CN106595638B - 基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置及测量方法。装置为：仪表平台的内壁上设有标志点，仪表平台的上方竖直放置一个立方体棱镜，两个激光准直仪垂直设置，当标志点位于摄像机的中心时，两个激光准直仪分别正对立方体棱镜的两个相邻面，转台内环设置在气浮台底座和转台中环之间，转台内环的两侧由转台内环轴与转台中环转动连接，摄像机固定在转台内环上。方法为：激光准直仪发出的光经立方体棱镜反射，将微小的角度偏差扩大，沿Y轴水平放置的激光准直仪测量平台初始X方向和Z方向的偏角，沿X轴水平放置的激光准直仪测量平台Z方向和Y方向的偏角，通过两个激光准直仪的组合测量，矫正由于各种因素引起的测角误差。

Description

基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置及测量方法，属于三轴气浮台姿态测量装置及方法技术领域。

背景技术

三维角度测量装置是在三维的运动装置上安装角度测量元件实现运动装置的三维姿态测量。现有的三维高精度角度测量系统主要包括惯性测量装置和光学测量装置。

惯性测量装置：惯性姿态测量装置主要为陀螺仪，包括机械陀螺，激光陀螺，光纤陀螺，振动陀螺等。传统的机械陀螺包括二自由度和三自由度机械陀螺，结构复杂，同时精度受很多方面的制约。近几十年来，光学陀螺和振动陀螺得到了非常迅速的发展。相比于传统的机械陀螺，光学陀螺具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等特点，因此越来越多的应用到航天等领域的姿态测量。

光学测量装置：目前常用的光学测量装置为激光跟踪仪。专利《基于惯性检测的激光跟踪仪靶球定位系统》(专利申请号201410661823.9，申请公布号CN104406585A、申请公布日2015年3月11日)中指出，由于其具有测量范围大、操作简单、可现场检测等特点，因此是目前具有广泛应用价值的测量方法。文献《一种高精度三维小角度同时测量方法》(中国激光,2013,期12)中提出一种以单个直角棱镜为敏感元件的高精度三维小角度同时测量方法。该方法将准直光束垂直入射到镀有分束膜的直角棱镜的斜边面，由两个四象限探测器分别接受并作差分测量，可以实现三个姿态角的测量。这种方法避免了误差串扰，同时增加了抗干扰能力，其偏航、俯仰角分辨率达0.1”，滚转角分辨率可达0.3”，测角精度约为1”和2”。但是仅适用于小角度测量，应用范围十分有限。

传统的机械陀螺结构复杂，精度较低，光学陀螺精度高，结构小巧紧凑，但是由于价格昂贵难以广泛应用。

专利《基于惯性检测的激光跟踪仪靶球定位系统》中使用的激光跟踪仪的最高精度为0.01°，达不到高精度测角的要求。同时，激光跟踪仪在效率、便捷性上存在一些不足，使用单台激光跟踪仪也无法实现自动测量定位，需要工作人员人工引光，测量效率低。另外，在运动时难免出现光线遮挡或入射激光角度超过量程而导致断光，影响测量进度。目前有基于视觉的激光跟踪仪测量定位系统，但是其也存在光线遮挡的问题。在测量过程中如果发生了遮挡，则必须退回之前已知点位重新规划轨迹，影响测量进度。

文献《一种高精度三维小角度同时测量方法》中提出的高精度三维小角度同时测量方法虽然可以达到很高的精度，但是测量范围仅为1000”，受到很大的限制，无法满足姿态角有较大变化时的应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置，包括立方体棱镜、两个激光准直仪、仪表平台、气浮球、气浮轴承、转台中环、转台内环轴、摄像机、转台中环轴、气浮台底座、转台外环、转台外环轴、基座、标志点和转台内环，所述转台外环轴的下端与基座转动连接，转台外环轴的上端与转台外环的下端固定连接，气浮台底座的下端固定在转台外环内的上端，气浮台底座的上端固定有气浮轴承，气浮轴承的上部设有气浮球，气浮球的上部与仪表平台的中间位置固定连接，仪表平台的内壁上设有标志点，仪表平台的上方竖直放置一个立方体棱镜，两个激光准直仪垂直设置，当标志点位于摄像机的中心时，两个激光准直仪分别正对立方体棱镜的两个相邻面，转台中环套设在气浮台底座上，转台中环的两端由转台中环轴与转台外环转动连接，转台内环设置在气浮台底座和转台中环之间，转台内环的两侧由转台内环轴与转台中环转动连接，摄像机固定在转台内环上。

