CN106595642B - 一种位姿测算光学仪器及调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学测量装置领域，具体涉及一种位姿测算光学仪器及调试方法。主要解决了现有的位姿测算仪器测算数据可信度低、不能承受严酷的力学和热学环境，位姿测算光学仪器调试过程复杂的问题。位姿测算光学仪器包括光学相机、多个激光器组件和光学镜头；所述激光器组件和光学镜头均设置于光学相机上，光学相机设置有图像探测器和图像数据处理电路；光学镜头的光轴与图像探测器的视轴重合，光学镜头的光轴与图像探测器感光面垂直；激光器组件包括激光器和调整垫，调整垫设置于激光器与光学相机之间，多个激光器组件以光学镜头的光轴为中心沿圆周方向均布，激光器的光轴与光学镜头的光轴形成一定的夹角。

Description

一种位姿测算光学仪器及调试方法

技术领域

本发明涉及光学测量装置领域，具体涉及一种位姿测算光学仪器及调试方法。

背景技术

随着空间光学技术的进一步发展，空间载荷也在不断的创新，近几年不断涌现出多种类型的新型载荷，其中包括大型机械手臂等通过机构运动达到任务要求的设备。这种设备在使用时，由于空间环境、人手及人眼无法接触或近距离观察设备等不利因素影响，导致此类设备必须通过某种测量手段来精确计算出设备的实时位置及姿态，即需要对设备进行实时位姿测算。

空间环境具有失重、温度交变显著等特点，这对设备的实时位姿测算提出了更加严苛的要求。位姿测量仪器必须在复杂的空间环境载荷下，保证测量精度，还要承受火箭发射、星箭分离时大量级的振动及冲击等严酷的力学载荷，现有的位姿测算光学仪器测算数据可信度低，不能够承受严酷的力学和热学环境。同时，由于发射成本、使用效率等方面因素的制约，位姿测算仪器必须满足重量轻，可靠性高等一系列条件，此外，现有的位姿测算光学仪器调试过程复杂。

发明内容

本发明所要解决的问题是提出一种既能满足结构强度，又可以保证测量精度的位姿测算仪器及位姿测算仪器的精确调试方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种位姿测算光学仪器，包括光学相机、多个激光器组件和光学镜头；所述激光器组件和光学镜头均设置于光学相机的同一平面上；所述光学相机设置有图像探测器和图像数据处理电路；所述光学镜头的光轴与图像探测器的视轴重合，光学镜头的光轴与图像探测器感光面垂直，光学镜头中心与图像探测器中心为同轴设置；所述激光器组件包括激光器和调整垫，调整垫设置于激光器与光学相机之间，多个激光器组件以光学镜头的光轴为中心沿圆周方向均布，所述激光器的光轴与光学镜头的光轴形成一定的夹角。

所述激光器组件数量优选为4个，设置在光学相机表面四个象限45°夹角线上。

所述激光器光轴与光学镜头光轴的优选夹角A＝2°±1′。

位姿测算光学仪器调试方法，所述位姿测算光学仪器包括光学相机、安装在光学相机上的多个激光器组件和一个光学镜头，所述的调试方法包括以下步骤：

1)通过测量光学相机、光学镜头和激光器组件的外部包络尺寸确定数值l₂，同时确定与l₂相关的数值L，L的数值是l₂的200倍以上，其中，l₂为激光器发光点中心到光学镜头光轴的垂直距离，L为激光器发光点在光学镜头光轴上的投影与目标靶板圆形标识在光学镜头光轴上的投影间的距离；

2)根据确定的l₂值、L值以及给定的夹角值A,通过公式A＝tan^-1(|l₁-l₂|/L)确定目标靶板圆形标识中心到目标靶板十字形标识中心的距离l₁；其中，A为激光器光轴与光学镜头光轴的夹角；

