CN101169320A - 运动物体的瞬时姿态测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于运动物体测量设备的涉及非接触方式高精度测量的一种运动物体的瞬时姿态测量装置。该运动物体的瞬时姿态测量装置包括无源部分的反射镜，和有源部分的激光器、测量机构、计算装置及成像装置；其中，无源部分和有源部分中的一个被静止地固定，而另一个和被测量的运动物体固定。本装置利用反射镜组、激光器、成像及检测设备，可以实时测量出运动物体相对于地面基准的瞬时位置和角度偏差，线位移偏差测量精度达到亚毫米级，角位移精度优于0.2度，从而定点测量运动物体的瞬时姿态。具有测量精度高，测量范围宽、结构简单等优点；应用于轨道交通，方便可靠，不影响轨道交通的正常运营。

Description

运动物体的瞬时姿态测量装置

技术领域

本发明属于运动物体测量设备，更具体地说，涉及非接触方式高精度测量的一种运动物体的瞬时姿态测量装置。

背景技术

在轨道交通中，由于列车冲击、地质变形等原因，轨道、桥、隧、涵等基础设施经常发生变形，严重影响行车的舒适度和安全性。随着现代轨道交通向高行车密度和高运行速度发展，以线路正常运营速度及时检测轨道交通基础设施几何状态正成为指导养护维修、确保行车安全的技术保障。然而，在动态测量时，测量设备由于振动而产生6个自由度的不确定性，即点头、摇头、侧滚、伸缩、上下、左右，这种测量设备与测量基准之间的不确定性严重地影响了测量的精度。因此，动态测量设备必须能够自动探测其运动过程中的姿态，通过对6个自由度的准确测量来补偿测量基准的偏差。

运动物体姿态测量的研究最初主要出现在飞行器控制领域，目前也渗透到车辆自动驾驶、智能机器人等新兴领域。经典的运动物体姿态测量方式是使用惯性基准测量，如利用机械陀螺、激光陀螺、或光纤陀螺等测量运动物体绕三维坐标轴旋转的角度变化率、以及利用加速度传感器测量物体直线运动加速度，进而通过积分间接算出6个自由度的绝对变化量。由于陀螺仪存在零点飘移等系统误差，因此，在积分过程中，系统误差被累积在测量结果中，造成测量误差随着时间的推移而逐渐变大。这种惯性导航的方式不适合长距离的测量任务。为克服惯性导航的这一缺点，需要一种能与之配合、可直接测量运动物体6个自由度绝对值的方法。这种方法的输出频率不需要很高，只需在惯性基准系统累计误差超出允许值以前，重新校准惯性导航系统即可。

由于轨道交通的特殊性，现有的技术无法同时满足量程、精度、探测距离、车载安装等要求。例如，测量机床工作台多自由度偏差的激光测量系统虽然可以达到微米级测量精度，但其量程通常非常小；基于立体视觉的目标姿态测量系统利用双目融合原理和计算机视觉技术，一般只能达到毫米级测量精度，而且对物体运动速度、环境光线等有很多限制；GPS卫星导航与惯性系统融合技术可以实现高速运动物体的远距离姿态测量，但精度较低，目前借助差分站和现代数据处理算法仅可实现厘米级精度的动态测量，而且在隧道、楼群等无法接收GPS卫星信号的环境下应用受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运动物体的瞬时姿态测量装置，该运动物体测量装置能够以非接触方式高精度地测量运动物体的瞬时姿态，其特征在于，该运动物体的瞬时姿态测量装置包括无源部分的反射镜，和有源部分的激光器、测量机构、计算装置及成像装置；其中，无源部分和有源部分中的一个被静止地固定，而另一个和被测量的运动物体固定。

所述成像装置设置在有源部分面对无源部分的表面上。

所述激光器至少为三个。

所述反射镜为一个平面镜，并且激光器被设置成以不同角度投射到平面镜，从而以不同角度投射激光。

所述反射镜或包括一个平面镜和一个或多个棱镜，平面镜被设置成不与一个或多个棱镜中的任何一反射面相平行。

所述棱镜具有一个楞或相互平行的多个楞。

所述激光器包括相对于成像装置垂直的垂直激光器以及相对于成像装置倾斜的倾斜激光器，垂直激光器的数目与棱镜的数目相同并且一一对应，并且至少一个倾斜激光器对应于平面镜。