一种使用基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置的测量方法，

当气浮平台产生一定的转动时，摄像机通过将当前标志点的图像进行去畸变，二值化，求质心处理，得到三个标志点的几何中心在摄像机成像面上的像素坐标；通过建立三维模型，由三个像素坐标得到三个标志点几何中心在世界坐标系中的空间三维坐标；

O_c为摄像机光心，测量光标记为A、B、C，O_cA，O_cB，O_cC之间的夹角分别为α,β,γ；已知|BC|＝a，|AC|＝b，|AB|＝c，由摄像机内参数计算得到α,β,γ的值，设A、B、C与光心O_c之间连线的长度分别记为x,y,z，则以下方程成立：

当A、B、C构成等腰三角形关系，且摄像机在某些特定区域时，方程组具有唯一解，形式如下：

AK垂直于AC，AJ垂直于AB，且AK，AJ都在平面ABC上，直线L过点A且垂直于平面ABC，直线L和射线AK构成平面α，直线L和射线AJ构成平面β，平面π1和平面π2所夹的空间区域称为V；当光心O_c出现在V区域时，对应解的形式为方程组一；同理，对应方程组二，光心O_c位于空间W处；

应用牛顿迭代法从上述方程组中解得A、B、C与光心O_c之间连线的长度x,y,z；利用相似三角形原理，得到A,B,C三点在摄像机坐标系下的坐标分别为：

其中，(A′_x,A′_y),(B′_x,B′_y),(C′_x,C′_y)分别三个像点的图像像素坐标，(u_o,v_o)是摄像机光轴O_cO与成像面交点O，f是摄像机焦距；将这三个坐标作为反馈信息传给三维转台的电机，使电机产生相应的转动，通过摄像机不断地测量和反馈，使得三维转台能够实时跟踪气浮台的转动，保证标志点与摄像机的相对位置始终不变；

激光准直仪发出的光经立方体棱镜反射，将微小的角度偏差扩大，沿Y轴水平放置的激光准直仪测量平台初始X方向和Z方向的偏角，沿X轴水平放置的激光准直仪测量平台Z方向和Y方向的偏角，通过两个激光准直仪的组合测量，矫正由于各种因素引起的测角误差。

事实上，测量平台每个偏移的角度值都应对应激光准直仪唯一确定的输出，因此可利用激光准直仪对测量平台的转角进行标定。标定时，让气浮台体分别多次绕着任意轴旋转，从摄像机的反馈参数中得到台体三个方向的转动角度，激光准直仪测量值可以直接通过读数得到。通过建立数据间的一一对应关系即可实现对测量平台的标定。

本发明的装置由于加入激光准直仪标定，减小了由于安装误差、测量误差等各种因素带来的误差，提高了测量装置的精度。采用摄像机和人工标志点代替激光跟踪仪和惯性器件，消除了由于光线遮挡等问题可能带来的测量准确度和测量效率的影响，同时最大限度的降低设备成本，提高测量精度。

本发明的方法通过在转台上安装摄像机，对测量平台上的标志点实时跟踪，保证了大范围自动测量时不会发生光线遮挡。同时，采用一对激光准直仪对测量平台进行标定，可以大大减小由安装精度、测量误差等各种因素带来的测角误差，提高测量精度。

