CN107478195A - 一种基于光学的空间物体姿态测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于光学的空间物体姿态测量装置及其测量方法，包括光阑、分光棱镜、反射镜和接收器，所述的光阑、分光棱镜、反射镜和接收器按照如下方式布置：平行准直光线经光阑达到分光棱镜上，之后的光线分成两路，第一路直接到达接收器中，第二路经过与空间物体固连的反射镜上折射到接收器中。本发明采用由于光学测量是非接触测量，而且是全场测量，所以相对于传感器测量等其它的测量技术而言，光学测量技术具有简单、方便、可靠、价格低廉等优势。采用基于双矢量定姿原理的姿态传感器的标定方法，设计的三维姿态角具有大量程高精度的特性。

Description

一种基于光学的空间物体姿态测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种测量空间物体姿态角的装置及方法。

背景技术

在机械制造、航空、航天、国防、建筑等部门中，姿态角是需要确定的重要物理量。所谓姿态角，是指物体相对于参照物的空间方位角。在航空工业中，空间物体的支脚与导轨存在的间隙、传动机构存在的转动误差、安装支脚与基准的偏差直接影响空间物体的初始偏差角，进而影响空间物体的运动精度。同时为了满足实际需求的实时性与快速性，缩短初始阶段的准备时间必须尽快的获得空间物体初始姿态信息，其测量精度关乎到整个运动过程的成败。因此空间物体相对于基准的初始三维姿态信息，对于空间物体后续精准快速的运作是不可或缺的参数。因而研究空间物体的初始姿态信息具有重大的实用价值和现实意义。

在测量空间物体姿态时，由于目标所处的环境是复杂多变的，甚至有可能十分恶劣，因此用传感器测量等一般的测量方法，对测量设备的抗干扰能力要求将十分苛刻，并且将测量设备放在空间物体上不仅会影响目标的结构和重量等固有属性参数，而且在空间物体丢失或坠毁等情况下会造成测量设备的资源浪费。随着光电技术的发展，传统光学方法与光电接收器件相结合的光电测角方法以其高精度、高可靠性、实现简单、体积小、重量轻、可维护性好等优点在测角领域中得到了广泛的应用。由于光学测量是非接触测量，而且是全场测量，所以相对于传感器测量等其它的测量技术而言，光学测量技术具有简单、方便、可靠、价格低廉等优势。

在对空间物体的光学测量工作中，利用高速摄像机、经纬仪及远距离照相机等光学设备进行运动目标的测量是一种常用的测量手段。随着数字图像处理技术的迅速发展，图像处理速度越来越快，从而使得数字化的图像测量技术成为光测图像的必然发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供克服传统上用传感器检测精度低，易受外界干扰等问题的一种基于光学的空间物体姿态测量装置及其测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于光学的空间物体姿态测量装置，其特征是：包括光阑、分光棱镜、反射镜和接收器，所述的光阑、分光棱镜、反射镜和接收器按照如下方式布置：平行准直光线经光阑达到分光棱镜上，之后的光线分成两路，第一路直接到达接收器中，第二路经过与空间物体固连的反射镜上折射到接收器中。

本发明一种基于光学的空间物体姿态测量方法，其特征是：

当反射镜面随被检测物体绕X、Z、Y轴旋转ω(γ),β角后，镜面法向量也随之改变，并且其对应着反射面的三维转角的变化，同时接收器成像面上接受到的两十字位置也将发生变化，通过光学的自准直测量原理先解算出二维角度变化量：

假设反射镜平面的法向量I＝(1,0,0)^T,旋转之后向量:

其中：Rot_y＝β、Rot_z＝γ、Rot_x＝α分别绕OX轴、OY轴、OZ轴旋转α，β，γ角的坐标变换矩阵；

定义旋转后的向量I'与平面XOZ的夹角变化量为δ_y与平面XOY的夹角的变化量为δ_z，由I'的坐标可得：

设成像面接受十字光标的水平和竖直方向上的偏移量S_y，S_z，通过测量得到，设焦距为f，由自准直测量原理可得十字光标的位移量与反射面的偏摆角δ_1z和俯仰角δ_1y的关系如下：

S_z＝ftan(2δ_z),

S_y＝f tan(2δ_y).

由于分化板在反射镜面在接收器之间，分化板只随反射镜的X轴转动，可以检测横滚角的变化；

γ＝arctan((k₂-k₁)/(1+k₂k₁))

其中，γ为滚动角，k₁表示基准十字靶标的横轴或竖轴的斜率，k₂表示旋转之后的十字靶标的横轴或者竖轴的斜率；

从而，通过图像对光标的检测获得被测物体的三维姿态角。

本发明的优势在于：

(1)采用由于光学测量是非接触测量，而且是全场测量，所以相对于传感器测量等其它的测量技术而言，光学测量技术具有简单、方便、可靠、价格低廉等优势。

(2)采用基于双矢量定姿原理的姿态传感器的标定方法，设计的三维姿态角具有大量程高精度的特性。

(3)基于光学的空间物体姿态测量系统解决了很多方法在系统方面具有的很多不足。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为视觉检测系统结构框图；