所述平面镜平行于成像装置而设置，所述棱镜优选为两个，其中一个棱镜的楞平行于运动物体的运动方向而设置，另一个棱镜的楞垂直于运动物体的运动方向而设置。

所述测量装置设置在激光器与成像装置相对的另一侧，测量装置为用于测量在成像装置上呈现的反射亮点，反射亮点是通过反射镜反射激光器发出的激光而形成的。

所述计算装置利用反射亮点的位置计算运动物体的运动姿态：点头、摇头、侧滚、伸缩、上下以及左右。

本发明的有益效果是该测量装置可以实时测量安装于0-300公里/小时运行列车的设备的姿态，线位移偏差测量精度达到亚毫米级，角位移精度优于0.2度，应用方便可靠，不影响轨道交通的正常运营。

附图说明

图1为运动物体的瞬时姿态测量装置原理示意图。

图2为第一实施例的示意图。

图3为第二实施例的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种运动物体的瞬时姿态测量装置，该运动物体测量装置能够以非接触方式高精度地测量运动物体的瞬时姿态。测量原理装置如图1所示，该运动物体的瞬时姿态测量装置包括无源部分20的反射镜200，有源部分30包括至少为三个的激光器301、测量装置302、成像装置303和计算装置(未示出)，其中，无源部分20静止固定，有源部分30固定于被测量的运动物体(如汽车、列车……)上(未示出)；成像装置303设置在有源部分30面对无源部分20的表面上。第一激光器3011、第二激光器3012安装在相对于成像装置303垂直的不同面上(又称谓垂直激光器)、第三激光器3013安装在相对于成像装置303倾斜的位置上(又称谓倾斜激光器)，因此三个的激光器发射的光线通过成像装置303(幕布)上的小孔后在无源设备反射镜200上产生反射，反射光在成像装置303形成3个亮点1、2、3，该3个亮点1、2、3在成像装置303上的位置可以通过测量装置302(摄像机)来测量，测量装置302设置在激光器301与成像装置303相对的另一侧。测量原理如下：

根据刚体动力学，刚体的六自由度运动由沿三个坐标轴X、Y、Z的移动和绕三坐标轴的转动构成，上述六自由度运动总能够等效为刚体上一个固定点沿三个坐标轴的平动和绕该点的定点转动。设r₀为两空间直角坐标系为O_s ^-X_sY_sZ_s和O_T-X_TY_TZ_T原点O_s和O_T的相对位置向量，εx，εy，εz为三个轴不平行而产生的尤拉角。则空间任意点在两坐标系下有如下关系：(r_i)_S＝r_O+R_x(ε_x)R_y(ε_y)R_z(ε_z)(r_i)_T，即：

${\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_S=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_0\\ \mathrm{\Δ}{Y}_0\\ \text{\Δ}{Z}_0\end{array}\right]+R_X\left({\mathrm{\ϵ}}_X\right)R_Y\left({\mathrm{\ϵ}}_Y\right)R_Z\left({\mathrm{\ϵ}}_Z\right){\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_T---\left(1\right)$

式中R_X(ε_X)，R_Y(ε_Y)，R_Z(ε_Z)为三个坐标轴的旋转矩阵，分别为：

$R_X\left({\mathrm{\ϵ}}_X\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\ϵx}& \sin \mathrm{\ϵx}\\ 0& -\sin \mathrm{\ϵx}& \cos \mathrm{\ϵx}\end{array}\right],$ $R_y\left({\mathrm{\ϵ}}_y\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\ϵ}}_y& 0& -\sin {\mathrm{\ϵ}}_y\\ 0& 1& 0\\ \sin {\mathrm{\ϵ}}_y& 0& \mathrm{con}{\mathrm{\ϵ}}_y\end{array}\right],$

$R_Z\left({\mathrm{\ϵ}}_z\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\ϵ}}_z& \sin \mathrm{\ϵz}& 0\\ -\sin \mathrm{\ϵz}& \cos \mathrm{\ϵz}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right].$ 由此可见，空间中任意的两个直角坐标系之间可以实现转换。只要可以标定公式1中的三个线位移量和三个角位移量，一个直角坐标系中的点可以在另一个坐标系之中找到与自己对应的坐标。

