CN102162718A - 刚性物体空间自由姿态测量装置及方法及数据分析方法 - Google Patents

Abstract

刚性物体空间自由姿态测量装置及方法及数据分析方法，涉及测量技术。本发明包括平面正交四向光标发生装置和线阵CCD，所述线阵CCD具有数据输出接口。本发明利用多个线阵CCD构成位置探测器，解决了大面阵位置探测器的替代问题，可以简化测量装置，并保证在测量范围内达到一样高的测量精度。采用的数据处理方法可以在数据质量较差的情况下保证线状光线位置测量达到亚像元的水平，最终保证系统测量结果达到较高的水平。

Description

刚性物体空间自由姿态测量装置及方法及数据分析方法

技术领域

本发明涉及测量技术。

背景技术

六自由度并联平台是各种设备如飞机、舰船及车载仪器等进行动态可靠性研究的重要模拟试验设备，其研究是一项精密而又复杂的工程科学，涉及机械、计算机控制、光电测量等技术。六自由度并联平台的姿态测量是一种典型的多自由度姿态测量，测量对象为空间移动量和绕空间轴的转动量，通过这些参数的测量并进行逆解可以获得平台正确的空间姿态参数，反馈回控制系统则可以对其进行控制，从而达到使其按照要求进行姿态变化的目的。

针对空间物体的位置和姿态的六自由度测量方法有多种形式，如常用的激光干涉方法、基于多面阵CCD相机系统的视觉测量方法、基于位置敏感探测器(PSD)技术的测量方法等，这些方法存在不同的应用条件和背景，具有各自的特点。如激光干涉法具有测量精度高的优点，但检测过程繁杂、环境要求较高、对使用者的要求也较高，并且是单参数测量，无法满足六个自由度同时测量的要求；而多面阵CCD相机系统的视觉测量方法利用CCD作为接收器，对一特定制作的置于被测物体上的模型进行扫描，以获得模型上特征点的视觉信号，经过一定算法而获得被测物体的各个自由度的信息。该系统的特 点是需要对多个按照严格要求排列的CCD相机进行标定，CCD相机的安装和调整比较困难，标定工作相当繁杂，对使用者的要求也相当高，且整个系统对振动敏感，仪器结构复杂，成本高，不易小型化，精度与CCD摄像系统相关，精度与成本有极大的关系，而且原理上决定高度方向的位置测量和沿轴向的滚转角测量精度较低。而基于PSD的测量方法仅在中心很小的区域内具有较高的精度，当测量范围延伸出后，测量精度就会下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有高精度、使用和维护简便的刚性物体空间自由姿态测量装置及方法，以及数据分析方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，刚性物体空间自由姿态测量装置，包括平面正交四向光标发生装置和线阵CCD，所述线阵CCD具有数据输出接口。

所述平面正交四向光标发生装置为平面正交四向十字光标发生装置，在外壳的四个方向设置有光标输出窗口。所述平面正交四向光标发生装置包括分光棱镜、水平方向扩束镜、水平方向柱面镜、垂直方向扩束镜、垂直方向柱面镜、反射镜组和分光棱镜组。所述线阵CCD包括分布在4个方向的4组CCD相机，每组包括互相垂直的两台相机。

所述平面正交四向光标发生装置还包括激光器，激光器内置于平面正交四向光标发生装置。

或者，激光器分离于平面正交四向光标发生装置的主体，通过光 纤与平面正交四向光标发生装置的主体内部光路连接。

本发明的刚性物体空间自由姿态测量数据分析方法包括下述步骤：

A、进行线状激光光斑分布的数据采集；

B、求出其质心位置Co和线状光斑的半高宽τ；根据τ的情况确定M个合理的τj；

C、以Co为中心，根据τ的情况确定N个将来用于数据截断和获取的数据中心Ci；

D、以Ci为中心、τj为数据半径从原始数据曲线中获取本次用于计算的各个数据值，以截取的这些数据为基础，按照重心法计算出一个质心位置Cji；在相同的τj、不同的Ci下，计算获得一系列的Cji，Cji构成一条质心轨迹变化的扫描线Lj；

