CN101382417B - 非接触六自由度位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非接触六自由度位移测量装置，包括：固定不动部分；光源发光部分，包括4路激光输出结构，与固定不动部分固定在一起，并发射光束；光电接收部分，被测物体与所述光电接收部分固定在一起，并且所述光电接收部分包括4个面阵CCD，其中，每个CCD分别接收从4路激光输出结构发射的光源信号中的一路光源信号，当被测物体发生任一自由度的运动时，引起CCD上相应光点位置的变化，根据变化前后的所述光点位置计算物体六自由度位移。本发明的非接触六自由度位移测量装置可用于物体高精度的六自由度微位移监测。

Description

非接触六自由度位移测量装置

技术领域

本发明涉及一种非接触六自由度位移测量装置，属于光电测量领域，特别适用于物体间六自由度相对微位移的高精度测量。

背景技术

任何一个物体在空间中的运动都有6个自由度，即3个方向的平移(Δx，Δy，Δz)和绕3个方向轴的旋转(θ_x，θ_y，θ_z)。现代科学技术的发展，对航天、航空、机械、仪表等众多领域内的加工精度、安装精度和检测精度提出了更高的要求。被加工工件的定位、精密零件的安装、目标物体在空间的位置与运动监测等，都需要多至6个自由度的测量、调整和控制。由于其广泛的应用前景，多自由度的同时非接触测量是各国研究的热点，一直被作为检测领域内的一个重要课题进行研究。20世纪60年代以来，出现了较多的光学测量方法与技术。六自由度光电测量方法概括起来分为以下几大类：1、传统的几何光学六自由度测量方法；2、基于衍射光栅的六自由度测量方法；3.利用视觉技术六自由度测量；4、基于激光跟踪的六自由度测量方法；5、激光干涉与激光准直组合的六自由度测量方法。上述的六自由度测量技术各有优势和局限性，也有不同的应用条件和背景。在进行某工件空间六自由度位移监测时，上述自由度测量方法普遍存在结构复杂、安装空间不足等问题，难以适用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种非接触六自由度位移测量装置，可实现物体六自由度的相对微位移的测量，具有光路简单、精度高的优点。

本发明提供一种非接触六自由度位移测量装置，包括：固定不动部分；光源发光部分，包括四路激光输出结构，与不动部分固定在一起，并发射光束；光电接收部分，被测物体与所述光电接收部分固定在一起，并且所述光电接收部分包括四个面阵CCD，其中，分别接收从四路激光输出结构发射的光信号中的一路，当被测物体发生运动时，引起CCD上相应光点位置的变化，根据运动前后光点位置变化计算物体六自由度位移。

以被测物体运动前后两个成像面为基础分别建立三维坐标系，求解运动后的光点在运动前的坐标系下的三维坐标，并与运动后的坐标联立求解两个坐标系之间的旋转和平移变换关系，由此得到被测物体的六自由度位移。

四路激光输出结构采用1个半导体激光光源发射光束，所述光束经光纤耦合器分光后，由光纤传输并进行准直输出。

四路激光输出结构发射的4束光束的反向延长线交于一点。

所述光电接收部分的4个CCD的感光面处于同一平面内，分别采集对应的光源信号。

本发明与现有技术相比具有结构简单、安装调整方便、可获得高测量精度的特点，可用于监测物体的微小六自由度位移。

附图说明

通过结合附图，从下面的实施例的描述中，本发明这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：

图1为根据本发明实施例的多路激光输出结构的示意图；

图2为根据本发明实施例的非接触六自由度测量装置的实施图；

图3为根据本发明实施例的非接触六自由度测量装置的原理简图；

图4为根据本发明实施例的求解光点三维坐标原理的示意图。

具体实施方式

现在将详细描述本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的部件。下面通过参照附图来描述这些实施例以解释本发明。

图1为根据本发明实施例的激光光源的多路激光输出结构示意图。参照图1，多路激光输出结构包括半导体激光光源1、光纤2、光纤耦合器3、光纤4和准直器5。半导体光源1发出激光，通过光纤2传导至光纤耦合器3，光纤耦合器3将激光分为四束，分别独立地从光纤4传导并经过准直器5准直后作为所需光束6输出。在图1中示出了该多路激光输出结构输出四束光束(即，采用了四路激光输出结构)，但是可根据需要输出其它数量的光束。

