CN101666640B - 一种二维姿态角的测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维姿态角的测量方法，通过以平行准直光源为基准光源，具有多个不对称的阵列小孔的针孔光阑作为光学系统，在图像传感器四周设置一组高精度平面反射镜，将平行准直光源的大角度平行入射光通过针孔光阑，经过平面反射镜的反射后投射在图像传感器成像面上形成光斑，计算光斑质心在成像面的平面直角坐标系上的坐标，并根据各阵列小孔的中心坐标和预先设定的系统焦距，通过三角几何的方法计算出光线的二维姿态角；本发明同时公开了一种二维姿态角的测量系统；通过本发明的方法使姿态角的测量能够达到大量程的测角范围，并且由于采用平行准直光源为基准光源和针孔光阑作为光学系统，使系统的设计与工作距离无关。

Description

一种二维姿态角的测量方法和系统

技术领域

本发明涉及光学测量领域，特别涉及一种二维姿态角的测量方法和系统。 

背景技术

在机械制造、航空、航天、国防、建筑等部门中，姿态角是需要测量确定的重要物理量。所谓姿态角，是指物体相对于参照物的空间方位角，姿态角的测量通常采用圆光栅法、环形激光测角法、光学内反射小角度测量法、光电自准直测角法等。 

在诸多的姿态角测量方法中，圆光栅法其原理是：利用两块32400线的径向光栅安装在0.5r/s的同一个轴套上，两个读数头一个固定，一个装在转台上连续旋转，信号间的相位差变化与转角成正比，仪器中用一个自准直仪作为基准指示器，可以测得绝对角度，利用光栅细分原理可测360度范围内的任意角度，附加零伺服机构可以对转台进行实时调整，限制零漂。 

环形激光测角的基本原理是：当被检量具和环形激光器相对于静止的光电自准直仪同步转动时，在瞄准轴与量具棱面发现相重合的瞬间，被测角度转换成由光电流触发和停止脉冲所需的时间间隔，接口装置在此间隔内对环形激光脉冲读数，根据读数计算出被测角度。 

以圆光栅法和环形激光法为代表的光学姿态角测量方法，虽然精度较高，但对硬件条件要求苛刻，且只限于一维角度测量。 

基于传统光学方法与光电接收器件相结合的光电姿态角测量方法，例如：采用光电自准直姿态角测量系统的光电自准直测角方法，由于其良好的测量精度和可操作性被广泛应用，但传统的光电自准直姿态角测量系统均采用激光光源，如图1所示，利用激光11本身的方向性，以激光光强分布中心作为基准直线，通过半透半反镜12，经反射镜13反射和透镜14聚焦成像在探测器15上，通过对激光束光斑成像位置的探测实现姿态角的测量。

由于激光的方向性好，在一定工作距离内，当姿态角发生变化时，激光光束将会有较大的偏移，从而需要大口径的光学系统接收激光光束，随着工作距离的增加，所需光学系统的口径也在增大。如在1米距离内10°的测角范围，所需的光学系统的口径是175mm，所以一般光电自准直姿态角测量系统的测角范围只能小于±5°，这样，光学系统的口径大大阻碍了传统光电自准直姿态角测量系统对大量程测角范围的设计。 

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种二维姿态角的测量方法和系统，使姿态角的测量能够达到大量程的姿态角测角范围。 

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： 

本发明提供的一种二维姿态角的测量方法，该方法包括： 

将平行准直光源的平行入射光线通过针孔光阑上的多个不对称的阵列小孔投射在图像传感器成像面上，形成多个光斑； 

根据光斑成像区域，计算各光斑质心在成像面的坐标； 

根据各光斑质心相对位置关系，在各光斑为入射光线通过针孔光阑经平面反射镜反射在图像传感器成像面上形成的反射光斑时，计算各光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标；根据各光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何方法计算出入射光线的二维姿态角； 

在各光斑为入射光线直接通过针孔光阑投射在图像传感器成像面上形成的正射光斑时，根据各光斑质心的坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何方法计算出入射光线的二维姿态角。 