附图说明

图1为本发明基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置的结构示意图。

图2为摄像机和标志点的对应关系示意图。

图3为摄像机三维成像模型图。

图4为摄像机位置图。

图中的附图标记，1为立方体棱镜，2为激光准直仪，3为仪表平台，4为气浮球，5为气浮轴承，6为转台中环，7为转台内环轴，8为摄像机，9为转台中环轴，10为气浮台底座，11为转台外环，12为转台外环轴，13为基座，14为标志点，15为转台内环。T1为第一标志点，T2为第二标志点，T3为第三标志点。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：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，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1和图2所示，本实施例所涉及的一种基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置，包括立方体棱镜1、两个激光准直仪2、仪表平台3、气浮球4、气浮轴承5、转台中环6、转台内环轴7、摄像机8、转台中环轴9、气浮台底座10、转台外环11、转台外环轴12、基座13、标志点14和转台内环15，所述转台外环轴12的下端与基座13转动连接，转台外环轴12的上端与转台外环11的下端固定连接，气浮台底座10的下端固定在转台外环11内的上端，气浮台底座10的上端固定有气浮轴承5，气浮轴承5的上部设有气浮球4，气浮球4的上部与仪表平台3的中间位置固定连接，仪表平台3的内壁上设有标志点14，仪表平台3的上方竖直放置一个立方体棱镜1，两个激光准直仪2垂直设置，当标志点14位于摄像机8的中心时，两个激光准直仪2分别正对立方体棱镜1的两个相邻面，转台中环6套设在气浮台底座10上，转台中环6的两端由转台中环轴9与转台外环11转动连接，转台内环15设置在气浮台底座10和转台中环6之间，转台内环15的两侧由转台内环轴7与转台中环6转动连接，摄像机8固定在转台内环15上。

所述标志点14为三个。

一种使用基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置的测量方法，

当气浮平台产生一定的转动时，摄像机通过将当前标志点的图像进行去畸变，二值化，求质心等处理，得到三个标志点的几何中心在摄像机成像面上的像素坐标。通过建立三维模型，可以由三个像素坐标得到三个标志点几何中心在世界坐标系中的空间三维坐标；摄像机的三维成像模型如图3所示。

O_c为摄像机光心，测量光标记为A、B、C，O_cA，O_cB，O_cC之间的夹角分别为α,β,γ；已知|BC|＝a，|AC|＝b，|AB|＝c，由摄像机内参数可计算得到α,β,γ的值，设A、B、C与光心O_c之间连线的长度分别记为x,y,z，则以下方程成立：

可以证明，当A、B、C构成等腰三角形关系，且摄像机在某些特定区域时，方程组具有唯一解，形式如下：

满足上述解的形式时，摄像机相对于标志点的位置如图4所示。AK垂直于AC，AJ垂直于AB，且AK，AJ都在平面ABC上，直线L过点A且垂直于平面ABC，直线L和射线AK构成平面α，直线L和射线AJ构成平面β，平面π1和平面π2所夹的空间区域称为V。当光心O_c出现在V区域时，对应解的形式为方程组一。同理，对应方程组二，光心O_c位于空间W处。

可以应用牛顿迭代法从上述方程组中解得A、B、C与光心O_c之间连线的长度x,y,z。利用相似三角形原理，可以得到A,B,C三点在摄像机坐标系下的坐标分别为：

其中，(A′_x,A′_y),(B′_x,B′_y),(C′_x,C′_y)分别三个像点的图像像素坐标，(u_o,v_o)是摄像机光轴O_cO与成像面交点O，f是摄像机焦距。将这三个坐标作为反馈信息传给三维转台的电机，使电机产生相应的转动。通过摄像机不断地测量和反馈，使得三维转台能够实时跟踪气浮台的转动，保证标志点与摄像机的相对位置始终不变。