图2为根据本发明实施例的非接触六自由度测量装置的实施图。该非接触六自由度测量装置包括固定不动部分7、光源8、固定支架9以及面阵CCD(电荷耦合器件)10。光源8是发光部分，可采用图1所示的四路激光输出结构。光源8与固定不动部分7固定在一起，并发射光束。应该注意，为了表示简便，在图2中仅示出了多路激光输出结构2的部分结构(例如，准直器5)，而省略了其他组成部分。

面阵CCD(电荷耦合器件)10是光电接收部分。4个面阵CCD4通过固定支架9与被测物体11刚性固定，通过调整使CCD10的感光面共面，并标定出各CCD在整个平面的位置。

将光源8固定在测量中相对不动的部分7上，通过调整使4束光束反向延长线交于一点，并使各光束在CCD10上成像，成像点分布如图3所示。标定出各光束间夹角。

初始时，计算机采集各CCD图像，并处理出当前各光点中心在图像坐标系中的位置。工作时，当被测物体11发生任意自由度的运动(包括旋转或平移)时，带动固定支架9，从而引起各CCD10上相应光点位置的变化，通过采集CCD图像，进行处理获得所述光点位置，根据所述光点位置运动前后变化计算出物体六自由度位移。

下面从理论上对物体六自由度位移的计算方法进行分析：

以运动前后两个成像面为基础分别建立三维坐标系，根据几何知识求解运动后光点在运动前坐标系下的三维坐标，并与运动后坐标联立方程组求解两个坐标系之间的旋转和平移变换，即，所述成像平面之间的变换关系，由此即可得到被测物体的六自由度位移。

图4给出了求解像点三维坐标的简单示意图，为了表示清晰，图中仅画出了2束对角光线以及相应光点坐标的求解过程，另外两束光束的光点坐标可以同理获得。L为光线La和Lb的空间交点，a和b为2束对角光线在相应CCD上的成像点(光线与成像面的交点)，p为初始时四个CCD所共处的整体成像面，h是初始时对角成像点连线的交点，位于原点位置。被测物体发生运动后，整体成像面移动至P位置，成像点在成像面上的位置变化至A和B，同样，新的对角光点连线交于点H，点H已经离开原点位置。为了进行坐标求解，过点H做一平面P′平行于初始时的成像面p，光线与P′相交与A′和B′。

①建立像面三维坐标系

以h点为原点建立坐标系，x轴和y轴分别平行于图像坐标轴，z轴通过右手定则确定，将运动前像面p的三维坐标系o-xyz作为基坐标系；

②求解运动后光点在基坐标系下的三维坐标

平面P′与平面Lab相交于线段A′B′，易知ab//A′B′。设 $\∠\mathrm{Lba}=\∠\mathrm{Lab}=\mathrm{\α},$ ah＝bh、AH＝BH，所述线段长度可以通过运动前后像点图像坐标以及CCD之间的相对位置关系求解得到。

当AH≥BH时，考虑三角形A′HA，由正弦定理可知：

$\frac{\sin \∠A\′\mathrm{AH}}{A\′H}=\frac{\sin \∠\mathrm{AA}\′H}{\mathrm{AH}}$

由于 $\mathrm{\α}+\∠\mathrm{AA}\′H=\mathrm{\π},$ 故上式可写为：

$\frac{\sin \∠A\′\mathrm{AH}}{A\′H}=\frac{\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{AH}}---\left(1\right)$

在三角形B′HB中，

$\frac{\sin \∠B\′\mathrm{BH}}{B\′H}=\frac{\sin \∠\mathrm{BB}\′H}{\mathrm{BH}}$

由于 $2\mathrm{\α}+\∠\mathrm{ALB}=\mathrm{\π},$ $\∠B\′\mathrm{BH}=\∠\mathrm{ALB}+\∠A\′\mathrm{AH},$ 那么上式可写为：

$\frac{\sin (2\mathrm{\α}-\∠A\′\mathrm{AH})}{B\′H}=\frac{\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{BH}}---\left(2\right)$

将等式(1)与等式(2)相除后可得：

$\frac{\mathrm{BH}}{\mathrm{AH}}=\frac{\sin \∠A\′\mathrm{AH}}{\sin (2\mathrm{\α}-\∠A\′\mathrm{AH})}$

从中可解得：

$\∠A\′\mathrm{AH}=\mathrm{arctg}\frac{\mathrm{BH}\sin 2\mathrm{\α}}{\mathrm{AH}+\mathrm{BH}\cos 2\mathrm{\α}}$