上述方案中，所述计算备光斑质心在成像面的坐标之前，该方法进一步包括：对针孔光阑、平面反射镜和图像传感器的成像面进行系统建模；所述系统 建模具体为：取针孔光阑中心到图像传感器的成像面的垂直点，作为图像传感器成像面的平面直角坐标系的原点，计算出各阵列小孔的中心坐标、及平面反射镜的位置。 

上述方案中，所述计算出入射光线的二维姿态角具体为：根据各光斑质心的坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何方法得到入射光线的多个二维姿态角，将所有得到的二维姿态角取平均值作为入射光线的二维姿态角。 

本发明提供的一种二维姿态角的测量系统，该系统包括： 

平行准直光源，用于提供平行入射光； 

成像单元，用于将平行准直光源的平行入射光线通过多个不对称的阵列小孔投射在成像面上形成多个光斑，并将各光斑的成像区域传送给计算机处理单元； 

计算机处理单元，用于根据成像单元传来的各光斑的成像区域，计算出各光斑的质心坐标，并根据各光斑的质心的相对位置，在各光斑为经过平面反射镜反射形成的反射光斑时，计算各光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标，根据各光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何的方法计算出二维姿态角；在各光斑为入射光线直接通过针孔光阑投射在图像传感器成像面上形成的正射光斑时，根据各光斑质心的坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何方法计算出入射光线的二维姿态角。 

上述方案中，所述成像单元进一步包括： 

针孔光阑，用于利用多个不对称的阵列小孔，在平行准直光源的平行入射光线照射时，在图像传感器的成像面上形成多个不对称的光斑； 

图像传感器，用于将各光斑成像区域的光信号转换为电信号，逐个传送给计算机处理单元； 

平面反射镜，用于将通过针孔光阑照射来的光线反射到图像传感器上。 

上述方案中，所述计算机处理单元进一步包括： 

质心计算单元，用于通过一阶矩质心算法计算各光斑的质心坐标； 

光斑正反识别单元，用于根据各光斑的质心坐标得到各光斑的质心的相对位置，在经过平面反射镜反射形成反射光斑时，计算反射光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标；在没有经过平面反射镜反射而形成正射光斑时，直接将各光班的质心坐标传送给姿态角计算单元； 

姿态角计算单元，用于根据预先设定的系统焦距、光斑正反识别单元传送的光斑质心坐标和针孔光阑的各阵列小孔的中心坐标，采用三角几何的方法计算出光线的二维姿态角。 

上述方案中，所述计算机处理单元进一步包括： 

系统建模单元，用于取针孔光阑中心到图像传感器的成像面的垂直点，作为图像传感器成像面的平面直角坐标系的原点，为针孔光阑、平面反射镜和图像传感器的成像面进行系统建模，计算出各阵列小孔的中心坐标、及平面反射镜的位置；还用于为质心计算单元提供计算所需的直角坐标系。 

上述方案中，该系统进一步包括：接口单元，用于将成像单元得到的图像数据按照所使用的接口传送协议进行封装，传送到计算机处理单元。 

本发明所提供的二维姿态角测量方法和系统，以平行准直光源为基准光源，具有多个不对称的阵列小孔的针孔光阑作为光学系统，在图像传感器四周设置一组高精度平面反射镜，将平行准直光源的大角度平行入射光通过针孔光阑，经过平面反射镜的反射后投射在图像传感器成像面上形成光斑，计算光斑质心在成像面的平面直角坐标系上的坐标；并根据各阵列小孔的中心坐标和预先设定的系统焦距，通过三角几何的方法计算出光线的二维姿态角。本发明的方法避免了自准直测角方法中激光光源及反射镜对视场的约束，扩大了可用视场，使姿态角的测量能够达到大量程的测角范围；并且，由于采用平行准直光源为基准光源和针孔光阑作为光学系统，使系统的设计与工作距离无关，避免了对光学系统口径的要求，无需庞大厚重的光学镜头。 