图3a为两个光标相对位置的示意图(航向)，图3b为两个光标相对位置的示意图(俯仰)，图3c为两个光标相对位置的示意图(横滚)；

图4为姿态测量系统坐标系；

图5为滚动角测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-5，本发明利用光学非接触测量的方法对空间物体相对基准进行测量。系统中平行准直光源发出平行光通过图1示中的光阑达到分光棱镜上，光线经过分光棱镜分成两路，一路到达与空间物体固连发射镜上折射到接收器中；另一路光线穿过分光棱镜直接到达接收器中，通过接收器测量可检测两束光线三维角度，进而测量出空间物体相对于基准的三维姿态角。测量系统都由光阑、分光棱镜、反射镜和接收器组成，分光棱镜固定在发射箱上，工作前需进行负责设备的标定，确定其与基准之间的姿态误差，光阑也固连在发射箱体上，反射镜固连在空间物体上，其与空间物体的支脚存在固定的连接关系，通过标定可确定相互之间的安装误差，接收器和平行准直光源安装在空间物体的基座上，通过校准可确定相互之间的位置和姿态关系。

光阑是光具组件中光学元件的边缘、框架或特别设置的带孔屏障，大小由透镜框和其他金属框决定。往往这样限制光束还不够，还要在镜头中设置一些带孔的金属薄片来限制光束，称为光阑。光阑的通光孔一般呈圆形，其中心在透镜的中心轴上，镜头的金属框也是一种光阑。

分光棱镜是透明材料(如玻璃、水晶等)做成的多面体。在光学仪器中应用很广。棱镜按其性质和用途可分为若干种。例如，在光谱仪器中把复合光分解为光谱的“色散棱镜”，较常用的是等边三棱镜；在潜望镜、双目望远镜等仪器中改变光的进行方向，从而调整其成像位置的称“全反射棱镜”，一般都采用直角棱镜。

反射镜是在光学玻璃的背面，镀一层金属银(或铝)薄膜，使入射光反射的光学元件反射镜(mirror)它是一种利用反射定律工作的光学元件。反射镜按形状可分平面反射镜、球面反射镜和非球面反射镜三种；按反射程度，可分成全反反射镜和半透半反反射镜(又名分束镜)。

接收器：用来成像来自姿态检测系统的基准光线和被测光线的两十字靶标。

本发明解决了很多方法在系统方面具有的很多不足，不能满足实际测量要求；设计的三维光学测量仪器测量精度高，但测量范围较小，也不能满足要求的问题。

结合附图1，本发明设计的光学非接触测量系统是有光阑、分光棱镜、反射镜和接收器组成。系统中平行准直光源发出平行光通过光阑达到分光棱镜上，光线经过固定在发射箱体上的分光棱镜分成两路，一路到达与空间物体固连的发射镜上折射到接收器中；另一路光线穿过分光棱镜直接到达接收器中，通过接收器测量可检测两束光线三维角度，进而测量出空间物体相对于基准的三维姿态角。

结合附图2，基于机器视觉的典型视觉检测系统主要由计算机及外设接口、图像采集卡、图像捕获装置(如摄像机)、光源、被检测对象以及检测软件等部分组成。工作过程一般是首先通过摄像机捕获含有被检测对象的视频图像，然后通过图像采集卡将视频图像进行数字化后经传输线缆将数据实时传输至计算机内存，计算机检测软件对获取的图像数据进行处理、识别及检测以获取所需检测结果，最后计算机通过外设输出结果或者将结果经过处理后直接作用于现场检测。

结合附图3，基准光标是平行自准值光源发出的光线经过分光棱镜直接到达摄像机，作为基准参照；被测光标是光线经过分光棱镜后分到反射镜上，再由反射镜反射到摄像机中。反射镜与被测物体固连，当被测物体姿态变化，引起被测光标在摄像机的图像中发生变动。如附图3所示，被测光标与基准光标在被测物体产生三种单一姿态变化时的相互位置关系。

建立基于光学的空间物体姿态测量系统的坐标系，如附图4所示。

当反射镜面随被检测物体绕X、Z、Y轴旋转ω(γ),β角后，镜面法向量也随之改变，并且其对应着反射面的三维转角的变化，同时成像面上接受到的两十字位置也将发生变化，通过光学的自准直测量原理可以先解算出二维角度变化量。假设反射镜平面的法向量I＝(1,0,0)^T,旋转之后向量:

其中：Rot_y＝β、Rot_z＝γ、Rot_x＝α分别绕OX轴、OY轴、OZ轴旋转α，β，γ角的坐标变换矩阵。

定义旋转后的向量I'与平面XOZ的夹角变化量为δ_y与平面XOY的夹角的变化量为δ_z，由I'的坐标可得：

设CMOS成像面接受十字光标的水平和竖直方向上的偏移量S_y，S_z，可以通过测量得到，设焦距为f，由自准直测量原理可得十字光标的位移量与反射面的偏摆角δ_1z和俯仰角δ_1y的关系如下：

