CN108680926A - 平面内双平台相对位姿测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平面内双平台相对位姿测量系统及方法，涉及激光测距技术领域。本发明的结构包括多个激光测距仪、特制的反射面，在测量时，3台激光测距仪同时工作，按照所测量的旋转角ω、横向距离、纵向距离的顺序依次调整第二平台的位置与姿态，能够实现在非接触的情况下第一平台与第二平台相对位姿的固定不变。本发明实现了平面内两个平台间相对位姿的高精度非接触式测量；具有环境适应能力好、抗干扰能力强、鲁棒性好、测量精度高等优势；原理、结构简单，改造成本低，适用于不同类型移动、非移动平台的相对位姿测量，且便于日常维护。

Description

平面内双平台相对位姿测量系统及方法
技术领域
本发明涉及激光测距技术领域，具体涉及一种平面内双平台相对位姿测量方法。
背景技术
目前的相对位姿检测通常基于双目视觉、单目视觉、激光雷达成像等技术实现，有针对合作目标也有针对非合作目标的，普遍被应用于空间飞行器之间的相对位置检测。造价相对较高，原理较为复杂，对使用环境有一定要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提出一种平面内双平台相对位姿测量方法，用于同一平面内非接触式测量两平台之间相对位姿，解决两平台系统非接触式联动或是相对移动时的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种平面内双平台相对位姿测量系统，包括：第一激光测距仪1、第二激光测距仪2、第三激光测距仪3和反射面4，测量对象为第一平台A和第二平台B；
其中，第一激光测距仪1、第二激光测距仪2、第三激光测距仪3位于第一平台A上，等间距放置，第三激光测距仪3位于第一激光测距仪1、第二激光测距仪2之间；反射面4位于第二平台B上；
测量时，第一激光测距仪1、第二激光测距仪2、第三激光测距仪3三者同时工作，且第一激光测距仪1、第二激光测距仪2、第三激光测距仪3的测量射线处于同一平面内，此平面即为第一平台A与第二平台B需要测量相对位姿的平面；
所述反射面4的颜色为白色，且具有一横截面为直角三角形的凹槽，测量时，第一激光测距仪1与第二激光测距仪2分别照射在反射面4的凹槽的两侧，第三激光测距仪3照射在凹槽内部。
优选地，所述第一平台A为长方体。
优选地，所述第二平台B为长方体。
优选地，所述第一平台A与第二平台B为尺寸相同的长方体。
优选地，所述第三激光测距仪3照射在凹槽的斜面。
优选地，所述第一平台A与第二平台B二者的相对距离不超过第一激光测距仪1、第二激光测距仪2、第三激光测距仪3所处位置的量程。
本发明还提供了一种利用所述的系统实现的平面内双平台相对位姿测量方法，包括以下步骤：
测量时，首先，根据第一激光测距仪1与第二激光测距仪2的测量数据比例得到第二平台B相对于第一平台A的旋转角ω，计算公式如下：
其中，a为相邻两激光测距仪的间距；
其次，再根据第三激光测距仪3的测量数据大小与旋转角ω的相对关系得出,第二平台B相对于第一平台A的纵向与横向上的相对位置关系x与y。
优选地，所述第二平台B相对于第一平台A的纵向与横向上的相对位置关系x与y具体为：
凹槽的直角三角形截面的斜边的中点5相对于第一平台A的横向偏移距离x由如下公式得出：
其中：
其中，α为凹槽的直角三角形截面的斜边与长直角边的夹角，且该长直角边平行于第二平台B的长度方向，L0为凹槽的直角三角形截面的斜边长度，在制作反射面4的尺寸时可以确定，为已知量，因此：
其中，L4为凹槽的直角三角形截面的短直角边，即平行于第二平台B宽度方向的直角边的长度，而凹槽的直角三角形截面的斜边的中点5相对于第一平台A的纵向偏移距离y，由如下公式得出：
y=xtan(α+ω)。
(三)有益效果
本发明的结构包括多个激光测距仪、特制的反射面，在测量时，3台激光测距仪同时工作，按照所测量的旋转角ω、横向距离、纵向距离的顺序依次调整第二平台B的位置与姿态，能够实现在非接触的情况下第一平台A与第二平台B相对位姿的固定不变。本发明实现了平面内两个平台间相对位姿的高精度非接触式测量；具有环境适应能力好、抗干扰能力强、鲁棒性好、测量精度高等优势；原理、结构简单，改造成本低，适用于不同类型移动、非移动平台的相对位姿测量，且便于日常维护。
附图说明
图1是本发明的相对位姿测量原理图；
图2是本发明的特制反射面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明基于平面内双平台相对位姿测量系统实现，如图1所示，该系统由四部分组成，分别为：第一激光测距仪1、第二激光测距仪2、第三激光测距仪3、反射面4(可以是一个特制反射体的一个面，该面正对三个激光测距仪)。其中第一平台A、第二平台B为测量对象。
其中，第一激光测距仪1、第二激光测距仪2、第三激光测距仪3位于第一平台A上，等间距放置，第三激光测距仪3位于第一激光测距仪1、第二激光测距仪2之间；反射面4位于第二平台B上。
在使用时，需要确保第一激光测距仪1、第二激光测距仪2、第三激光测距仪3的测量射线处于同一平面内，此平面即为第一平台A与第二平台B需要测量相对位姿的平面。