附图说明

图1为传统的光电自准直姿态角测量系统的原理示意图； 

图2为本发明中二维姿态角测量方法的实现流程示意图； 

图3为本发明中二维姿态角测量方法的测量原理示意图； 

图4为本发明中二维姿态角测量系统的结构示意图。 

具体实施方式

本发明的基本思想是：以平行准直光源为基准光源，具有多个不对称的阵列小孔的针孔光阑作为光学系统，在图像传感器四周设置一组高精度平面反射镜，根据需要达到的测角范围预先设定系统焦距，将平行准直光源的大角度平行入射光通过针孔光阑，经过平面反射镜的反射后投射在图像传感器成像面上形成光斑，计算光斑质心在成像面的平面直角坐标系上的坐标；并根据各阵列小孔的中心坐标和预先设定的系统焦距，通过三角几何的方法计算出光线的二维姿态角。 

其中，所述针孔光阑，一般采用微电子机械系统(MEMS)技术在硅基片上镀膜蚀刻阵列小孔来实现，小孔直径为100μm，孔间距600μm；为了识别正射光斑和反射光斑，针孔光阑设计成多个不对称的阵列小孔，在本发明的实施例中采用三个不对称的阵列小孔，其分布如图3所示。 

所述预先设定系统焦距，一般是根据图像传感器成像面的大小和所要达到的测角范围，进行系统焦距设定，例如：图像传感器成像面的长宽均为2a，所要达到的测角范围为±20°，平面反射镜的高度H取： 

为在没有平面反射镜时测角范围为±10°所需系统焦距的一半，则系统焦距F为： 

如果想要更大的测角范围，只要将焦距缩短到合适位置即可。 

下面通过附图及具体实施例对本发明再做进一步的详细描述。 

本发明实现一种二维姿态角的测量方法，如图2所示，该方法包括以下几个步骤： 

步骤201：对针孔光阑、平面反射镜和图像传感器的成像面进行系统建模； 

具体的，对针孔光阑、平面反射镜和成像面进行系统建模实际就是在成像面建立一平面直角坐标系，如图3所示，取针孔光阑中心Om到成像面的垂直点Oc，作为成像面的平面直角坐标系的原点，根据设定的三个不对称的阵列小孔到图像传感器的成像面的垂直投影，计算出三个不对称的阵列小孔的中心坐标，分别为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)；同时，计算平面反射镜在坐标系上的位置，在图3中即为(0，y_P)； 

步骤202：平行准直光源的平行入射光入射，当入射角较小时，通过针孔光阑直接投射在图像传感器成像面上形成正射光斑，当入射角较大时，通过针孔光阑后将经过平面反射镜的反射，在图像传感器成像面上形成反射光斑； 

步骤203：计算光斑质心在图像传感器成像面的坐标，识别正射光斑和反射光斑，计算反射光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标； 

具体的，对光斑质心定位采取一阶矩质心算法，即：根据图像传感器采集的光斑的成像区域，将三个光斑的成像区域各分为M行N列，对其中一个光斑逐行读取光斑成像区域中各像素的灰度值F(x，y)和在直角坐标系上的坐标值(x，y)，按照公式(1)得到该光斑的质心坐标(x_c，y_c)： 

$x_c=\frac{\underset{x=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}F(x,y)x}{\underset{x=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}F(x,y)},$

$y_c=\frac{\underset{x=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}F(x,y)y}{\underset{x=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}F(x,y)}---\left(1\right)$

其中，公式(1)中，x_c、y_c是求得的光斑质心坐标；x是x行y列像素的 横坐标；y是x行y列像素的纵坐标；F(x，y)是x行y列像素的灰度值；按照上述方法，分别求得三个光斑的质心坐标； 

并根据三个光斑的质心的相对位置，判断是否为反射光斑，如图3所示，如果为反射光斑，则将三个光斑的质心坐标映射到虚拟扩展的成像面内，即：将平面反射镜的位置的Y_C轴坐标乘以2，再减去质心坐标的Y_C轴坐标，作为映射在虚拟扩展的成像面的质心坐标的Y_C轴坐标，其中，X_C轴坐标保持不变，最后得到的三个光斑的质心坐标分别为(x_c1，y_c1)、(x_c2，y_c2)、(x_c3，y_c3)。 

其中，在本步骤中，在平面反射镜与图像传感器成像面的连接处，有可能出现三个光斑不同时为反射光斑或正射光斑和光斑重叠的情况，此时，可以把形成的光斑作为正射光斑，因为针孔光阑本身很小，将不会对结果有很大影响。 