激光准直仪发出的光经立方体棱镜反射，可以将微小的角度偏差扩大，增加测量精度。图1中沿Y轴水平放置的激光准直仪可以测量平台初始X方向和Z方向的偏角。沿X轴水平放置的激光准直仪可以测量平台Z方向和Y方向的偏角。因此，通过两个激光准直仪的组合测量，可以矫正由于各种因素引起的测角误差，大大提高装置的测量精度。事实上，测量平台每个偏移的角度值都应对应激光准直仪唯一确定的输出，因此可利用激光准直仪对测量平台的转角进行标定。标定时，让气浮台体分别多次绕着任意轴旋转，从摄像机的反馈参数中得到台体三个方向的转动角度，激光准直仪测量值可以直接通过读数得到。通过建立数据间的一一对应关系即可实现对测量平台的标定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置，其特征在于，包括立方体棱镜(1)、两个激光准直仪(2)、仪表平台(3)、气浮球(4)、气浮轴承(5)、转台中环(6)、转台内环轴(7)、摄像机(8)、转台中环轴(9)、气浮台底座(10)、转台外环(11)、转台外环轴(12)、基座(13)、标志点(14)和转台内环(15)，所述转台外环轴(12)的下端与基座(13)转动连接，转台外环轴(12)的上端与转台外环(11)的下端固定连接，气浮台底座(10)的下端固定在转台外环(11)内的上端，气浮台底座(10)的上端固定有气浮轴承(5)，气浮轴承(5)的上部设有气浮球(4)，气浮球(4)的上部与仪表平台(3)的中间位置固定连接，仪表平台(3)的内壁上设有标志点(14)，仪表平台(3)的上方竖直放置一个立方体棱镜(1)，两个激光准直仪(2)垂直设置，当标志点(14)位于摄像机(8)的中心时，两个激光准直仪(2)分别正对立方体棱镜(1)的两个相邻面，转台中环(6)套设在气浮台底座(10)上，转台中环(6)的两端由转台中环轴(9)与转台外环(11)转动连接，转台内环(15)设置在气浮台底座(10)和转台中环(6)之间，转台内环(15)的两侧由转台内环轴(7)与转台中环(6)转动连接，摄像机(8)固定在转台内环(15)上。

2.根据权利要求1所述的基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置，其特征在于，所述标志点(14)为三个。

3.一种使用权利要求1所述的基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置的测量方法，其特征在于，

当气浮台产生一定的转动时，摄像机通过将当前标志点的图像进行去畸变，二值化，求质心处理，得到三个标志点的几何中心在摄像机成像面上的像素坐标；通过建立三维模型，由三个像素坐标得到三个标志点几何中心在世界坐标系中的空间三维坐标；

O_c为摄像机光心，测量光标记为A、B、C，O_cA，O_cB，O_cC之间的夹角分别为α,β,γ；已知|BC|＝a，|AC|＝b，|AB|＝c，由摄像机内参数计算得到α,β,γ的值，设A、B、C与光心O_c之间连线的长度分别记为x,y,z，则以下方程成立：

当A、B、C构成等腰三角形关系，且摄像机在某些特定区域时，方程组具有唯一解，形式如下：

AK垂直于AC，AJ垂直于AB，且AK，AJ都在平面ABC上，直线L过点A且垂直于平面ABC，直线L和射线AK构成平面π1，直线L和射线AJ构成平面π2，平面π1和平面π2所夹的空间区域称为V；当光心O_c出现在V区域时，对应解的形式为方程组一；同理，对应方程组二，光心O_c位于空间W处；

应用牛顿迭代法从上述方程组中解得A、B、C与光心O_c之间连线的长度x,y,z；利用相似三角形原理，得到A,B,C三点在摄像机坐标系下的坐标分别为：

其中，(A′_x,A′_y),(B′_x,B′_y),(C′_x,C′_y)分别三个像点的图像像素坐标，(u_o,v_o)是摄像机光轴O_cO与成像面交点O的坐标，f是摄像机焦距；将这三个坐标作为反馈信息传给三维转台的电机，使电机产生相应的转动，通过摄像机不断地测量和反馈，使得三维转台能够实时跟踪气浮台的转动，保证标志点与摄像机的相对位置始终不变；

激光准直仪发出的光经立方体棱镜反射，将微小的角度偏差扩大，沿Y轴水平放置的激光准直仪测量平台初始X方向和Z方向的偏角，沿X轴水平放置的激光准直仪测量平台Z方向和Y方向的偏角，通过两个激光准直仪的组合测量，矫正由于各种因素引起的测角误差。