E、在不同的τj下，重复上述计算过程，获得一系列的质心轨迹变化的扫描线Lj；

F、求解所有扫描线Lj的交汇点Co，将此Co作为本次测量的位置质心。

本发明的刚性物体空间自由姿态测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

将线阵CCD按水平位置的四个方向安装在地球坐标系中，位置固定；将平面正交四向光标发生装置安装在被测物体上并固定于其上，将其看作参考坐标系，并确定在初始状态时四束激光束可以照射在CCD表面上；线阵CCD的输出信号由计算机进行采集和数值化，通过预定算法进行位置关系逆解，最终获得被测量物体的姿态变化。

本发明的有益效果是，利用多个线阵CCD构成位置探测器，解决了大面阵位置探测器的替代问题，可以简化测量装置，并保证在测量范围内达到一样高的测量精度。采用的数据处理方法可以在数据质量较差的情况下保证线状光线位置测量达到亚像元的水平，最终保证系统测量结果达到较高的水平。

附图说明

图1是本发明的测量装置系统结构原理图。

图2是一组线阵CCD的详细安装方式示意图。

图3是激光光源产生十字形指示光线的原理图。

图4是多线扫描法的数据处理流程图。

图5是多线扫描法的计算过程示意图。

图6是多线扫描法的计算结果曲线图。

图7是不同的本底数据模拟结果示意图，其中，a为5％的本底模拟结果示意图，b为10％的本底模拟结果示意图，c为15％的本底模拟结果示意图。

图8为参考坐标系的示意图。

图9为参考坐标系旋转示意图。

图中标号：1.平面正交四向光标发生装置，2.光线输出窗口，3.激光器，4.光纤，5.十字形指示光线，6.被测量物体，7.参考坐标系，8.线阵CCD，9.地球坐标系，10.计算机，11.数据采集线，12.电子元件，13.电路板，14.入射激光，15.分光棱镜，16.反射镜，17.扩束镜，18.分光棱镜组，19.水平方向柱面镜。

具体实施方式

参见图1～3。

十字形指示光线5的产生：在图3中，由激光器3产生的激光束由传输光纤4输入到光学系统中。首先由分光棱镜15分为相互垂直的两束激光，其中一束经扩束镜17扩束为要求宽度的激光束，然后再由相应的柱面镜19聚焦为垂直方向上的线状光线，经分光棱镜组18及反射镜后输出，获得平面内四个方向上的垂直方向上的线状光线。其次，另一个方向上的激光束经扩束镜(图中未示出)扩束后，再经相应的柱面镜(图中未示出)聚焦为水平方向上的线状光线，由反射镜16 输入到分光棱镜组18中进行光线合成，获得平面内四个方向上的水平方向上的线状光线。最终在工作平面内的线阵CCD8表面上获得十字形指示光线5。经反射镜16的光路与经过扩束镜17的光路原理相同，该光路的光处理为垂直方向上的线状光线，与经过扩束镜17的光路的线状光线共同形成十字形光线。

线阵CCD8的安装方式特点：如图2所示，采用离线式驱动线路，实现电路功能的电子元件12安装在线阵CCD8的背面，防止其对CCD的安装产生影响。线阵CCD8采用焊接的方式直接焊接在电路板上以保证不产生微小的位移而对结果产生影响，同时保持两片CCD的垂直角度。

在图1中，多个线阵CCD8按照要求安装在地球坐标系9中，位置固定。将十字形指示光源安装在被测物体上并固定于其上，将其看作参考坐标系7，并保证在初始状态时四束激光束可以照射在CCD表面上。线阵CCD的输出信号由计算机10进行采集和数值化，再通过一定的算法进行位置关系逆解，最终获得被测量物体的姿态变化。