3)根据计算得到的l₁值制作目标靶板；

4)位姿测算光学仪器开机，将位姿测算光学仪器和目标靶板固定在气浮平台，目标靶板安装在光学镜头的前端，且与图像探测器视轴垂直，调整目标靶板的姿态，直到目标靶板十字标识通过光学相机成像后与光学相机的虚拟十字型参考标识重合，在光学镜头光轴方向上移动目标靶板，根据确定的L值对目标靶板进行固定；

5)光学相机对目标靶板的十字形标识、圆形标识及激光器在目标靶板上照亮的激光光斑成像并采集图像，测量得到目标靶板圆形标识中心与激光器照亮在目标靶板上的圆形光斑中心的距离Δl₁，根据所得到的Δl₁，通过公式Δl₁＝L·[tanA₁-tanA],得到A₁值，若A₁与A差值在±1′之内，当前状态下激光器的安装角度A₁符合要求，位姿测算光学仪器调试完成；否则，进行步骤6)：

6)修正激光器组件调整垫的厚度,对激光器组件的位置及指向进行微调，重新测量得到目标靶板圆形标识中心与激光器照亮在目标靶板上的圆形光斑中心的距离Δl₁′，通过公式Δl₁′＝L·[tanA₁′-tanA],得到A₁′值，若A₁′与A差值在±1′之内，当前状态下激光器的安装角度A₁′符合要求，位姿测算光学仪器调试完成；否则，重复步骤6)，直到激光器的安装角度符合要求，位姿测算光学仪器调试完成。

所述目标靶板中心设有十字状标识和圆形标识，所述十字标识线优选设置为宽＜0.1mm、线长20mm，所述四个圆形标识以十字中心为圆心沿圆周方向均布，且位于十字型标识四个象限45°夹角线上，所述圆形标识的直径与激光器光斑直径相同。

本发明的优点为：通过光学成像等比例放大的方式解决了现有微型结构光照明激光器高精度安装的问题；本位姿测算光学仪器采用光学成像方法进行工作，其重量轻、空间占用包络尺寸小、装调简单便捷、加工难度低、工作稳定可靠、测算数据可信度高，同时能够承受严酷的力学和热学环境。

附图说明

图1为本发明实施例位姿测算光学仪器的安装调试结构示意图；

图2为本发明实施例位姿测算光学仪器结构示意图；

图3为本发明实施例位姿测算光学仪器剖面结构示意图；

图4为本发明实施例激光器组件结构示意图；

图5为本发明实施例目标靶板结构示意图；

图6为本发明实施例位姿测算光学仪器调试原理示意图；

图7为本发明实施例激光器组件安装位置示意图；

图8为本发明实施例目标靶板标识示意图。

附图标记：1-光学相机，2-激光器组件，21-激光器，22-固定螺钉，23-调整垫，3-光学镜头，4-目标靶板，5-激光器光线

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

如图1、图2、图3所示的位姿测算光学仪器，包括光学相机1、四个激光器组件2和光学镜头3；激光器组件2和光学镜头3均设置于光学相机1上，且安装表面为同一平面；光学镜头3为满足位姿测算技术要求的大视场光学镜头，其通过螺钉与光学相机1固连。光学相机1设置有图像探测器和图像数据处理电路；光学镜头3的光轴与图像探测器的视轴重合，光学镜头3的光轴与图像探测器感光面垂直，光学镜头3中心与图像探测器中心同轴设置。

如图4所示，激光器组件2由一个激光器21、三个固定螺钉22和三个调整垫23组成，激光器21可发射横截面为圆形的单束照明激光，激光器组件2通过三个固定螺钉22与光学相机1固连，三个调整垫置于激光器21与光学相机1配合面之间，通过减少或增加调整垫的厚度微量调整激光器21与仪器主体的角度，激光器组件2以光学镜头3的光轴为中心按半径为l₂的圆均布在光学相机1上，分别设置在光学相机1表面四个象限45°夹角线上，微型激光器光线5(即激光器光轴)与光学仪器的视轴成A＝2°±1′夹角，在仪器的装调中通过调整激光器组件2中的调整垫厚度实现激光器21指向角度A(即激光器21的光轴与光学镜头3的光轴夹角)的微量调整。调整垫23为铝片，在调整的过程中，通过加工研磨来减少调整垫23的厚度。

