法只能對水平角進(jìn)行測量，要測量豎 直角則需要再加入羅盤等測量儀器，這樣又增加了測量裝置的體積質(zhì)量和成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的之一就是提供一種低動態(tài)水平/方位角在線測量裝置，以解決用陀 螺儀測量空間角度存在誤差較大的問題。
[0005] 本發(fā)明的目的之二就是提供一種低動態(tài)水平/方位角在線測量方法，以實時監(jiān)測 被測對象空間角度的變化，且可以為陀螺儀累計誤差的消除提供基準(zhǔn)。
[0006] 本發(fā)明的目的之一是這樣實現(xiàn)的：一種低動態(tài)水平/方位角在線測量裝置，包括 有：對水平/方位角進(jìn)行探測和成像的探測成像單元，用于對所述探測成像單元的成像信 息進(jìn)行圖像采集和圖像處理以求解水平/方位角的信息處理單元；用于顯示水平/方位角 測量結(jié)果的顯示器，以及用于進(jìn)行控制和信息輸入的鍵盤。
[0007] 所述探測成像單元包括有：
[0008] 穩(wěn)定靶標(biāo)單元，用于在低動態(tài)條件下保持空間角度的穩(wěn)定；
[0009] 靶標(biāo)成像單元，設(shè)置在所述穩(wěn)定靶標(biāo)單元的正上方，用于拍攝所述穩(wěn)定靶標(biāo)單元 的探測狀態(tài)信息；以及
[0010] 連接件，將所述穩(wěn)定革E1標(biāo)單元和所述革E1標(biāo)成像單元固定連接在一起。
[0011] 所述穩(wěn)定靶標(biāo)單元包括：開設(shè)有半球形內(nèi)腔的靶標(biāo)座，放置在所述靶標(biāo)座內(nèi)腔中 的中空半球形浮體，內(nèi)置于所述半球形浮體底部的平面光源，設(shè)置在所述半球形浮體頂面 的靶板，以及設(shè)置在所述半球形浮體頂面的條形磁鐵。
[0012] 在所述靶標(biāo)座的內(nèi)腔中充有懸浮液，在所述靶板的板面上開有若干條狀透光孔， 所述條狀透光孔構(gòu)成相互交叉的線條圖案。
[0013] 所述信息處理單元是包含有圖像采集模塊、圖像處理模塊和角度求解模塊的嵌入 式分析控制系統(tǒng)。
[0014] 所述靶標(biāo)成像單元是內(nèi)設(shè)有可進(jìn)行角度測量和垂直度測量的準(zhǔn)直系統(tǒng)的CCD感 光元件。
[0015] 所述靶板的板面與所述C⑶感光元件的光軸相垂直。
[0016] 本發(fā)明測量裝置采用穩(wěn)定靶標(biāo)加光學(xué)攝影的方式在線測量水平/方位角信息，利 用地球重力和磁場力的作用，設(shè)計一個在低動態(tài)條件下相對世界坐標(biāo)系穩(wěn)定不變的靶標(biāo)； 利用CCD感光元件對靶標(biāo)上的透光圖案成像，再通過對靶標(biāo)圖像進(jìn)行圖像處理來求解被測 對象水平/方位角變化。穩(wěn)定靶標(biāo)單元利用懸浮液對靶板的浮力作用，使靶板始終與大地 水平面保持平行；在靶板下方嵌入條形磁鐵，利用地球磁場力對條形磁鐵的作用，使靶板的 方位保持穩(wěn)定。靶標(biāo)內(nèi)部自帶光源，以保證能在光照條件不好的環(huán)境中使用。
[0017] 本發(fā)明測量裝置具有體積質(zhì)量小、成本造價低、精度有保證的特點，采用光學(xué)攝影 裝置和穩(wěn)定靶標(biāo)作為基本平臺，并利用穩(wěn)定靶標(biāo)單元為水平/方位角的測量提供基準(zhǔn)，將 光學(xué)攝影測量技術(shù)與穩(wěn)定靶標(biāo)技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，解決低動態(tài)條件下物體水平/方位角 狀態(tài)變化監(jiān)測、大型結(jié)構(gòu)變形測量以及外場環(huán)境下快速消除陀螺儀累計誤差等方面的難 題。
[0018] 本發(fā)明的目的之二是這樣實現(xiàn)的：一種低動態(tài)空間角度的實時測量方法，包括以 下步驟：
[0019]a、設(shè)置如權(quán)利要求1所述的低動態(tài)水平/方位角在線測量裝置；
[0020] b、將探測成像單元水平放置，并將信息處理單元與靶標(biāo)成像單元通過數(shù)據(jù)線相 接，觀察顯示器所顯示的數(shù)值，調(diào)整靶標(biāo)成像單元中的CCD感光元件的光軸與靶板的位置， 保證C⑶感光元件的光軸與靶板的板面相垂直；
[0021] c、將探測成像單元固定在被測設(shè)備上，開啟半球形浮體內(nèi)部的光源，在被測設(shè)備 的空間角度發(fā)生變化時，CCD感光元件的光軸也隨著被測設(shè)備發(fā)生空間角度的變化，半球形 浮體在懸浮液的浮力作用下，一直與大地水平面保持平行，CCD感光元件的光軸與半球形浮 體頂面的靶板之間的角度發(fā)生變化，利用CCD感光元件對靶板上的透光孔的圖案成像，通 過對靶板透光孔的成像進(jìn)行圖像采集和圖像處理；
