CN104390633B - 一种非接触式机构空间运动测量装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式机构空间运动测量装置及实现方法，将机构的空间运动与多束激光光线在接收屏上光斑位置的变化建立解算关系，通过测量解算所需要的相关数据，并分别采集多束激光光斑位置变化信息，根据已建立的解算关系，得到该机构的空间运动量，实现一次测量获得该机构空间六自由度运动参数，即空间直角坐标系内的三个坐标轴方向平移和绕三个坐标轴转动的非接触式测量。本发明中的测量装置包括激光指示器、光斑接收屏、光斑采集处理设备、时统信号发生器、计算机以及空间位置测量仪器。本发明装置结合解算方法，具有测量精度高、结构简单、装置安装方便、对各测量装置的安装精度无严格限制、系统维护方便等优点。

Description

一种非接触式机构空间运动测量装置及实现方法

技术领域

本发明涉及非接触式测量机构空间运动系统，特别是武器发射装置，如火炮炮管、火箭发射车定向管等的动态运动测量装置及实现方法。

背景技术

现有机构空间运动测量系统多采用组合多只位移传感器和陀螺仪共同测量后解算，其主要存在以下不足：1、对传感器安装精度要求高，安装位置误差对测量结果影响明显；2、不同传感器的工作原理不一样，特别是频率响应差别较大，很难保证测量结果的时统特性；3、测量系统成本较高。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的技术问题，提供一种非接触式机构空间运动测量装置及实现方法，该方法利用安装在被测机构外表面的多束激光照射到远处接收屏上形成光斑，被测机构发生空间运动时，光斑会在接收屏上发生运动，实时采集该光斑的位置信息，从而通过算法解算各时刻该机构的空间运动参数。

本发明的技术方案是这样实现的：一种非接触式机构空间运动测量装置，其特征在于：包括安装于被测机构表面任意位置的至少三个激光指示器、与所述至少三个激光指示器一一对应且用于接收相应激光指示器所射出光斑的光斑接收屏、与每个光斑接收屏对应设置的光斑采集处理设备、用于控制多个光斑采集处理设备并使其同时采集被测机构运动过程中对应光斑接收屏上的光斑位置信息并处理的时统信号发生器、分别与各光斑采集处理设备连接的计算机以及空间位置测量仪器，所述空间位置测量仪器的x轴与被测机构的x轴保持同向，所述光斑接收屏、光斑采集处理设备以及时统信号发生器联合工作，完成激光指示器射出光斑在光斑接收屏上位置变化信息测量，并通过解算处理，实现被测机构空间运动参数的精确测量。

本发明所述的非接触式机构空间运动测量装置，其所述空间位置测量仪器为经纬仪或全站仪或激光跟踪仪。

本发明所述的非接触式机构空间运动测量装置，其所述光斑接收屏采用具有漫发射和透射功能光学材料，所述光斑采集处理设备为摄像机或PSD光电器件。

一种采用上述任一权利要求所述的非接触式机构空间运动测量装置的实现方法，其特征在于：包括如下处理步骤：

a)、将激光指示器安装在被测机构表面任意位置，对应放置光斑接收屏及光斑采集处理设备，使激光指示器射出的光斑落在光斑接收屏的有效范围内，同时，使空间位置测量仪器放置位置的x轴与被测机构的x轴保持同向；

b)、采用空间位置测量仪器测量光斑接收屏上任意标识的三点，所述空间位置测量仪器自身坐标系定义为仪器坐标系A，确定在仪器坐标系A中各光斑接收屏所在平面的法向量，测量各光斑接收屏原点，结合平面法向量确定各平面在仪器坐标系A中的平面方程；

c)、采用空间位置测量仪器测量激光指示器的出射点，并通过光斑采集处理设备获取此时接收屏上光斑坐标值并转换至空间仪器坐标系中，确定激光光线的方向向量在仪器坐标系A中的表示；

d)、由于被测机构在发生空间运动时，激光光束与被测机构相对静止，因此根据仪器坐标系A到机构本体坐标系的传递关系，结合步骤c)的结论，得出该激光光线方向向量在机构本体坐标系中的表示；

e)、在被测机构发生空间运动前后，多个光斑接收屏在仪器坐标系A中的相对位置固定，因此其平面方程不发生改变；

f)、在被测机构发生空间运动过程中，根据步骤d的结论，即光线与机构本体固联，运动前后光线法向量在机构本体坐标系中的表示即为该向量在运动后坐标系F中的表示；

g)、与步骤d至f同理，根据运动前对激光出射点的测量值，正向推算出该出射点在机构本体坐标系中的表示，由于运动前后出射点与被测机构本体固联，被测机构运动过程中，该出射点在机构本体坐标系中的表示即为该出射点在运动后坐标系F中的表示；

h)、根据步骤b)至g)即可确定被测机构发生空间运动过程中在仪器坐标中的接收平面方程和激光光束直线方程，联立求解得运动过程中光线与光斑接收屏的交点在仪器坐标系A中表示；

i)、利用时统信号发生器控制多个光斑采集处理设备，使其同时采集被测机构运动过程中光斑接收屏上的光斑位置信息并处理，通过坐标系传递，将该光斑位置信息转换到仪器坐标系A中，与步骤h)的计算结果建立等式关系，此时该方程组所包含的未知量即为机构的空间运动参数，求解方程组即得该机构的空间运动参数值。

