CN103822580B - 超长框架变形与姿态的多点实时测量系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种超长框架变形与姿态的多点实时测量系统与方法，所述系统包括测量底座、上变形测量系统、姿态测量系统和下变形测量系统。测量底座位于被测框架近端附近的某一固定位置处，与被测框架并不接触，且具有足够的刚性和稳定性。上下两个变形测量系统完全相同，分别测量框架上下边缘多个测量点的变形量，姿态测量系统负责测量框架远端的空间位置。本发明既可实现超长框架的高精度实时测量，又可避免实验移动导轨和其他机械部件，可以满足各种形状框架的变形与姿态测量的要求。该方法还可推广应用于其他相关测量领域。

Description

超长框架变形与姿态的多点实时测量系统与方法

技术领域

本发明涉及一种超长框架变形与姿态测量系统与方法，具体是一种基于激光准直和视觉检测技术的超长框架变形与姿态的多点实时测量系统与方法。

背景技术

框架的变形与姿态测量，是国民经济各领域中的常见需求。随着科学技术的不断进步，各种框架的尺寸越来越长、质量越来越轻，例如大尺度、大口径的展开天线、大尺寸航天器支撑臂等。

常规的框架变形与姿态测量方法与直线度测量方法向类似，主要有三坐标法、经纬仪法、立体视觉法和激光准直法。

三坐标测量系统是传统通用三维坐标测量仪器的代表，通过测头沿导轨的直线运动来实现对其坐标精确的测量。它的优点是测量准确、效率高、通用性好、测量点众多且没有限制。缺点是属于接触式测量方式，不易对准特征点，对测量环境要求高、不便携，测量范围小(最大约十几米)，无法实现实时性测量。

经纬仪测量系统主要是由两台或两台以上的高准确度电子经纬仪构成的空间角度前方交汇测量系统，它是在大尺寸测量领域应用最早并且最多的一种测量系统。它主要由电子经纬仪、基准尺、通讯接口、联机电缆及微机组成。经纬仪测量系统的优点是：测量范围较大(可达几十米至上百米)，属于非接触式测量方式，测量准确度比较高，测量点众多且没有限制。但是，经纬仪测量系统一般采用手动校准目标，需要逐点测量，测量速度慢、效率低、自动化程度不高，无法实现实时性。

立体视觉法主要由两台或两台以上摄像机从不同的位置同时摄取被测物体，利用不同像面上的成像差异，通过特征点匹配等方法确定被测点的信息。立体视觉法的特点是测量范围大、获取测量数据快、实时性好，受环境影响小，可测量变形和运动物体，测量点众多且没有限制。其缺点是测量精度差，测量速度不高，受环境光影响严重。

激光准直测量通常以激光束作为准直测量的基准，主要是对设备或机构的直线度以及位置偏移量进行测量。激光由于其方向性好、光能量强等优点普遍应用于大型设备的精度测量中。激光束的准直精度成为机构测量精度的重要保证，也是测量其他形位误差的基础。因此，超长距离的准直光在大尺度空间可展开机构的精度测量中有着广泛的应用价值。但是，由于激光束在空气中传播还受到很多自身以及环境因素影响而使得其准直的精度不高。此外，传统的激光准直测量系统一般只能有一个光电探测器，实现一个测量点的测量。对于长距离的直线度测量而言，必须采用相应的导轨移动探测器，方可实现长距离的直线度偏差测量。

但是，对于超长尺寸框架的变形与姿态测量，由于框架尺寸超长(几米至几百米)，测量点众多(几十点至几百点)，上述传统的几种测量方法均不能奏效，因而这成为全世界范围内的一个难题。

发明内容

为了解决现有方法的测量距离短、实时性差、精度低、需用导轨等问题，本发明提出一种基于激光准直和视觉检测的超长框架变形和姿态多点实时测量系统与方法：

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种超长框架变形与姿态的多点实时测量系统，该测量系统包括测量底座、上变形测量系统、姿态测量系统和下变形测量系统等几个单元。测量底座位于被测框架近端附近的某一固定位置处，与被测框架并不接触，且具有足够的刚性和稳定性。上下两个变形测量系统结构完全相同，分别测量框架上下边缘多个测量点的变形量。姿态测量系统负责测量框架远端的空间位置。上下变形测量系统与姿态测量系统相互独立，两者同时工作，实现整个超长框架的测量。