第一平台A与第二平台B为大小相同的矩形，二者的相对距离不超过第一激光测距仪1、第二激光测距仪2、第三激光测距仪3所处位置的量程；反射面4的颜色为白色，且具有一横截面为直角三角形的凹槽。
在第一平台A与第二平台B需要测量相对位姿时，如图1所示。第一激光测距仪1、第二激光测距仪2、第三激光测距仪3同时工作，确保第一激光测距仪1与第二激光测距仪2分别照射在反射面4的凹槽的两侧，第三激光测距仪3照射在凹槽内部(斜面)。
测量时，首先，根据第一激光测距仪1与第二激光测距仪2的测量数据比例得到第二平台B相对于第一平台A的旋转角ω。计算公式如下：
其中，a为相邻两激光测距仪的间距。
其次，再根据第三激光测距仪3的测量数据大小与旋转角ω的相对关系得出,第二平台B相对于第一平台A的纵向与横向上的相对位置关系x与y。
如图1所示，凹槽的直角三角形截面的斜边的中点5相对于第一平台A的横向偏移距离x由如下公式得出：
其中：
如图2所示，α为凹槽的直角三角形截面的斜边与长直角边的夹角，且该长直角边平行于第二平台B的长度方向，L0为凹槽的直角三角形截面的斜边长度，在制作反射面4的尺寸时可以确定，为已知量，因此：
其中，L4为凹槽的直角三角形截面的短直角边，即平行于第二平台B宽度方向的直角边的长度(即作为三角形凹槽的深度)，而凹槽的直角三角形截面的斜边的中点5相对于第一平台A的纵向偏移距离y，由如下公式得出：
y＝x tan(α+ω)
按照旋转角ω、横向距离、纵向距离的顺序依次调整第二平台B的位置与姿态，能够实现在非接触的情况下第一平台A与第二平台B相对位姿的固定不变。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种平面内双平台相对位姿测量系统，其特征在于，包括：第一激光测距仪(1)、第二激光测距仪(2)、第三激光测距仪(3)和反射面(4)，测量对象为第一平台(A)和第二平台(B)；
其中，第一激光测距仪(1)、第二激光测距仪(2)、第三激光测距仪(3)位于第一平台(A)上，等间距放置，第三激光测距仪(3)位于第一激光测距仪(1)、第二激光测距仪(2)之间；反射面(4)位于第二平台(B)上；
测量时，第一激光测距仪(1)、第二激光测距仪(2)、第三激光测距仪(3)三者同时工作，且第一激光测距仪(1)、第二激光测距仪(2)、第三激光测距仪(3)的测量射线处于同一平面内，此平面即为第一平台(A)与第二平台(B)需要测量相对位姿的平面；
所述反射面(4)的颜色为白色，且具有一横截面为直角三角形的凹槽，测量时，第一激光测距仪(1)与第二激光测距仪(2)分别照射在反射面(4)的凹槽的两侧，第三激光测距仪(3)照射在凹槽内部。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一平台(A)为长方体。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第二平台(B)为长方体。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一平台(A)与第二平台(B)为尺寸相同的长方体。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第三激光测距仪(3)照射在凹槽的斜面。
6.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一平台(A)与第二平台(B)二者的相对距离不超过第一激光测距仪(1)、第二激光测距仪(2)、第三激光测距仪(3)所处位置的量程。
7.一种利用权利要求1至6中任一项所述的系统实现的平面内双平台相对位姿测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
测量时，首先，根据第一激光测距仪(1)与第二激光测距仪(2)的测量数据比例得到第二平台(B)相对于第一平台(A)的旋转角ω，计算公式如下：
其中，a为相邻两激光测距仪的间距；
其次，再根据第三激光测距仪(3)的测量数据大小与旋转角ω的相对关系得出,第二平台(B)相对于第一平台(A)的纵向与横向上的相对位置关系x与y。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二平台(B)相对于第一平台(A)的纵向与横向上的相对位置关系x与y具体为：
凹槽的直角三角形截面的斜边的中点(5)相对于第一平台(A)的横向偏移距离x由如下公式得出：
其中：
其中，α为凹槽的直角三角形截面的斜边与长直角边的夹角，且该长直角边平行于第二平台(B)的长度方向，L0为凹槽的直角三角形截面的斜边长度，在制作反射面(4)的尺寸时可以确定，为已知量，因此：
其中，L4为凹槽的直角三角形截面的短直角边，即平行于第二平台(B)宽度方向的直角边的长度，而凹槽的直角三角形截面的斜边的中点(5)相对于第一平台(A)的纵向偏移距离y，由如下公式得出：
y＝x tan(α+ω)。
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