本发明所述的非接触式机构空间运动测量装置的实现方法，若被测机构在运动到初始位置时距离地面较高，不方便激光指示器的调整操作，则应在进行以上处理步骤之前，根据光斑接收屏的预计摆放位置通过软件计算预估出激光指示器发射角度，再将该被测机构运动到初始位置，进行步骤a)至i)的处理。

本发明所述的非接触式机构空间运动测量装置的实现方法，其所述光斑接收屏、光斑采集处理设备以及时统信号发生器须协同工作，并确保多束激光光斑位置信息的采集为同一时刻进行。

本发明的有益效果是：

1、被测机构的空间六自由度运动参数测量结果时间统一性好。

2、实施便利，仅需在被测机构表面任意位置安装激光指示器，且激光出射角度不限，无需其他定位装置，避免了安装误差对测量结果的影响；光斑接收屏在保证机构运动过程中光斑不落出接收屏以外，且光斑形变量不大的前提下，没有严格的摆放限制。

3、适用范围广，即空间机构在任意初始角，进行任意六自由度运动(调整接收屏大小，保证光斑不落出接收屏有效范围)均可按本发明解决思路进行测量解算。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中光斑接收屏上屏幕原点、任意标识的三点、机构运动前后光斑的位置示意图。

图3是本发明中被测机构本体坐标系B在运动过程中各坐标系的变化示意图。

图中标记：1为被测机构，2为激光指示器，3为光斑接收屏，4为光斑采集处理设备，5为时统信号发生器，6为计算机，7为空间位置测量仪器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种非接触式机构空间运动测量装置，包括安装于被测机构1表面任意位置的三个激光指示器2、与所述三个激光指示器2一一对应且用于接收相应激光指示器2所射出激光的光斑接收屏3、与每个光斑接收屏3对应设置的光斑采集处理设备4、用于控制多个光斑采集处理设备4并使其同时采集被测机构1运动过程中对应光斑接收屏3上的光斑位置信息并处理的时统信号发生器5、分别与各光斑采集处理设备4连接的计算机6以及空间位置测量仪器7，所述空间位置测量仪器7的x轴与被测机构1的x轴保持同向，要求激光发散角较小，光斑便于采集及处理，所述光斑接收屏3、光斑采集处理设备4以及时统信号发生器5联合工作，完成激光指示器2射出光斑在光斑接收屏3上位置变化信息测量，并通过解算处理，实现被测机构1空间运动参数的精确测量。

其中，所述光斑接收屏、光斑采集处理设备以及时统信号发生器须协同工作，并确保多束激光光斑位置信息的采集为同一时刻进行；所述空间位置测量仪器7为经纬仪或全站仪或激光跟踪仪，所述光斑接收屏3采用具有漫发射和透射功能光学材料，所述光斑采集处理设备4为摄像机或PSD光电器件。

一种采用上述非接触式机构空间运动测量装置的实现方法，包括如下处理步骤：

a)、将激光指示器安装在被测机构表面任意位置，对应放置光斑接收屏及光斑采集处理设备，使激光指示器射出的光斑落在光斑接收屏的有效范围内，同时，使空间位置测量仪器放置位置的x轴与被测机构的x轴保持同向；

b)、采用空间位置测量仪器测量光斑接收屏上任意标识的三点，所述空间位置测量仪器自身坐标系定义为仪器坐标系A，确定在仪器坐标系A中各光斑接收屏所在平面的法向量，测量各光斑接收屏原点，结合平面法向量确定各平面在仪器坐标系A中的平面方程；

c)、采用空间位置测量仪器测量激光指示器的出射点，并通过光斑采集处理设备获取此时接收屏上光斑坐标值并转换至空间仪器坐标系中，确定激光光线的方向向量在仪器坐标系A中的表示；

d)、由于被测机构在发生空间运动时，激光光束与被测机构相对静止，因此根据仪器坐标系A到机构本体坐标系的传递关系，结合步骤c)的结论，得出该激光光线方向向量在机构本体坐标系中的表示；