通过模拟高斯分布的线状光线质心位置的研究计算，获得了不同于常规质心计算方法的一种新的计算方式，本发明称为多线扫描法。该方法不是从单次计算结果来得到质心准确位置，而是通过一系列的计算结果所反映的过程来判断质心准确位置，从而避开了一般方法需要对数据进行本底扣除的处理要求或尽量低噪声的要求以及数据截断所产生的问题，大大地降低了对数据质量的要求，对数据的预处理要求很低，完全解决了从单次计算结果判断线状光线准确位置的诸多弊端，该方法具有简单、无需利用全部原始数据、对噪声不敏感的特 点，具有较强的适用性。总体上，即使数据具有较大的噪声、本底和无关的背景，该方法也可以获得低于像素级的计算精度。

为了将多线扫描法的技术特点及原理更进一步说明，下面对工作过程及算法原理作具体的阐述。图4是比较完整的数据处理流程图。系统启动后，首先进行线状激光光斑分布的数据采集，用简单的平均法求出其质心位置Co和线状光斑的半高宽τ；根据τ的情况确定M个合理的τj用于下面的数据处理。然后，以Co为中心，根据τ的情况确定N个将来用于数据截断和获取的数据中心Ci。以Ci为中心、τj为数据半径从原始数据曲线中获取本次用于计算的各个数据值，以截取的这些数据为基础，按照重心法计算出一个质心位置Cji；在相同的τj、不同的Ci下，可以计算获得一系列的Cji，这些Cji构成一条质心轨迹变化的扫描线Lj(不一定是直线)。再在不同的τj下，重复上述计算过程，可以获得一系列的质心轨迹变化的扫描线Lj。求解所有扫描线Lj的交汇点Co(由于噪声、数据本底、数据中心选取的影响，Lj并不一定在某一点确定相交，此处所述的交汇点是指该点离所有的这些扫描线最近的)，将此Co作为本次测量的位置质心。再循环上述工作过程，直到关机。

本发明的多线扫描法原理：

1、模拟研究。对于类似线状光斑剖面线的一维数据，传统光斑质心的计算方法如下式所示

$\mathrm{Xc}=\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}I\left(x_i\right)\·x_i/\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}I\left(x_i\right)---\left(1\right)$

式中的I(x_i)为x_i处的图像灰度，即相当于光斑的亮度。在这样的方法中，数据本身的情况及区域的选取对计算结果有很大的影响；主要针 对数据区选取(数据截断)、数据噪声及类型、数据本底的影响进行了模拟，以对相应几个方面的影响进行事先评估。首先，选取用于计算的数据区中心点，该点在光斑中心附近变化；其次，以该选定的数据区中心点为中心确定用于计算的数据区大小；再按照式(1)进行计算，计算过程如图5所示，流程可以参考图4所示，获得如图6所示的结果。2，数据中心及数据宽度的影响。在模拟时，数据的中心位置从-τ/2处变化到+τ/2处；而数据区的宽度则选取1倍、1.5倍及3倍τ范围。对于τ＝10mm的束斑，图7显示了当计算中心取在-5mm到+5mm的区间各处、数据覆盖此中心的宽度为1倍、1.5倍及3倍τ以上时质心的计算结果(以偏离座标原点的距离计)。例如，当计算中心取在-1mm处、数据取1倍τ时，计算的光斑质心位置在-0.12mm，也表示了处理结果偏离真实位置-0.12mm；而数据取1.5倍τ时，计算的光斑质心位置约在-0.01mm，表示了处理结果偏离真实位置约-0.01mm。模拟结果表明：对于理想高斯分布的束斑而言，用于计算的数据中心无论取在哪里，只要用于计算的数据区宽度足够，都可以直接得到很高精度的计算结果，这表明计算数据越多计算结果越精确；但数据区宽度不够时，计算中心的选取对计算结果就会有较大的影响，表明了数据截断产生的影响。3，数据本底的影响。通过在式(1)中直接加相应的数值就可以针对数据本底的影响进行模拟，如加0.15相当于加15％的本底。图7显示了τ＝10mm的光斑在具有5％、10％及15％的本底时的模拟结果。对于某一次的绝对量计算而言，在存在本底的情况下，则并不是参与计算的数据取得越多越好；其原因在于本底是一个存在于全部数据中且均匀化的数据，当远离中心位 置时(如3倍τ)，有效数据值对质心的贡献变得很小，而本底变得相对较大，最终结果是本底将对计算数据产生较大影响，总体上讲，数据量越大计算误差反而越大，图7的模拟结果显示了这种情况。由于实际计算时，一方面很难将计算中心取在真正的质心处，另一方面，又不能完全消除本底的影响，故每次的计算结果很难判定为质心的位置。这说明从一次的计算结果实际上无法准确判断质心位置。4，质心位置的判定原则。上述阐述已经论证了按照常规的方法，由于各种因素的影响，单次的计算结果很难用于判定质心位置。但是通过对图6、图7模拟结果进行仔细分析，能够发现一个重要现象：在相同的数据区半径下，取不同的数据中心计算得到的质心位置构成一条质心位置变化曲线，真正的质心位置要么在这条曲线上、要么在某处靠近该曲线；而在不同的数据区半径下又会计算得到不同的质心轨迹，并且所有这些质心轨迹又都交汇于某一点，从模拟结果来看，这一点正是所要计算的质心位置。所以可以获得下述重要结论：当计算中心沿一定的方向移动、并按照不同的数据区宽度计算质心位置时所获得的所有曲线将交汇于一点，而这点就是质心的位置，选定的初始质心座标对其没有影响。因此，用这种方法判断质心位置时，既不需要计算中心取得很准确也不需要每次计算的数据很多，同时也不要求精确扣除数据本底，从而避开了从单次处理结果给出准确质心位置的要求，解决了质心位置判断的难题。