所述上下两个变形测量系统分别包括1个激光器、1个准直镜组、多个探测镜组、多个光电单元等。激光器和准直镜组安置于测量底座之上，探测镜组和光电单元分别安置于被测框架的相应测量点位置处。所述探测镜组可以接收准直激光束，并将其中一小部分准直激光束反射到光电单元并产生一个定位光斑，用以测量该位置的变形量。其余大部分准直激光束可以透过探测镜组，然后投射后面的探测镜组，从而可以实现整个框架的多点变形量实时测量。

本发明的姿态测量系统由摄像机、镜头、光源和反射标志组构成。摄像机、镜头和光源安置于测量底座之上，反射标志组安置于被测框架的远端位置处。由光源发出的光束照亮反射标志组，并通过镜头成像到摄像机之中，通过图像处理和数据处理得到远端的空间位置信息。

本发明的探测镜组和光电单元的特殊之处在于：所述的探测镜组是由两个正交的半反半透镜组成，入射激光束可以穿过该镜组并且保持原有的方向不变，与此同时在激光束的垂直方向产生两束横向激光束，分别投向两个光电探测器。这两个光电探测器是位置敏感器件，可以感受照射在其表面的光束的位置。当探测镜组和光电单元将随框架变形而产生上下方向的平移，相当于入射激光束产生上下方向的平移(如图虚线所示)，从而导致两束横向激光束在两个位置敏感器件上的位置产生大小相等但方向相反的变化，由此通过将两个位置敏感器件的输出信号相减就可以得到该测量点处上下方向的变形量。

本发明中，由激光器发出的激光束经过准直镜组之后形成一束准直激光束，作为所有测量点处变形测量的物理基准。探测镜组接收准直激光束，将一小部分准直激光束反射到光电单元并产生一个定位光斑，其余大部分透过探测镜组后投射后面的探测镜组。当框架各个测量点产生变形时，反射到光电单元的定位光斑位置也将随之变化。因此，通过检测该定位光斑在光电单元的位置就可以实现该处变形量的实时测量。

本发明涉及上述测量系统的超长框架变形与姿态测量方法，包括以下步骤：

1)首先，将测量底座靠近框架近端，并且保持姿态基本一致。此时可以认为框架近端没有变形，即所有变形量均为零；

2)当被测框架发生变形之后，上下两个变形测量系统测量框架上下边缘各个测量点处的变形量，该测量结果即为框架上下边缘各个测量点相对于两个激光束的变形量；

3)此后，姿态测量系统测量框架远端的空间位置坐标，该测量结果是框架远端相对于测量底座的空间位置坐标；

4)根据姿态测量系统得到的远端空间位置坐标测量结果，对框架上下边缘变形测量结果进行修正，使得被测框架上下边缘的近端测量点变形量为零，而远端测量点变形量与姿态测量结果相同。

5)计算最终变形与姿态数据，包括上下边缘的绝对变形量、每对测量点处的空间扭转角度、框架的最大变形量等。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用激光准直方法测量框架变形，在每个测量点位置布置探测镜组和光电探测器，可以同时检测每个测量点相对于准直激光的变形量。与此同时，采用视觉检测方法测量框架姿态，利用近端的单个摄像机和光学系统，直接获取远端测量点的空间坐标，从而测量整个框架的空间姿态。这种方法具有测量速度快、实时性好、测量精度高、无需移动导轨和任何移动部件、系统工作稳定可靠等卓越特点，可以满足各种超长框架的变形与姿态测量需求，并可推广应用于其他相关测量系统之中。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的测量系统组成示意图；

图2为本发明一较佳实施例的变形测量系统组成示意图；

图3为本发明一较佳实施例的探测镜组与光电单元测量原理示意图；

图4为本发明一较佳实施例的变形量测量原理示意图；

图5为本发明一较佳实施例的姿态测量系统组成示意图；

图6为本发明一较佳实施例的变形量测量结果示意图；

图7为本发明一较佳实施例的姿态测量结果示意图；

图8为本发明一较佳实施例的变形量修正示意图；

图中，1-被测框架，2-测量底座，3-上变形测量系统，4-姿态测量系统，5-下变形测量系统，6-激光器，7-准直镜组，8-探测镜组，9-光电单元，10-摄像机，11-镜头，12-光源，13-反射标志组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1为本发明一较佳实施例的超长框架变形与姿态测量系统组成示意图。该测量系统由测量底座2、上变形测量系统3、姿态测量系统4和下变形测量系统5等几个单元组成。测量底座2位于被测框架1近端附近的某一固定位置处，与被测框架1并不接触，且具有足够的刚性和稳定性。上下两个变形测量系统3和5完全相同，分别测量框架1上下边缘多个测量点的变形量。姿态测量系统4负责测量框架1远端的空间位置。