e)、在被测机构发生空间运动前后，多个光斑接收屏在仪器坐标系A中的相对位置固定，因此其平面方程不发生改变；

f)、在被测机构发生空间运动过程中，根据步骤d的结论，即光线与机构本体固联，运动前后光线法向量在机构本体坐标系中的表示即为该向量在运动后坐标系F中的表示；

g)、与步骤d至f同理，根据运动前对激光出射点的测量值，正向推算出该出射点在机构本体坐标系中的表示，由于运动前后出射点与被测机构本体固联，被测机构运动过程中，该出射点在机构本体坐标系中的表示即为该出射点在运动后坐标系F中的表示；

h)、根据步骤b)至g)即可确定被测机构发生空间运动过程中在仪器坐标中的接收平面方程和激光光束直线方程，联立求解得运动过程中光线与光斑接收屏的交点在仪器坐标系A中表示；

i)、利用时统信号发生器控制多个光斑采集处理设备，使其同时采集被测机构运动过程中光斑接收屏上的光斑位置信息并处理，通过坐标系传递，将该光斑位置信息转换到仪器坐标系A中，与步骤h)的计算结果建立等式关系，此时该方程组所包含的未知量即为机构的空间运动参数，求解方程组即得该机构的空间运动参数值。

若被测机构在运动到初始位置时距离地面较高，不方便激光指示器的调整操作，则应在进行以上处理步骤之前，根据光斑接收屏的预计摆放位置通过软件计算预估出激光指示器发射角度，再将该被测机构运动到初始位置，进行步骤a)至i)的处理。

在本实施例中，如图1、2和3所示，建立坐标系：A：测量仪器坐标系，简称仪器坐标系；B：机构本体坐标系；C：发生J1运动(俯仰)后的坐标系；D：发生J2运动(偏航)后的坐标系；E：发生J3运动(回转)后的坐标系；F：发生三轴平移运动后的坐标系；S1：#1光斑接收屏坐标系；S2：#2光斑接收屏坐标系；S3：#3光斑接收屏坐标系。

以下计算以#1光斑接收屏为例：

a)、在被测机构发生空间运动之前，测量光斑接收屏上任意三点P₁、P₂、P₃在仪器坐标系中的坐标值，得向量向量屏幕法向量

b)、测量光斑接收屏原点D₁坐标值，假定屏幕坐标系相对于仪器坐标系的xyz轴分别旋转a₁，a₂，a₃角度，则存在#1光斑接收屏坐标系与仪器坐标系的齐次变换矩阵：

c)、建立等式：

解方程组，得旋转角度a₁，a₂，a₃，确定

d)、测量激光出射点K₁，如图1中所示坐标并通过图像采集系统采集此时屏幕上光斑M₁坐标

将其转换至仪器坐标系：

根据出设点及入射点确定光线的单位方向向量

e)、由于被测机构进行空间运动前后，激光发射装置与机构本体坐标系固联，此时该方向向量在机构本体坐标系中表示为：

$K_1^B={\left(T_B^A\right)}^{-1}\·K_1^A$

其中：

即坐标系A平移(b1，b2，b3)后为坐标系B。

f)、被测机构发生空间运动时，由于激光发射装置与机构本体固联，因此：

${K_1^F}^{\′}=K_1^B$

此时光线单位方向向量在仪器坐标系中表示为：

激光出射点在仪器坐标系中表示为：

${K_1^A}^{\′}=T_B^A\·T_C^B\·T_D^C\·T_E^D\·{T_F^{E}K_1^F}^{\′}$

其中：

y_B为B坐标系y轴，发生俯仰运动。

z_C为C坐标系z轴，发生偏航运动。

x_D为D坐标系x轴，发生回转运动。

即坐标系E平移(a，b，c)后为坐标系F。

根据及确定激光光线的直线方程：

g)、被测机构在发生空间运动前后，光斑接收屏与仪器坐标系相对位置不发生变化，因此，接收屏的面方程：

$\stackrel{\→}{n_1}\left(\mathrm{1,1}\right)\·(x-D_{1x})+\stackrel{\→}{n_1}\left(\mathrm{1,2}\right)\·(y-D_{1y})+\stackrel{\→}{n_1}\left(\mathrm{1,3}\right)\·(z-D_{1z})=0$

h)、构建方程组，求解激光光线与光斑接收屏在仪器坐标系中的交点N₁。

以上计算均以#1光斑接收屏为例，同理，可计算出#2及#3光斑接收屏与图1中对应激光发射器的光束在仪器坐标系中的交点坐标N₂及N₃。

i)、发生空间运动时，光斑采集处理设备采集光斑接收屏上的光斑坐标值转换至仪器坐标系中：

将上述三个理论计算的交点坐标N₁，N₂，N₃与实际拍摄的交点坐标 分别整合，建立等式关系，求解出该机构的俯仰、偏航、回转及x、y、z向的空间运动参数值α，β，γ，a，b，c。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (6)