[0022] d、通過鍵盤輸入指令，將CCD感光元件拍攝的靶板成像的圖像信息傳輸?shù)叫畔⑻?理單元中的圖像采集模塊，根據(jù)CCD感光元件在不同位置、不同角度所拍到靶板透光孔的 線條圖像，建立成像線條上任意點在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)與其成像點在圖像坐標(biāo)系下的坐 標(biāo)間的映射關(guān)系，經(jīng)過圖像處理模塊和角度求解模塊的計算，將被測設(shè)備的水平角度和俯 仰角度求解出來，并送顯示器予以顯示。
[0023] 求解水平/方位角的計算方法如下：
[0024] 第一步，建立靶標(biāo)成像單元的投影模型：
[0025]圖像坐標(biāo)系以靶標(biāo)成像單元所成圖像左上角為原點，橫縱軸分別為xy方向，單位 為像素數(shù)；像平面坐標(biāo)系以光軸與像平面的交點〇u為原點，xy軸分別為像平面的水平和垂 直軸；CCD感光元件的坐標(biāo)系以光心0。為原點，光軸為z軸，xy軸方向分別平行于像平面的 水平和垂直軸；世界坐標(biāo)系可根據(jù)實際情況選??；
[0026] 理想的小孔模型下的空間點在世界坐標(biāo)系下的坐#Pw(xw，yw，zw)T與其投影點在圖 像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)P(u，v)T間的映射關(guān)系為：
[00271
[0028] 式（1)中，A是反映祀標(biāo)成像單元內(nèi)部參數(shù)的矩陣，其中f是祀標(biāo)成像單元的焦距， dx，4是(XD感光兀件的橫向和縱向間距，u。，V。是主點坐標(biāo)；z。是空間點在攝像機(jī)坐標(biāo)系下 的z坐標(biāo)值；R是一個3X3的旋轉(zhuǎn)正交陣，表示靶標(biāo)成像單元坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn) 關(guān)系，T是3X1的平移向量，表示兩坐標(biāo)系間的位置關(guān)系；
[0029] 第二步，計算靶標(biāo)成像單元坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系相對關(guān)系：
[0030] 將世界坐標(biāo)系選取為：以LiL3交點0w為圓心，LpL3分別為x軸和y軸方向，按右 手系規(guī)則確定z軸。為確定旋轉(zhuǎn)矩陣R，建立消隱點坐標(biāo)系0ABC:光心0為原點，以0A為 x軸，0B為y軸，0C為0A與0B向量的交積方向；
[0031] 在建立靶標(biāo)成像單元的投影模型中，靶標(biāo)成像單元的內(nèi)部參數(shù)u。、v。、dx、七和f 已經(jīng)在使用前進(jìn)行精確標(biāo)定，可以認(rèn)為是已知量，消隱點A和B的在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo) (uA，vA)和（uB，vB)可以通過圖像處理的手段獲取，那么在靶標(biāo)成像單元坐標(biāo)系下有：
[0032]
[0033] 構(gòu)成0ABC坐標(biāo)系z軸方向的向量面與函，顏都垂直，則有：
[0034]
[0035]設(shè)向量:函,爾，否g進(jìn)行歸一化后的向量分別為a，b，c，消隱點坐標(biāo)系0ABC下 a，b，c分別為3個坐標(biāo)軸上的單位向量，則0ABC坐標(biāo)系與靶標(biāo)成像單元坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣R'滿足：
[0036][abc] =R'I (4)
[0037] 式⑷中的I為單位矩陣，即可得到R' =[abc];
[0038] 第三步，判斷世界坐標(biāo)系與消隱點坐標(biāo)系OABC間的方向關(guān)系：
[0039]世界坐標(biāo)系的\和yw軸會在像平面上投影形成兩個方向X'和y'，兩個消隱點位 置與X'和y'則有四種可能情況；利用世界坐標(biāo)原點〇w投影點的坐標(biāo)〇' w，利用投影向量 @與x'，y'的符號即可判斷世界坐標(biāo)系與消隱點坐標(biāo)系間的方向關(guān)系，最后得 到成像單元坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣R;
[0040] 設(shè)旋轉(zhuǎn)矩陣A
利用如下公式就能求出被測設(shè)備的水平角度和俯 仰角度：
[0041]
[0042] 本發(fā)明測量水平/方位角的基本思路是：利用地球重