位姿测算光学仪器调试方法，包括以下步骤：

1)通过测量光学相机1、光学镜头3和激光器组件2的外部包络尺寸确定数值l₂，同时确定与l₂相关的数值L，L的数值是l₂的200倍以上，其中，l₂为激光器21发光点中心到光学镜头3光轴的垂直距离，L为激光器发光点在光学镜头光轴上的投影与目标靶板圆形标识在光学镜头光轴上的投影间的距离；

2)根据得到的l₂值、L值以及给定的夹角值A,通过公式A＝tan^-1(|l₁-l₂|/L)确定目标靶板圆形标识中心到目标靶板十字形标识中心的距离l₁；其中，A为激光器光轴与光学镜头光轴的夹角；

3)根据得到的l₁值制作目标靶板4；所述目标靶板4中心设有一个十字状标识，十字标识线宽控制在0.1mm以内、线长20mm，并涂抹与靶板背景对比度较大的颜色，以十字中心为原点按半径为l₁的圆周上均布四个圆形标识，圆形标识大小直径与激光器21的光束横截面直径大小相同，四个圆形标识设置在十字型标识四个象限45°夹角线上；

4)位姿测算光学仪器开机，将位姿测算光学仪器和目标靶板4固定在气浮平台，目标靶板4安装在光学镜头3的前端，目标靶板标识面与光学镜头3面对面安装，且与图像探测器视轴垂直，光学相机1内嵌图像处理程序，在相机采集图像的中心形成虚拟的十字型参考标识；调整目标靶板4的姿态，直到目标靶板十字标识通过光学相机成像后与光学相机的虚拟十字型参考标识重合，在光学镜头光轴方向上移动目标靶板4，根据确定的L值对目标靶板4进行固定；

5)光学相机对目标靶板的十字形标识、圆形标识及激光器在目标靶板上照亮的激光光斑成像并采集图像，通过图像数据处理程序分析计算出图像中互相对应的圆形标识及光斑的中心位置，测量得到目标靶板圆形标识中心与激光器照亮在目标靶板上的圆形光斑中心的距离Δl₁，根据所得到的Δl₁，通过公式Δl₁＝L·[tanA₁-tanA],得到A₁值，若A₁与A差值在±1′之内，当前状态下激光器的安装角度A₁符合要求，位姿测算光学仪器调试完成；否则，进行步骤6)：

6)在实际装调时，无法保证每个激光器21在目标靶上照亮的光斑与目标靶上相对应的圆形标识完全重合，所以需要修正激光器组件调整垫的厚度。修正激光器组件调整垫23的厚度,对激光器组件2的位置及指向进行微调，重新测量得到目标靶板圆形标识中心与激光器21照亮在目标靶板4上的圆形光斑中心的距离Δl₁′，通过公式Δl₁′＝L·[tanA₁′-tanA],得到A₁′值，若A₁′与A差值在±1′之内，当前状态下激光器的安装角度A₁′符合要求，位姿测算光学仪器调试完成；否则，重复步骤6)，直到激光器的安装角度符合要求，位姿测算光学仪器调试完成。

本发明涉及的位姿测算光学仪器高精度安装方式原理如下：

假设目标靶板4十字标识的中心与位姿测算光学仪器视轴重合，同时靶板十字标识面与视轴垂直，四个激光器21发光点与目标靶板4圆形标识在光学仪器光轴方向上的投影距离为L，四个激光器21在目标靶上照亮的四个光斑与目标靶的四个圆形标识完全重合，通过公式A＝tan^-1(|l₁-l₂|/L)计算得到四个激光器21与光学仪器视轴的精确角度。在A值确定的情况下，根据实际条件设计以上公式中的l₁、l₂及L三个数值可以计算出精确的A值。