位置姿态的数学模型：设定地球坐标系为测量用的静止坐标系O-XYZ，相对固定不动，其中O为坐标原点。而参考测量平台为被测量坐标系O’-X’Y’Z’，在平衡状态时，设两坐标系完全重合，即两坐标系的原点和坐标轴完全一致。当参考平台姿态发生变化时，虽 然不能事先知道其变化情况，但其变化必然可以分为两种形式：沿X、Y、Z轴的平移和绕X、Y、Z轴的旋转。假设沿各坐标轴的平移量分别为δx、δy、δz，而绕X、Y、Z各轴旋转的角度为α、β、γ，如图8所示。那么，通过坐标变换可以获得加载头姿态变化后的关注参考点如图8中的P0坐标的位置矢量。对于三维空间而言，空间点的位置矢量可以用四个元素来表示，如[X Y Z H]，其中H为不带表实质意义的参数，仅参与计算。而相关的变换算法可以用一个4×4的矩阵表示，如

$M=\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{\α}11& \mathrm{\α}12& \mathrm{\α}13& \mathrm{\α}14\\ \mathrm{\α}21& \mathrm{\α}22& \mathrm{\α}23& \mathrm{\α}24\\ \mathrm{\α}31& \mathrm{\α}32& \mathrm{\α}33& \mathrm{\α}34\\ \mathrm{\α}41& \mathrm{\α}42& \mathrm{\α}43& \mathrm{\α}44\end{array}\right]$

姿态变化前后的坐标位置变换算法如下所示：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\\ H\end{array}\right]=M\·\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{\α}11& \mathrm{\α}12& \mathrm{\α}13& \mathrm{\α}14\\ \mathrm{\α}21& \mathrm{\α}22& \mathrm{\α}23& \mathrm{\α}24\\ \mathrm{\α}31& \mathrm{\α}32& \mathrm{\α}33& \mathrm{\α}34\\ \mathrm{\α}41& \mathrm{\α}42& \mathrm{\α}43& \mathrm{\α}44\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\\ 1\end{array}\right]$

其中，X、Y、Z，变换后的坐标；

x₀、y₀、z₀，变换前的坐标。

而变换矩阵M可以表示为：

M＝M_x·M_y·M_z·M_Δ

其中，M_x、M_y、M_z、M_Δ分别表示了绕各轴旋转及平移的变换算法，详细表述如下：

绕X轴旋转α，其变换矩阵为：

$M_x=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \left(\mathrm{\α}\right)& -\sin \left(\mathrm{\α}\right)& 0\\ 0& \sin \left(\mathrm{\α}\right)& \cos \left(\mathrm{\α}\right)& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