因为线位移和角位移的测量结果是相互关联的，在动态测量时(如利用立体视觉法)，一般不能直接得到空间目标独立的六个自由度分量。实际测量得到的是六个自由度分量相互作用的信号。必须对测量结果进行复杂的分离计算，才能得到物体最终的姿态。本文提出的测量方案，使测量数据的不同分量对6个自由度分量的敏感存在可控的差异，从而可以优化分离计算过程，方便地调整各分量的敏感度以满足整体的精度要求。

以运动物体是列车为例，无源部分(反射镜)安装在地面，有源部分(激光器、幕布、摄像机等)车载安装，具体测量方案如图1所示，y轴为列车行进方向。3个车载激光器发射的光线通过幕布上的小孔后在无源设备上产生反射，反射光在幕布上形成3个亮点，其在幕布的位置可以通过摄像机来测量。当列车的姿态发生变化时，就会引起3个亮点位置的变化。如果以反射镜所在的地面为基准建立坐标系，根据激光传播的光路和亮点位置，可以精确计算出车体相对于地面的6个自由度。同理，也可以将无源部分安装于列车，有源部分固定于地面，在地面精确测量车辆的姿态。

具体实施例

第一实施例

下面参照图2描述本发明的第一实施例。

根据本发明的运动物体测量装置10包括无源部分20和有源部分30，无源部分20包括反射镜200，有源部分30包括激光器301、测量装置302、成像装置303和计算装置(未示出)，其中，无源部分20静止固定，有源部分30固定于被测量的运动物体(未示出)。在本实施例中，成像装置303可以是能够呈现由反射镜200反射的激光亮点的并且能够使得该激光亮点对于在成像装置303的另一侧的测量装置302为可见亮点的任何适当的漫反射装置，诸如，幕布、毛玻璃板等等。成像装置303设置在有源部分30的面对无源部分20的表面上。激光器301为三个或更多个激光器。其中，反射镜为一个平面镜200，平面镜200被设置成与成像装置303平行。激光器301包括激光出射角度彼此不同的三个激光器：第一激光器3011、第二激光器3012、第三激光器3013，并且这三个激光器发出的激光均射到能够射到反射镜200上并在经过该反射镜反射后在成像装置304上形成三个亮点。

另外，测量装置302设置在激光器301的与成像装置303相对的另一侧，测量装置302用于测量在成像装置303上呈现的反射亮点1、2、3的位置，反射亮点是通过反射镜200反射激光器301发出的激光而形成的。计算装置(未示出)利用反射亮点1、2、3的位置计算运动物体的运动姿态，诸如，点头、摇头、侧滚、伸缩、上下、以及左右。

在具体的测量过程中，y轴为列车行进方向。3个车载第一激光器3011、第二激光器3012、第三激光器3013发射的光线通过幕布上的小孔后在平面镜或者棱镜上产生反射，反射光在幕布上形成3个亮点1、2、3，其在幕布的位置可以通过测量装置302来测量。当列车的姿态发生变化时，就会引起3个亮点位置的变化。如果以反射镜200所在的地面为基准建立坐标系，根据激光传播的光路和亮点位置，可以精确计算出车体相对于地面的6个自由度。

第二实施例

下面参照图3描述本发明的优选实施率。

根据本发明的运动物体测量装置10包括无源部分20和有源部分30，无源部分20包括反射镜200，有源部分30包括激光器301、测量装置302、成像装置303和计算装置(未示出)，其中，无源部分20静止固定而有源部分30固定于被测量的运动物体(未示出)。在本实施中，成像装置303可以是能够呈现由反射镜200反射的激光亮点的并且能够使得该激光亮点对于在成像装置303的另一侧的测量装置31为可见亮点的任何适当的漫反射装置，诸如，幕布、毛玻璃板等等。成像装置303设置在有源部分30的面对无源部分20的表面上。激光器301为三个或更多个激光器。其中，反射镜200包括一个竖棱镜2001、一个横棱镜2002和一个平面镜2003，平面镜2003被设置成不与两个棱镜2001、2002中的任何一反射面相平行。激光器301包括相对于成像装置303垂直的垂直激光器(第一激光器3011、第二激光器3012)以及相对于成像装置倾斜的倾斜激光器(第三激光器3013)，垂直激光器的数目与棱镜的数目相同并且一一对应，并且一个倾斜激光器(第三激光器3013)对应于平面镜2003。平面镜2003平行于成像装置303而设置，一个棱镜2001的棱平行于所述运动物体的运动方向而设置，另一个棱镜2002的棱垂直于所述运动物体的运动方向而设置。