图2为本发明一较佳实施例的变形测量系统组成示意图。该变形测量系统3和5分别由1个激光器6、1个准直镜组7、多个探测镜组8、多个光电单元9等组成。激光器6和准直镜组7安置于测量底座2之上，探测镜组8和光电单元9分别安置于被测框架1的相应测量点位置处。

探测镜组8可以接收准直激光束，并将其中一小部分准直激光束反射到光电单元9并产生一个定位光斑，用以测量该位置的变形量。其余大部分准直激光束可以透过探测镜组8，然后投射后面的探测镜组8，从而可以实现整个框架的多点变形量实时测量。

变形测量方法如下：由激光器6发出的激光束经过准直镜组7之后形成一束准直激光束，作为所有测量点处变形测量的物理基准。探测镜组8接收准直激光束，将一小部分准直激光束反射到光电单元9并产生一个定位光斑，其余大部分透过探测镜组8后投射后面的探测镜组8。当框架1各个测量点产生变形时，反射到光电单元9的定位光斑位置也将随之变化。因此，通过检测该定位光斑在光电单元9的位置就可以实现该处变形量的实时测量。

图3为本发明一较佳实施例的探测镜组与光电单元测量原理示意图。本发明的探测镜组8和光电单元9的特殊之处在于：所述的探测镜组8是由两个正交的半反半透镜组成，入射激光束可以穿过该探测镜组8并且保持原有的方向不变，与此同时在激光束的垂直方向产生两束横向激光束，分别投向两个光电单元9的探测器。这两个探测器是位置敏感器件，可以感受照射在其表面的光束的位置。

图4为本发明一较佳实施例的变形量测量原理示意图。当探测镜组8和光电单元9将随框架1变形而产生上下方向的平移，相当于入射激光束产生上下方向的平移(如图虚线所示)，从而导致两束横向激光束在两个位置敏感器件上的位置产生大小相等但方向相反的变化，由此通过将两个位置敏感器件的输出信号相减就可以得到该测量点处上下方向的变形量。

图5为本发明一较佳实施例的姿态测量系统组成示意图，该姿态测量系统4由摄像机10、镜头11、光源12和反射标志组13构成。摄像机10、镜头11和光源12安置于测量底座2之上，反射标志组13安置于被测框架1的远端位置处。

姿态测量方法如下：由光源10发出的光束照亮反射标志组13，并通过镜头11成像到摄像机10之中，通过图像处理和数据处理得到远端的空间位置信息。

本发明涉及上述测量系统的超长框架变形与姿态测量方法，包括以下步骤：

1)首先，将测量底座靠近框架近端，并且保持姿态基本一致。此时可以认为框架近端没有变形，即所有变形量为零。假设测量点数为n+1，序号分别为i＝0,1,…n，被测框架1上下边缘各测量点的变形量分别为S_Up(i)和S_Down(i)(i＝0,1,…,n)，则S_Up(i)＝0且S_Down(i)＝0(i＝0,1,…,n)。假设反射标志共有k+1个，每个反射标志的变形量分别为E(j)(j＝0,1,…,k)，则E(j)＝0(j＝0,1,…,k)。

2)当被测框架1发生变形之后，上下两个变形测量系统3和5分别测量框架1上下边缘各个测量点处的变形量S_Up(i)和S_Down(i)，该测量结果即为框架上下边缘各个测量点相对于两个激光束的变形量，如图6所示。

3)此后，姿态测量系统4测量框架1远端的空间位置坐标E(j)(j＝0,1,…,k)，该测量结果是框架远端相对于测量底座的空间位置坐标，如图7所。

4)根据姿态测量系统得到的远端空间位置坐标测量结果，对框架上下边缘变形测量结果进行修正，使得被测框架上下边缘的近端测量点变形量为零，而远端测量点变形量与姿态测量结果相同，即使得S_Up(0)＝0，S_Up(n)＝E(0)，S_Down(0)＝0，S_Down(n)＝E(k)，并重新计算上下边缘的绝对变形量S_Up(i)和S_Down(i)(i＝0,1,…,n)，如图8虚线所。