绕Y轴旋转β，其变换矩阵为：

$M_y=\left[\begin{array}{cccc}\cos \left(\mathrm{\β}\right)& 0& \sin \left(\mathrm{\β}\right)& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\sin \left(\mathrm{\β}\right)& 0& \cos \left(\mathrm{\β}\right)& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

绕Z轴旋转γ，其变换矩阵为：

$M_z=\left[\begin{array}{cccc}\cos \left(\mathrm{\γ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\γ}\right)& 0& 0\\ \sin \left(\mathrm{\γ}\right)& \cos \left(\mathrm{\γ}\right)& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

平移δx、δy、δz的变换矩阵为：

$M_{\mathrm{\Δ}}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& {\mathrm{\δ}}_x\\ 0& 1& 0& {\mathrm{\δ}}_y\\ 0& 0& 1& {\mathrm{\δ}}_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

经推导后，可得到总变换矩阵为：

$M=\left[\begin{array}{cccc}\cos \left(\mathrm{\β}\right)\·\cos \left(\mathrm{\γ}\right)& \sin \left(\mathrm{\α}\right)\·\sin \left(\mathrm{\β}\right)\·\cos \left(\mathrm{\γ}\right)-\cos \left(\mathrm{\α}\right)\·\sin \left(\mathrm{\γ}\right)& \cos \left(\mathrm{\α}\right)\·\sin \left(\mathrm{\β}\right)\·\cos \left(\mathrm{\γ}\right)+\sin \left(\mathrm{\α}\right)\·\sin \left(\mathrm{\γ}\right)& {\mathrm{\δ}}_x\\ \cos \left(\mathrm{\β}\right)\·\sin \left(\mathrm{\γ}\right)& \sin \left(\mathrm{\α}\right)\·\sin \left(\mathrm{\β}\right)\·\sin \left(\mathrm{\γ}\right)+\cos \left(\mathrm{\α}\right)\·\cos \left(\mathrm{\γ}\right)& \cos \left(\mathrm{\α}\right)\·\sin \left(\mathrm{\β}\right)\·\sin \left(\mathrm{\γ}\right)-\sin \left(\mathrm{\α}\right)\·\cos \left(\mathrm{\γ}\right)& {\mathrm{\δ}}_y\\ -\sin \left(\mathrm{\β}\right)& \sin \left(\mathrm{\α}\right)\·\cos \left(\mathrm{\β}\right)& \cos \left(\mathrm{\α}\right)\·\cos \left(\mathrm{\β}\right)& {\mathrm{\δ}}_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

因此，位置姿态的逆解是一个相当复杂的数学运算过程。

如果将参考平台的平衡位置设置为初始状态，其后的姿态变化是相对于其平衡状态而言的，并且姿态的变化将不会过大(尤其其方位转动的角度)，可以认为上式中的相关变量为小量，故按如下近似进行取值：sin(α)≈α、cos(α)≈1、sin²(α)≈0，进而总变换矩阵简化为：

$M=\left[\begin{array}{cccc}1& -\mathrm{\γ}& \mathrm{\β}& {\mathrm{\δ}}_x\\ \mathrm{\γ}& 1& -\mathrm{\α}& {\mathrm{\δ}}_y\\ -\mathrm{\β}& \mathrm{\α}& 1& {\mathrm{\δ}}_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

这样在线阵CCD相机平面上测量到指示激光束的位置变化实际上是位移量Δx、Δy、Δz，这些结果中包含了角度旋转的影响。如果转动发生在坐标原点上，则Δx、Δy、Δz就是实际的坐标轴空间指向旋转对应的位移量，由此很容易获得坐标轴的转动量；如果仅产生平行移动的运动，则Δx、Δy、Δz就是实际的坐标轴的位移量，由此很容易获得坐标轴的平移量；但在实际的系统中，姿态变化包括了前述的两种运动，一般是无法将其简单分离的，故在测量结果数据中，角度位移量与空间位移的数据是相关的。