另外，测量装置302设置在激光器301的与成像装置303相对的另一侧，测量装置302用于测量在成像装置303上呈现的反射亮点1、2、3的位置，反射亮点是通过反射镜200反射激光器301发出的激光而形成的。计算装置(未示出)利用反射亮点1、2、3的位置计算运动物体的运动姿态，诸如，点头、摇头、侧滚、伸缩、上下、以及左右。

在具体的测量过程中，y轴为列车行进方向。3个车载激光器3011、3012、3013发射的光线通过幕布上的小孔后在平面镜或者棱镜上产生反射，反射光在幕布上形成3个亮点1、2、3，其在幕布的位置可以通过测量装置302来测量。当列车的姿态发生变化时，就会引起3个亮点位置的变化。如果以反射镜200所在的地面为基准建立坐标系，根据激光传播的光路和亮点位置，可以精确计算出车体相对于地面的6个自由度。

由图3所示的光路图可知，有源设备相对于无源设备坐标系3个坐标轴的夹角对3个亮点1、2、3位置都有很大的影响。而对于线位移，增大激光器3013与x轴的夹角，可以增大亮点1对x轴左右位置的敏感度。当从激光器3012、3011发出的激光垂直成像装置303而射出时，亮点3的位置对y轴前后位置最为敏感，亮点2对z轴上下位置最为敏感。因此，调整3个激光器(第一激光器3011、第二激光器3012、第三激光器3013)出射的角度，可以调整亮点1、2、3位置对不同自由度分量的敏感度，即系统的测量精度可控。

通过以上所描述的两个实施例，可以实现通过调整3个激光器出射的角度，以调整亮点位置对不同自由度分量的敏感度，使得系统的测量精度可控。下面进一步描述如何通过测量装置测得的亮点位置数据来获得被测运动物体的自由度分量。

测量数据的处理方法：

当反射镜、幕布、激光器之间的几何关系确定后，可以运用基本的立体解析几何知识计算得到3个亮点在幕布的位置坐标与6个自由度分量的数学关系式，记作：

X＝F(A)，(3)

式中X∈R⁶为3个亮点的坐标向量，A∈R⁶为6个自由度向量，F为A到X的映射关系函数。在公式3中，X是可以通过摄像机测量的，F可以通过数学推导获得，A是欲求的未知量，即需要根据：

A＝F^-1(X)，(4)

获得运动物体的姿态。

由于F一般是非线性方程组，无法得到F^-1的解析式，这里我们采用人工神经元网络ANN来近似F^-1。具体方法如下：在测量范围内随机生成大量A，根据公式3计算得到X。将这些X和A作为输入和输出数据对ANN进行训练，最终得到近似的F^-1。

误差分析与数学仿真

由公式4可知，系统的测量误差主要包括两个方面：一个是亮点在幕布上坐标X的测量误差，另一个是使用ANN近似公式4中函数F^-1而产生的系统误差。下面以第二实施例为例(并假设平面镜与幕布距离500mm，激光器3013与x轴夹角为10度，激光器3011、3012与x轴夹角为0度)对这两个误差源分别进行分析。

幕布上3个亮点的位置坐标都由CCD像机摄取的图像求出。根据轨道交通的特点，如果反射镜设置在水平线路，运动列车车体的角位移变化范围一般小于±5°，线位移变化小于±50mm。如果反射镜与车体侧面距离500mm，根据图3的光路图可以计算得到亮点在幕布的变化范围小于500×375(mm)。假设采用常见的600线工业摄像机，CCD的分辨率一般为752×582，则CCD的横向量化误差为500/752＝0.665mm，纵向量化误差为375/582＝0.644mm。通过亚像素图像处理算法，可以进一步减小量化误差，一般可将位置误差减小为原来的1/5-1/20。在最坏情况下，X的测量误差ΔX≈0.14mm。