至此，图4中所有三角形的边、角均可求解：

$\∠A\′\mathrm{HA}=\mathrm{\α}-\∠A\′\mathrm{AH}$

$A\′H=\mathrm{AH}\×\frac{\sin \∠A\′\mathrm{AH}}{\sin \mathrm{\α}}$

$A\′A=\mathrm{AH}\×\frac{\sin \∠A\′\mathrm{HA}}{\sin \mathrm{\α}}$

$B\′B=\mathrm{BH}\×\frac{\sin \∠A\′\mathrm{HA}}{\sin \mathrm{\α}}$

$\mathrm{\αA}\′=\frac{A\′H-\mathrm{ah}}{\cos \mathrm{\α}}$

aA＝aA′+A′A

bB＝aA′-B′B

若AH<BH，可以先考虑在三角形B′HB中求解

同样可以获得图4中的各个几何量。

设光点a在基坐标系o-xyz中表示的向量与x轴正方向的夹角为

则对于其他像点：

那么，在基坐标系o-xyz下，A点和B点的坐标值分别为：

z_A＝aA×sinα

z_B＝bB×sinα

采用同样的方式可以获得C点、D点在基坐标系o-xyz下的坐标。

③坐标变换

六个自由度包括分别绕x、y和z轴的旋转角度ω_x、ω_y和ω_z，以及分别沿三个轴方向的平移运动t_x、t_y和t_z，将坐标系的运动分解后，单独分析点坐标的变换关系。

坐标系绕x轴旋转ω_x，

$\left[\begin{array}{c}x\&prime;\\ y\&prime;\\ z\&prime;\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\&omega;}}_x& \sin {\mathrm{\&omega;}}_x\\ 0& -\sin {\mathrm{\&omega;}}_x& \cos {\mathrm{\&omega;}}_x\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=R_x\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]$

坐标系绕y轴旋转ω_y，

$\left[\begin{array}{c}x\&prime;\\ y\&prime;\\ z\&prime;\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\&omega;}}_y& 0& -\sin {\mathrm{\&omega;}}_y\\ 0& 1& 0\\ \sin {\mathrm{\&omega;}}_y& 0& \cos {\mathrm{\&omega;}}_y\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=R_y\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]$

坐标系绕z轴旋转ω_z，

$\left[\begin{array}{c}x\&prime;\\ y\&prime;\\ z\&prime;\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\&omega;}}_z& \sin {\mathrm{\&omega;}}_z& 0\\ -\sin {\mathrm{\&omega;}}_z& \cos {\mathrm{\&omega;}}_z& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=R_z\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]$

坐标系沿轴方向分别平移t_x、t_y和t_z，

$\left[\begin{array}{c}x\&prime;\\ y\&prime;\\ z\&prime;\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right]$

上面各式中，[x y z]^T、[x′y′z′]^T分别为坐标系运动前后同一点在不同坐标系下的坐标。旋转的正方向由右手定则规定，平移的正方向为各轴的正向。

按照上面的顺序对分步运动进行合成，得到任意运动下坐标变换关系如下：

$\left[\begin{array}{c}x\&prime;\\ y\&prime;\\ z\&prime;\end{array}\right]=R_z{R}_y{R}_x\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right]$

其中，

$R=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\&omega;}}_y\cos {\mathrm{\&omega;}}_z& \cos {\mathrm{\&omega;}}_x\sin {\mathrm{\&omega;}}_z+\sin {\mathrm{\&omega;}}_x\sin {\mathrm{\&omega;}}_y\cos {\mathrm{\&omega;}}_z& \sin {\mathrm{\&omega;}}_x\sin {\mathrm{\&omega;}}_z-\cos {\mathrm{\&omega;}}_x\sin {\mathrm{\&omega;}}_y\cos {\mathrm{\&omega;}}_z\\ -\cos {\mathrm{\&omega;}}_y\sin {\mathrm{\&omega;}}_z& \cos {\mathrm{\&omega;}}_x\cos {\mathrm{\&omega;}}_z-\sin {\mathrm{\&omega;}}_x\sin {\mathrm{\&omega;}}_y\sin {\mathrm{\&omega;}}_z& \sin {\mathrm{\&omega;}}_x\cos {\mathrm{\&omega;}}_z+\cos {\mathrm{\&omega;}}_x\sin {\mathrm{\&omega;}}_y\sin {\mathrm{\&omega;}}_z\\ \sin {\mathrm{\&omega;}}_y& -\sin {\mathrm{\&omega;}}_x\cos {\mathrm{\&omega;}}_y& \cos {\mathrm{\&omega;}}_x\cos {\mathrm{\&omega;}}_y\end{array}\right]$