步骤204：根据步骤203中光斑的质心坐标、步骤201中的阵列小孔的中心坐标和预先设定的系统焦距F，通过三角几何的方法计算出光线的二维姿态角； 

具体的，如图3所示，设光线在系统建模的平面直角坐标系的x轴和y轴方向上的入射角分别为(α，β)，则根据预先设定的系统焦距F，以及步骤203中的光斑的质心坐标(x_c1，y_c1)、(x_c2，y_c2)、(x_c3，y_c3)和步骤201中的阵列小孔的中心坐标(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)，按照公式(2)得到α和β： 

${\mathrm{\α}}_1=\arctan \left(\frac{y_{c1}-y_1}{F}\right)$

${\mathrm{\β}}_1=\arctan \left(\frac{x_{c1}-x_1}{F}\right)$

${\mathrm{\α}}_2=\arctan \left(\frac{y_{c2}-y_2}{F}\right)$

${\mathrm{\β}}_2=\arctan \left(\frac{x_{c2}-x_2}{F}\right)$

${\mathrm{\α}}_3=\arctan \left(\frac{y_{c3}-y_3}{F}\right)$

${\mathrm{\β}}_3=\arctan \left(\frac{x_{c3}-x_3}{F}\right)$

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\α}}_3}{3}$

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\β}}_3}{3}---\left(2\right)$

其中，这里设定阵列小孔1的中心坐标为(x₁，y₁)，其相应的光斑的质心坐标为(x_c1，y_c1)；阵列小孔2的中心坐标为(x₂，y₂)，其相应的光斑的质心坐标为(x_c2，y_c2)；阵列小孔2的中心坐标为(x₃，y₃)，其相应的光斑的质心坐标为(x_c3，y_c3)；得到的α和β即为二维姿态角。 

为实现上述方法，本发明还提供一种二维姿态角的测量系统，如图4所示，该系统包括：平行准直光源41、成像单元42、计算机处理单元43；其中， 

平行准直光源41，用于提供平行入射光； 

成像单元42，用于将平行准直光源41的平行入射光通过多个不对称的阵列小孔投射在成像面上，形成多个光斑；并将各光斑的成像区域传送给计算机处理单元43； 

计算机处理单元43，用于对成像单元42进行系统建模，计算出各阵列小孔的中心坐标，根据图像传感器采集的光斑的成像区域，计算各光斑的质心坐标，并根据各光斑的质心的相对位置，确定各光斑是否为反射光斑，是反射光斑则计算各光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标，根据各光斑的质心坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距F，通过三角几何的方法计算出二维姿态角； 

所述成像单元42进一步包括：针孔光阑421、图像传感器422、平面反射镜423； 

针孔光阑421，用于利用多个不对称的阵列小孔，在平行准直光源41的平行入射光照射时，在图像传感器422的成像面上形成多个不对称的光斑； 

图像传感器422，用于将各光斑成像区域的光信号转换为电信号，逐个传送给计算机处理单元43； 

平面反射镜423，用于将通过针孔光阑421照射来的光线反射到图像传感器422上； 

所述计算机处理单元43进一步包括：质心计算单元431、光斑正反识别单元432、姿态角计算单元433；其中， 

质心计算单元431，用于通过一阶矩质心算法计算各光斑的质心坐标； 

光斑正反识别单元432，用于根据各光斑的质心坐标，得到各光斑的质心的相对位置，判断是否为反射光斑，如果是，则根据平面反射镜423的位置将反射光斑的质心坐标映射到虚拟扩展的成像面内，作为光斑的质心坐标； 

姿态角计算单元433，用于根据预先设定的系统焦距、光斑正反识别单元432传送的光斑质心坐标和针孔光阑421的各阵列小孔的中心坐标，采用三角几何的方法计算出光线的二维姿态角； 

所述成像单元42进一步包括图像传感器驱动单元424，用于对图像传感器422进行驱动； 

所述计算机处理单元43进一步包括系统建模单元434，用于取针孔光阑421中心到图像传感器422的成像面的垂直点，作为图像传感器422成像面的平面直角坐标系的原点，计算出各阵列小孔的中心坐标、及平面反射镜423的位置； 