如果F^-1已知，则6个自由度的测量误差可表示为 $\mathrm{\ΔA}=\frac{{\mathrm{dF}}^{-1}}{\mathrm{dX}}\mathrm{\ΔX}$ 。由于这里的F^-1由ANN近似，因而无法得到测量误差的准确表达式。为了评价系统测量误差水平，我们采用了数学仿真的方法。首先，在自由度变化范围内根据均匀分布随机生成10000组数据A＝[x₀，y₀，z₀，z，b，c]′，根据公式3计算得到相应的x＝[y₁，z₁，y₂，z₂，y₃，z₃]′。为仿真图像采集处理引入的误差，在X中还要加入高斯随机噪声，使得X的测量误差ΔX≈0.14mm。将这些X和A进行归一化处理后作为输入和输出数据对ANN进行训练，最终得到近似的F^-1。ANN采用了三层BP网络，隐层和输出层的变换函数分别为双曲正切S函数和线性函数，隐层神经元个数经试验后确定为18个。为防止训练过度，10000个训练数据被随机分成两组，8000个作为正式训练数据，2000个作为检验数据。当ANN对检验数据的输出误差满足系统要求或没有改进时，训练结束。

仿真在Matlab环境中进行，表1列出了随机选出的5组仿真数据。从表1可以发现6个自由度可以较为准确的测出。通过对2000个测试数据的误差进行统计，得到角度测量标准差为0.161度，位移测量标准差为0.315mm。

表1误差绝对值表(角度：弧度，位移：mm)

a  0.0008 0.0363 0.0366 0.0237 0.0166

b  0.0002 0.0080 0.0091 0.0376 0.0265

c  0.0143 0.0005 0.0002 0.0372 0.0085

x0 0.0332 0.5992 0.0753 0.1251 0.1160

y0 0.1573 0.1443 0.1085 0.2960 0.1625

z0 0.0075 0.1430 0.0886 0.0570 0.0047

通过以上对于本发明原理、实施方式、数据处理、以及误差分析与数学仿真的描述而完整地描述了本发明。但是，这种描述仅为了示例的目的，而并非为了限制本发明。因此，本发明不受以上描述中的任何细节的限制，本发明的范围仅由所附权利要求所限定。本领域普通技术人员可从上述描述中易于想到的任何等同替换和更改均包含在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种运动物体的瞬时姿态测量装置，该运动物体测量装置能够以非接触方式高精度地测量运动物体的瞬时姿态，其特征在于，该运动物体的瞬时姿态测量装置包括无源部分的反射镜，和有源部分的激光器、测量机构、计算装置及成像装置；其中，无源部分和有源部分中的一个被静止地固定，而另一个和被测量的运动物体固定。

2.根据权利要求1所述运动物体的瞬时姿态测量装置，其特征在于，所述成像装置设置在有源部分面对无源部分的表面上。

3.根据权利要求1所述运动物体的瞬时姿态测量装置，其特征在于，所述激光器至少为三个。

4.根据权利要求1所述运动物体的瞬时姿态测量装置，其特征在于，所述反射镜为一个平面镜，并且激光器被设置成以不同角度投射到平面镜。

5.根据权利要求1所述运动物体的瞬时姿态测量装置，其特征在于，所述反射镜或包括一个平面镜和一个或多个棱镜，平面镜被设置成不与一个或多个棱镜中的任何一反射面相平行。

6.根据权利要求5所述运动物体的瞬时姿态测量装置，其特征在于，所述棱镜具有一个楞或相互平行的多个楞。

7.根据权利要求1或3所述运动物体的瞬时姿态测量装置，其特征在于，所述激光器包括相对于成像装置垂直的垂直激光器以及相对于成像装置倾斜的倾斜激光器，垂直激光器的数目与棱镜的数目相同并且一一对应，并且至少一个倾斜激光器对应于平面镜。

8.根据权利要求1所述运动物体的瞬时姿态测量装置，其特征在于，所述平面镜平行于成像装置而设置，所述棱镜优选为两个，其中一个棱镜的楞平行于运动物体的运动方向而设置，另一个棱镜的楞垂直于运动物体的运动方向而设置。

9.根据权利要求1所述运动物体的瞬时姿态测量装置，其特征在于，所述测量装置设置在激光器与成像装置相对的另一侧，测量装置为用于测量在成像装置上呈现的反射亮点，反射亮点是通过反射镜反射激光器发出的激光而形成的。

10.根据权利要求1所述运动物体的瞬时姿态测量装置，其特征在于，所述计算装置利用反射亮点的位置计算运动物体的运动姿态：点头、摇头、侧滚、伸缩、上下以及左右。