Claims (4)

1.位姿测算光学仪器调试方法，其特征在于，所述位姿测算光学仪器包括光学相机、安装在光学相机上的多个激光器组件和一个光学镜头，所述激光器组件和光学镜头均设置于光学相机的同一平面上；所述光学相机设置有图像探测器和图像数据处理电路；所述光学镜头的光轴与图像探测器的视轴重合，光学镜头的光轴与图像探测器感光面垂直，光学镜头中心与图像探测器中心为同轴设置；所述激光器组件包括激光器和调整垫，调整垫设置于激光器与光学相机之间，多个激光器组件以光学镜头的光轴为中心沿圆周方向均布，所述激光器的光轴与光学镜头的光轴形成一定的夹角，所述的调试方法包括以下步骤：

1)通过测量光学相机、光学镜头和激光器组件的外部包络尺寸确定数值l₂，同时确定与l₂相关的数值L，L的数值是l₂的200倍以上，其中，l₂为激光器发光点中心到光学镜头光轴的垂直距离，L为激光器发光点在光学镜头光轴上的投影与目标靶板圆形标识在光学镜头光轴上的投影间的距离；

2)根据确定的l₂值、L值以及给定的夹角值A,通过公式A＝tan^-1(l₁-l₂L)确定目标靶板圆形标识中心到目标靶板十字形标识中心的距离l₁；其中，A为激光器光轴与光学镜头光轴的夹角；

3)根据计算得到的l₁值制作目标靶板；

4)位姿测算光学仪器开机，将位姿测算光学仪器和目标靶板固定在气浮平台，目标靶板安装在光学镜头的前端，且与图像探测器视轴垂直，调整目标靶板的姿态，直到目标靶板十字标识通过光学相机成像后与光学相机的虚拟十字型参考标识重合，在光学镜头光轴方向上移动目标靶板，根据确定的L值对目标靶板进行固定；

5)光学相机对目标靶板的十字形标识、圆形标识及激光器在目标靶板上照亮的激光光斑成像并采集图像，测量得到目标靶板圆形标识中心与激光器照亮在目标靶板上的圆形光斑中心的距离Δl₁，根据所得到的Δl₁，通过公式Δl₁＝L·[tanA₁-tanA],得到A₁值，若A₁与A差值在±1′之内，当前状态下激光器的安装角度A₁符合要求，位姿测算光学仪器调试完成；否则，进行步骤6)：

6)修正激光器组件调整垫的厚度,对激光器组件的位置及指向进行微调，重新测量得到目标靶板圆形标识中心与激光器照亮在目标靶板上的圆形光斑中心的距离Δl₁′，通过公式Δl₁′＝L·[tanA₁′-tanA],得到A₁′值，若A₁′与A差值在±1′之内，当前状态下激光器的安装角度A₁′符合要求，位姿测算光学仪器调试完成；否则，重复步骤6)，直到激光器的安装角度符合要求，位姿测算光学仪器调试完成。

2.根据权利要求1所述的位姿测算光学仪器调试方法，其特征在于：所述目标靶板中心设有十字状标识和圆形标识，所述十字标识线宽＜0.1mm、线长20mm，所述四个圆形标识以十字中心为圆心沿圆周方向均布，且位于十字型标识四个象限45°夹角线上，所述圆形标识的直径与激光器光斑直径相同。

3.根据权利要求1或2所述的位姿测算光学仪器调试方法,其特征在于：激光器组件数量为4个，设置在光学相机表面四个象限45°夹角线上。

4.根据权利要求3所述的位姿测算光学仪器调试方法其特征在于：激光器光轴与光学镜头光轴的夹角A＝2°±1′。

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