S_z＝ftan(2δ_z),

S_y＝f tan(2δ_y). (3)

由于分化板在反射镜面在CMOS接收器之间，分化板只随反射镜的X轴转动，可以检测横滚角的变化，如附图3的c图。

测量原理如附图5所示：

中，l₁表示基准十字靶标的横轴或竖轴，l₂表示旋转之后的十字靶标的横轴或者竖轴，γ为滚动角：

γ＝arctan((k₂-k₁)/(1+k₂k₁)) (4)

其中，k₁表示l₁的斜率，k₂表示l₂的斜率。

因此，可以通过图像对光标的检测能够计算出被测物体的三维姿态角。

光学非接触测量系统是由光阑、分光棱镜、反射镜和接收器组成。系统中平行准直光源发出平行光通过光阑达到分光棱镜上，光线经过固定在发射箱体上的分光棱镜分成两路，一路到达与空间物体固连的发射镜上折射到接收器中；另一路光线穿过分光棱镜直接到达接收器中，通过接收器测量可检测两束光线三维角度，进而测量出空间物体相对于基准的三维姿态角。

光阑是光具组件中光学元件的边缘、框架或特别设置的带孔屏障，大小由透镜框和其他金属框决定。往往这样限制光束还不够，还要在镜头中设置一些带孔的金属薄片来限制光束，称为光阑。光阑的通光孔一般呈圆形，其中心在透镜的中心轴上，镜头的金属框也是一种光阑。

分光棱镜是透明材料(如玻璃、水晶等)做成的多面体。在光学仪器中应用很广。棱镜按其性质和用途可分为若干种。例如，在光谱仪器中把复合光分解为光谱的“色散棱镜”，较常用的是等边三棱镜；在潜望镜、双目望远镜等仪器中改变光的进行方向，从而调整其成像位置的称“全反射棱镜”，一般都采用直角棱镜。

反射镜是在光学玻璃的背面，镀一层金属银(或铝)薄膜，使入射光反射的光学元件反射镜(mirror)它是一种利用反射定律工作的光学元件。反射镜按形状可分平面反射镜、球面反射镜和非球面反射镜三种；按反射程度，可分成全反反射镜和半透半反反射镜(又名分束镜)。

接收器是用来接受来自姿态检测系统的基准光线和被测光线的两十字靶标的成像。

Claims (2)

1.一种基于光学的空间物体姿态测量装置，其特征是：包括光阑、分光棱镜、反射镜和接收器，所述的光阑、分光棱镜、反射镜和接收器按照如下方式布置：平行准直光线经光阑达到分光棱镜上，之后的光线分成两路，第一路直接到达接收器中，第二路经过与空间物体固连的反射镜上折射到接收器中。

2.一种基于光学的空间物体姿态测量方法，其特征是：

当反射镜面随被检测物体绕X、Z、Y轴旋转ω(γ),β角后，镜面法向量也随之改变，并且其对应着反射面的三维转角的变化，同时接收器成像面上接受到的两十字位置也将发生变化，通过光学的自准直测量原理先解算出二维角度变化量：

假设反射镜平面的法向量I＝(1,0,0)^T,旋转之后向量:

<mrow> <msup> <mi>I</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>=</mo> <msub> <mi>Rot</mi> <mrow> <mi>y</mi> <mo>=</mo> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>Rot</mi> <mrow> <mi>z</mi> <mo>=</mo> <mi>&amp;gamma;</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>Rot</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mo>-</mo> <mi>cos</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>

其中：Rot_y＝β、Rot_z＝γ、Rot_x＝α分别绕OX轴、OY轴、OZ轴旋转α，β，γ角的坐标变换矩阵；

定义旋转后的向量I'与平面XOZ的夹角变化量为δ_y与平面XOY的夹角的变化量为δ_z，由I'的坐标可得：

<mrow> <msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>arcsin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> </mrow> <mn>1</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>,</mo> </mrow>

<mrow> <msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mi>z</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi> </mi> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mo>-</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow> <mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>cos</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>,</mo> </mrow>

设成像面接受十字光标的水平和竖直方向上的偏移量S_y，S_z，通过测量得到，设焦距为f，由自准直测量原理可得十字光标的位移量与反射面的偏摆角δ_1z和俯仰角δ_1y的关系如下：

S_z＝ftan(2δ_z),

S_y＝ftan(2δ_y).

由于分化板在反射镜面在接收器之间，分化板只随反射镜的X轴转动，可以检测横滚角的变化；

γ＝arctan((k₂-k₁)/(1+k₂k₁))

其中，γ为滚动角，k₁表示基准十字靶标的横轴或竖轴的斜率，k₂表示旋转之后的十字靶标的横轴或者竖轴的斜率；

从而，通过图像对光标的检测获得被测物体的三维姿态角。