1. 一种非接触式机构空间运动测量装置，其特征在于：包括安装于被测机构（1）表面任意位置的至少三个激光指示器（2）、与所述至少三个激光指示器（2）一一对应且用于接收相应激光指示器（2）所射出光斑的光斑接收屏（3）、与每个光斑接收屏（3）对应设置的光斑采集处理设备（4）、用于控制多个光斑采集处理设备（4）并使其同时采集被测机构（1）运动过程中对应光斑接收屏（3）上的光斑位置信息并处理的时统信号发生器（5）、分别与各光斑采集处理设备（4）连接的计算机（6）以及空间位置测量仪器（7），所述空间位置测量仪器（7）的x轴与被测机构（1）的x轴保持同向，所述光斑接收屏（3）、光斑采集处理设备（4）以及时统信号发生器（5）联合工作，完成激光指示器（2）射出光斑在光斑接收屏（3）上位置变化信息测量，并通过解算处理，实现被测机构（1）空间运动参数的精确测量。

2. 根据权利要求1所述的非接触式机构空间运动测量装置，其特征在于：所述空间位置测量仪器（7）为经纬仪或全站仪或激光跟踪仪。

3. 根据权利要求1所述的非接触式机构空间运动测量装置，其特征在于：所述光斑接收屏（3）采用具有漫发射和透射功能光学材料，所述光斑采集处理设备（4）为摄像机或PSD光电器件。

4. 一种采用权利要求1、2或3所述的非接触式机构空间运动测量装置的实现方法，其特征在于：包括如下处理步骤：

a）、将激光指示器安装在被测机构表面任意位置，对应放置光斑接收屏及光斑采集处理设备，使激光指示器射出的光斑落在光斑接收屏的有效范围内，同时，使空间位置测量仪器放置位置的x轴与被测机构的x轴保持同向；

b）、采用空间位置测量仪器测量光斑接收屏上任意标识的三点，所述空间位置测量仪器自身坐标系定义为仪器坐标系A，确定在仪器坐标系A中各光斑接收屏所在平面的法向量，测量各光斑接收屏原点，结合平面法向量确定各平面在仪器坐标系A中的平面方程；

c）、采用空间位置测量仪器测量激光指示器的出射点，并通过光斑采集处理设备获取此时接收屏上光斑坐标值并转换至空间仪器坐标系中，确定激光光线的方向向量在仪器坐标系A中的表示；

d）、由于被测机构在发生空间运动时，激光光束与被测机构相对静止，因此根据仪器坐标系A到机构本体坐标系的传递关系，结合步骤c）的结论，得出该激光光线方向向量在机构本体坐标系中的表示；

e）、在被测机构发生空间运动前后，多个光斑接收屏在仪器坐标系A中的相对位置固定，因此其平面方程不发生改变；

f）、在被测机构发生空间运动过程中，根据步骤d的结论，即光线与机构本体固联，运动前后光线法向量在机构本体坐标系中的表示即为该向量在运动后坐标系F中的表示；

g）、与步骤d至f同理，根据运动前对激光出射点的测量值，正向推算出该出射点在机构本体坐标系中的表示，由于运动前后出射点与被测机构本体固联，被测机构运动过程中，该出射点在机构本体坐标系中的表示即为该出射点在运动后坐标系F中的表示；

h）、根据步骤b）至g）即可确定被测机构发生空间运动过程中在仪器坐标中的接收平面方程和激光光束直线方程，联立求解得运动过程中光线与光斑接收屏的交点在仪器坐标系A中表示；

i）、利用时统信号发生器控制多个光斑采集处理设备，使其同时采集被测机构运动过程中光斑接收屏上的光斑位置信息并处理，通过坐标系传递，将该光斑位置信息转换到仪器坐标系A中，与步骤h）的计算结果建立等式关系，此时该方程组所包含的未知量即为机构的空间运动参数，求解方程组即得该机构的空间运动参数值。

5. 根据权利要求4所述的非接触式机构空间运动测量装置的实现方法，其特征在于：若被测机构在运动到初始位置时距离地面较高，不方便激光指示器的调整操作，则应在进行以上处理步骤之前，根据光斑接收屏的预计摆放位置通过软件计算预估出激光指示器发射角度，再将该被测机构运动到初始位置，进行步骤a）至i）的处理。

6. 根据权利要求4所述的非接触式机构空间运动测量装置的实现方法，其特征在于：所述光斑接收屏、光斑采集处理设备以及时统信号发生器须协同工作，并确保多束激光光斑位置信息的采集为同一时刻进行。