                                                                     (3)

如果按照不同的顺序进行合成，得到的旋转矩阵表达式R是不同的，但都可按照相同的方式解算，这里以ω_x、ω_y、ω_z、t_x、t_y和t_z的顺序进行合成。

④求解旋转矩阵和平移向量并分解各运动参数

将旋转矩阵写成 $R=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right],$ 通过解方程组的方式，求解R和t的各元素，然后再求解各旋转角度。

根据各像点的图像坐标可以容易获得4束光束的旧成像点a、b、c、d在基坐标系o-xyz下的坐标，4束光束的新成像点A、B、C、D在新坐标系O-XYZ下的坐标[x′y′z′](其中，在附图中省略了表示前面提到的另外两束光束的旧成像点和新成像点的符号c、d以及C、D)。通过上面介绍的方法还可以获得新像点在基坐标系o-xyz下的坐标[x y z]。

对于x坐标，可以列写x′＝r₁₁x+r₁₂y+r₁₃z+t_x，其中有四个未知数。虽然有四个光点，但是由于四个点位于同一成像平面上，实际上只可以得到三个不相关的方程。又由于旋转矩阵本身是一个单位正交矩阵，各行或列的元素平方和为1，因此有：

$\left\{\begin{array}{c}{x_1}^{\&prime;}=r_{11}{x}_1+r_{12}{y}_1+r_{13}{z}_1+t_x\\ {x_2}^{\&prime;}=r_{11}{x}_2+r_{12}{y}_2+r_{13}{z}_2+t_x\\ {x_3}^{\&prime;}=r_{11}{x}_3+r_{12}{y}_3+r_{13}{z}_3+t_x\\ {r_{11}}^2+{r_{12}}^2+{r_{13}}^2=1\end{array}\right.$

求解此方程组可以得到旋转矩阵的第一行元素以及沿x轴方向的平移量t_x。同理可以获得R中其他行的元素以及其他两方向上的平移t_y、t_z。由于存在二次项，方程组有两组解。将z轴单位向量通过求解得到的两组解变换到新的坐标系下，z分量为负的新向量对应的解必定是错误的，因为微小的旋转角度不可能使z坐标轴反向。

获得了旋转矩阵，按照式(3)中获得的旋转矩阵元素和各旋转角度之间的关系，分解得到各旋转角度：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_x=\mathrm{arctg}(-\frac{r_{32}}{r_{33}})\\ {\mathrm{\&omega;}}_y=\arcsin r_{31}\\ {\mathrm{\&omega;}}_z=\mathrm{arctg}(-\frac{r_{21}}{r_{11}})\end{array}\right.$

将上述过程用计算机软件实现，就可以求解三个旋转角度[ω_xω_yω_z]′以及三个平移分量[t_xt_yt_z]′，从而实现六自由度的位移测量。

因此，根据本发明的非接触六自由度测量装置具有结构简单、安装调整方便、可获得高测量精度的优点，可用于监测物体的微小六自由度位移。

虽然已经参照本发明的示例性实施例具体描述和显示了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (3)

1.一种非接触六自由度位移测量装置，包括：

固定不动部分；

光源发光部分，包括四路激光输出结构，与固定不动部分固定在一起，并发射光束，其中，四路激光输出结构发射的光束的反向延长线交于一点；

光电接收部分，被测物体与所述光电接收部分固定在一起，并且所述光电接收部分包括四个面阵CCD，

其中，所述光电接收部分的四个CCD的感光面处于同一平面内，分别采集从四路激光输出结构发射的光源信号中的一路光源信号，当被测物体发生任一自由度的运动时，引起CCD上相应光点位置的变化，根据变化前后的所述光点位置计算被测物体六自由度位移。

2.根据权利要求1所述的非接触六自由度位移测量装置，其特征是，以被测物体运动前后两个成像面为基础分别建立三维坐标系，求解运动后的光点在运动前的坐标系下的三维坐标，并与运动后的光点在运动后的坐标系下的坐标联立求解两个三维坐标系之间的旋转和平移变换关系，由此得到被测物体的六自由度位移。

3.根据权利要求1或2所述的非接触六自由度位移测量装置，其特征是，所述四路激光输出结构采用一个半导体激光光源发射光束，半导体激光光源发射的光束经光纤耦合器分光后，由光纤传输并进行准直输出。

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