5)计算最终变形与姿态数据，包括每对测量点处的空间扭转角度、框架的最大变形量等：

S_UpMax＝max{S_Up(i)}(i＝0,1,…,n)

S_DownMax＝max{S_Down(i)}(i＝0,1,…,n)

θ(i)＝tan^-1{[S_Up(i)-S_Down(i)]/B}(i＝0,1,…,n)(B为框架的宽度)

本发明既可实现超长框架的高精度实时测量，又可避免实验移动导轨和其他机械部件，可以满足各种形状框架的变形与姿态测量的要求。该方法还可推广应用于其他相关测量领域。

本发明提出的超长框架变形与姿态测量系统与方法，既可实现超长框架的高精度实时测量，又可避免实验移动导轨和其他机械部件，可以满足各种形状框架的变形与姿态测量的要求。该方法还可推广应用于其他相关测量领域。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种超长框架变形与姿态的多点实时测量系统，其特征在于：所述的测量系统包括测量底座、上变形测量系统、姿态测量系统和下变形测量系统，所述测量底座位于被测框架近端附近的某一固定位置处，与被测框架并不接触，且具有足够的刚性和稳定性；上下两个变形测量系统结构完全相同，分别测量框架上下边缘多个测量点的变形量；姿态测量系统负责测量框架远端的空间位置；

所述的上下两个变形测量系统分别包括1个激光器、1个准直镜组、多个探测镜组和多个光电单元，激光器和准直镜组安置于测量底座之上，探测镜组和光电单元分别安置于被测框架的相应测量点位置处；所述的探测镜组接收准直激光束，并将其中一小部分准直激光束反射到光电单元并产生一个定位光斑，用以测量该位置的变形量；其余大部分准直激光束透过探测镜组，然后投射后面的探测镜组，从而实现整个框架的多点变形量实时测量；

所述的姿态测量系统包括摄像机、镜头、光源和反射标志组，所述摄像机、镜头和光源安置于测量底座之上，反射标志组安置于被测框架的远端位置处；由光源发出的光束照亮反射标志组，并通过镜头成像到摄像机之中，通过图像处理和数据处理得到框架远端的空间位置信息；

上下变形测量系统与姿态测量系统相互独立，两者同时工作实现整个超长框架的测量。

2.根据权利要求1所述的超长框架变形与姿态的多点实时测量系统，其特征在于：所述的探测镜组是由两个正交的半反半透镜组成，一入射激光束穿过该镜组并且保持原有的方向不变，与此同时在该入射激光束的垂直方向产生两束横向激光束，分别投向两个光电探测器，这两个光电探测器是位置敏感器件，可以感受照射在其表面的光束的位置；当探测镜组和光电单元随框架变形而产生上下方向的平移，相当于入射激光束产生上下方向的平移，从而导致两束横向激光束在两个位置敏感器件上的位置产生大小相等但方向相反的变化，由此通过将两个位置敏感器件的输出信号相减就得到该测量点处上下方向的变形量。

3.根据权利要求1或2所述的超长框架变形与姿态的多点实时测量系统，其特征在于：由激光器发出的激光束经过准直镜组之后形成一束准直激光束，作为所有测量点处变形测量的物理基准；探测镜组接收准直激光束，将一小部分准直激光束反射到光电单元并产生一个定位光斑，其余大部分透过探测镜组后投射后面的探测镜组；当框架各个测量点产生变形时，反射到光电单元的定位光斑位置也将随之变化；因此，通过检测该定位光斑在光电单元的位置就能实现该处变形量的实时测量。

4.一种采用权利要求1-3任一项所述测量系统的超长框架变形与姿态测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)首先，将测量底座靠近框架近端，并且保持姿态基本一致，此时认为框架近端没有变形，即所有变形量均为零；

2)当被测框架发生变形之后，上下两个变形测量系统测量框架上下边缘各个测量点处的变形量，该测量结果即为框架上下边缘各个测量点相对于两个激光束的变形量；

3)此后，姿态测量系统测量框架远端的空间位置坐标，该测量结果是框架远端相对于测量底座的空间位置坐标；

4)根据姿态测量系统得到的远端空间位置坐标测量结果，对框架上下边缘变形测量结果进行修正，使得被测框架上下边缘的近端测量点变形量为零，而远端测量点变形量与姿态测量结果相同；

5)计算最终变形与姿态数据，包括上下边缘的绝对变形量、每对测量点处的空间扭转角度、框架的最大变形量。