简化的小量变化逆解示意：设定地球坐标系为测量用的静止坐标系O-XYZ，相对固定不动；不失分析的一般性，设定参考平台的位置设为初始位置O’-X’Y’Z’并与坐标系O-XYZ重合。现在假设参考平台平移为(δx、δy、δz)，然后再绕Y轴旋转β，如图9所示。在线阵CCD相机平面上记录到的指示激光束位置为(x₁、y₁、z₁)、(x₂、y₂、z₂)、(x₃、y₃、z₃)和(x₄、y₄、z₄)。根据假设，则有：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_x=x1=x3\\ {\mathrm{\δ}}_y=y2=y4\\ {\mathrm{\δ}}_z=z1=z3\\ \mathrm{tg}\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{|z2-z4|}{L2+L4}=\frac{|z2-z4|}{2L}\end{array}\right.$

即可求解得到参考平台变化的情况。

本发明的说明书已经清楚说明了本发明的原理及细节，普通技术人员完全能够实施本发明。本发明的权利范围不限于实施例，基于本发明思路的任何改进皆属于本发明的权利范围之内。

Claims (8)

1.刚性物体空间自由姿态测量装置，其特征在于，包括平面正交四向光标发生装置(1)和线阵CCD(8)，所述线阵CCD具有数据输出接口。

2.如权利要求1所述的刚性物体空间自由姿态测量装置，其特征在于，所述平面正交四向光标发生装置(1)为平面正交四向十字光标发生装置，在外壳的四个方向设置有光标输出窗口。

3.如权利要求1所述的刚性物体空间自由姿态测量装置，其特征在于，所述平面正交四向光标发生装置(1)包括分光棱镜(15)、水平方向扩束镜(17)、水平方向柱面镜(19)、垂直方向扩束镜、垂直方向柱面镜、反射镜组(16)和分光棱镜组(18)。

4.如权利要求3所述的刚性物体空间自由姿态测量装置，其特征在于，所述平面正交四向光标发生装置(1)还包括激光器(3)，激光器(3)内置于平面正交四向光标发生装置(1)。

5.如权利要求3所述的刚性物体空间自由姿态测量装置，其特征在于，所述平面正交四向光标发生装置(1)还包括激光器(3)，激光器(3)分离于平面正交四向光标发生装置(1)的主体，通过光纤与平面正交四向光标发生装置(1)的主体内部光路连接。

6.如权利要求1所述的刚性物体空间自由姿态测量装置，其特征在于，所述线阵CCD包括分布在4个方向的4组CCD相机，每组包括互相垂直的两台相机。

7.刚性物体空间自由姿态测量数据分析方法，其特征在于，包括下述步骤：

A、进行线状激光光斑分布的数据采集；

B、求出其质心位置Co和线状光斑的半高宽τ；根据τ的情况确定M个合理的τj；

C、以Co为中心，根据τ的情况确定N个将来用于数据截断和获取的数据中心Ci；

D、以Ci为中心、τj为数据半径从原始数据曲线中获取本次用于计算的各个数据值，以截取的这些数据为基础，按照重心法计算出一个质心位置Cji；在相同的τj、不同的Ci下，计算获得一系列的Cji，Cji构成一条质心轨迹变化的扫描线Lj；

E、在不同的τj下，重复上述计算过程，获得一系列的质心轨迹变化的扫描线Lj；

F、求解所有扫描线Lj的交汇点Co，将此Co作为本次测量的位置质心。

8.刚性物体空间自由姿态测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

将线阵CCD按水平位置的四个方向安装在地球坐标系(9)中，位置固定；将平面正交四向光标发生装置安装在被测物体上并固定于其上，将其看作参考坐标系(7)，并确定在初始状态时四束激光束可以照射在CCD表面上；线阵CCD的输出信号由计算机(10)进行采集和数值化，通过预定算法进行位置关系逆解，最终获得被测量物体的姿态变化。

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