所述系统建模单元434，还用于为质心计算单元431提供计算所需的直角坐标系； 

所述系统进一步包括接口单元44，用于将成像单元42得到的图像数据按照所使用的接口传送协议进行封装，传送到计算机处理单元43。 

此外，所述系统中图像传感器422、图像传感器驱动单元424及接口单元44可集成在可编程逻辑阵列(FPGA)中。 

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种二维姿态角的测量方法，其特征在于，该方法包括：

将平行准直光源的平行入射光线通过针孔光阑上的多个不对称的阵列小孔投射在图像传感器成像面上，形成多个光斑；

根据光斑成像区域，计算各光斑质心在成像面的坐标；

根据各光斑质心相对位置关系，在各光斑为入射光线通过针孔光阑经平面反射镜反射在图像传感器成像面上形成的反射光斑时，计算各光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标；根据各光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何方法计算出入射光线的二维姿态角；

在各光斑为入射光线直接通过针孔光阑投射在图像传感器成像面上形成的正射光斑时，根据各光斑质心的坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何方法计算出入射光线的二维姿态角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算各光斑质心在成像面的坐标之前，该方法进一步包括：对针孔光阑、平面反射镜和图像传感器的成像面进行系统建模；

所述系统建模具体为：取针孔光阑中心到图像传感器的成像面的垂直点，作为图像传感器成像面的平面直角坐标系的原点，计算出各阵列小孔的中心坐标、及平面反射镜的位置。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述计算出入射光线的二维姿态角具体为：根据各光斑质心的坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何方法得到入射光线的多个二维姿态角，将所有得到的二维姿态角取平均值作为入射光线的二维姿态角。

4.一种二维姿态角的测量系统，其特征在于，该系统包括：

平行准直光源，用于提供平行入射光；

成像单元，用于将平行准直光源的平行入射光线通过多个不对称的阵列小孔投射在成像面上形成多个光斑，并将各光斑的成像区域传送给计算机处理单元；

计算机处理单元，用于根据成像单元传来的各光斑的成像区域，计算出各光斑的质心坐标，并根据各光斑的质心的相对位置，在各光斑为经过平面反射镜反射形成的反射光斑时，计算各光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标，根据各光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何的方法计算出二维姿态角；在各光斑为入射光线直接通过针孔光阑投射在图像传感器成像面上形成的正射光斑时，根据各光斑质心的坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何方法计算出入射光线的二维姿态角。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述成像单元进一步包括：

针孔光阑，用于利用多个不对称的阵列小孔，在平行准直光源的平行入射光线照射时，在图像传感器的成像面上形成多个不对称的光斑；

图像传感器，用于将各光斑成像区域的光信号转换为电信号，逐个传送给计算机处理单元；

平面反射镜，用于将通过针孔光阑照射来的光线反射到图像传感器上。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述计算机处理单元进一步包括：

质心计算单元，用于通过一阶矩质心算法计算各光斑的质心坐标；

光斑正反识别单元，用于根据各光斑的质心坐标得到各光斑的质心的相对位置，在经过平面反射镜反射形成反射光斑时，计算反射光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标；在没有经过平面反射镜反射而形成正射光斑时，直接将各光班的质心坐标传送给姿态角计算单元；

姿态角计算单元，用于根据预先设定的系统焦距、光斑正反识别单元传送的光斑质心坐标和针孔光阑的各阵列小孔的中心坐标，采用三角几何的方法计算出光线的二维姿态角。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述计算机处理单元进一步包括：

系统建模单元，用于取针孔光阑中心到图像传感器的成像面的垂直点，作为图像传感器成像面的平面直角坐标系的原点，为针孔光阑、平面反射镜和图像传感器的成像面进行系统建模，计算出各阵列小孔的中心坐标、及平面反射镜的位置；还用于为质心计算单元提供计算所需的直角坐标系。

8.根据权利要求4至7任一项所述的系统，其特征在于，该系统进一步包括：

接口单元，用于将成像单元得到的图像数据按照所使用的接口传送协议进行封装，传送到计算机处理单元。

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