CN109556566A - 一种三基座间相对三维姿态角测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种三基座间相对三维姿态角测量系统及方法。该测量系统包括第一二维自准直仪，将第一二维自准直仪所发出的光束分成第一光束和第二光束的第一折转光管，第二二维自准直仪，用于将第二二维自准直仪发出光束分成第三光束和第四光束的第三折转光管，用于接收第三光束并将第三光束分成第五光束和第六光束的第二折转光管，设置于第一光束的光路和第五光束的光路交叉位置处的第一目标棱镜，设置于第二光束的光路和第六光束的光路交叉位置处的第二目标棱镜，设置于第四光束的光路和第二光束的光路的交叉位置处的第三目标棱镜。该测量系统具有较高精度、且能够灵活布局、适应工程应用。

Description

一种三基座间相对三维姿态角测量系统及方法

技术领域

本发明涉及角度测量的技术领域，具体涉及一种针对三角布局的三基座间相对三维姿态角测量系统及方法。

背景技术

角度作为基本的物理量之一，对其测量方法及测量设备的研究一直受到了广泛的重视。根据应用场合、测量范围、测量精度及自动化程度等的不同要求，人们发展了各种不同的测角方法。角度测量方法具体可以分为机械测量、电子测量、电磁测量及光电测量。其中，光电测量具有非接触、高精度和高灵敏度的特点，并且可以方便的通过图像传感器和数字信号处理器进行实时处理，大大提高了测量设备的自动化程度，尤其是激光的应用给光电测量技术的发展提供了更大的技术发展空间。

角度测量也可分为静态测量和动态测量两种。对物体的小角度偏转进行高精度、连续和自动测量是角度测量的一个重要方面，有很强的应用需求。例如，航天测量船上的测控系统一般包括惯导系统、雷达、经纬仪、微波测控系统等多台套测量设备。由于航天测量船不是一个绝对的刚体，虽然在陆地建造期会对测控系统的测量及基准设备的坐标基准匹配到一定精度，但在海上航行时会因船体变形导致三维变形角(具体包括纵向挠曲、横向挠曲、扭转角)。由于三维变形角的存在，使得测量设备在直接使用事先标定好的坐标基准时会产生测量误差。为了提高测量设备的测量精度必须对上述三维变形角进行实时测量。

目前，自准直法(包括准直法)是应用最为广泛的高精度光电测量方法。自准直法具有系统简单、测量精度高、工程应用方便等优点，但自准直法无法测量扭转角。目前，解决扭转角及三维角度光电测量的方法，主要有激光干涉法、偏振光方法以及基于图像的测量方法等。

当前工程应用中，针对一条直线上的多个基座间相对三维变形角测量代表性的方案是航天测量船上的船体变形测量系统。航天测量船上的船体变形测量系统通过准直方法实现了纵向挠曲和横向挠曲的测量，通过大钢管法实现了扭转角的测量。该方法测量精度高，但系统复杂，占用空间大，不具有一般应用型。

针对现有技术中对三角布局的三基座间相对三维姿态角测量系统复杂、占用空间大而无法实际应用的问题，急需一种具有较高精度、且能够灵活布局、适应工程应用的针对三角布局的三基座间相对三维姿态角测量系统及相应的测量方法。

发明内容

针对现有技术中对三角布局的三基座间相对三维姿态角测量系统复杂、占用空间大而无法实际应用的问题，本发明实施例提供一种针对三角布局的三基座间相对三维姿态角测量系统及相应的测量方法。本发明实施例提供的针对三角布局的三基座间相对三维姿态角测量系统能够同时对三基座间的相对三维姿态角进行测量，较高的测角精度，且能够灵活布局，适应工程应用。

该三基座间相对三维姿态角测量系统的具体方案如下：一种三基座间相对三维姿态角测量系统包括：第一二维自准直仪，用于发射一束自准直的光束；第一折转光管，位于所述第一二维自准直仪的前方，用于将所述第一二维自准直仪所发出的光束分成第一光束和第二光束；第二二维自准直仪，用于发射一束自准直的光束；第二折转光管和第三折转光管，所述第二折转光管和所述第三折转光管平行间隔地位于所述第二二维自准直仪的前方；所述第三折转光管位于所述第二二维自准直仪的前方，用于将所述第二二维自准直仪发出光束分成第三光束和第四光束；所述第二折转光管位于所述第三折转光管的前方，用于接收所述第三光束并将所述第三光束分成第五光束和第六光束；第一目标棱镜，设置于所述第一光束的光路和所述第五光束的光路交叉位置处；第二目标棱镜，设置于所述第二光束的光路和所述第六光束的光路交叉位置处；第三目标棱镜，设置于所述第四光束的光路和所述第二光束的光路交叉位置处。

优选地，所述第一折转光管、第二折转光管和第三折转光管各自包括一个分光镜和反射镜。

优选地，所述第一目标棱镜的位置处为第一基座的位置，所述第二目标棱镜的位置处为第二基座的位置，所述第三目标棱镜的位置处为第三基座的位置，第二二维自准直仪通过所述第一折转光管实现对所述第二基座、第三基座与第一基座的绕y轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角的测量。

优选地，所述第一目标棱镜的位置处为第一基座的位置，所述第二目标棱镜的位置处为第二基座的位置，所述第三目标棱镜的位置处为第三基座的位置，所述第一二维自准直仪通过所述第二折转光管和第三折转光管实现对所述第二基座、第三基座与第一基座的绕x轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角的测量。

优选地，所述第一二维自准直仪的参数与第二二维自准直仪的参数保持一致。

优选地，所述参数包括口径、焦距、视场和波段。

优选地，所述第三目标棱镜包括六个外表面，所述六个外表面的底面、顶面和前面镀全反射膜，左侧面镀增透膜，右侧面镀半反半透膜，后面镀全反射膜。

本发明实施例还提供一种三基座间相对三维姿态角测量方法，包括步骤S1：构建三维姿态角测量坐标系，并按照所述坐标系布局第一基座、第二基座和第三基座的位置，使得第二基座和第三基座的中心连线为所述三维姿态角测量坐标系的x轴正向；步骤S2：在所述三维姿态测量坐标系中，通过标定使得第二二维自准直仪的光轴方向与所述三维姿态角测量坐标系中的x轴方向一致，使得第一二维自准直仪的光轴方向与所述三维姿态角测量坐标系中的y轴方向一致；步骤S3：第二二维自准直仪通过第一折转光管实现对第二基座、第三基座与第一基座的绕y轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角的测量；步骤S4：第一二维自准直仪通过第二折转光管和第三折转光管实现对第二基座、第三基座与第一基座的绕x轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角的测量；步骤S5：对第一二维自准直仪的测量结果与第二二维自准直仪的测量结果进行融合处理，获得三维姿态角的测量数据。

优选地，步骤S5具体包括：将步骤S3中所获得的第二基座、第三基座与第一基座的绕y轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角与步骤S4中所获得的第二基座、第三基座与第一基座的绕x轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角进行均值处理，获得三维姿态角的测量数据。

优选地，采用大面阵CCD分区测量的方法来区分所述第一二维自准直仪或所述第二二维自准直仪同时测量多个目标棱镜的结果。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例所提供的一种三基座间相对三维姿态角测量系统，利用正交布局的第一二维自准直仪和第二二维自准直仪构成三维姿态测量，并且在测量过程中采用大面阵CCD分区测量的方法解决同一个二维自准直仪对多个目标同时测量的问题。本发明实施例所提供的一种三基座间相对三维姿态角测量系统及相应的方法能够同时对三基座间的相对三维姿态角进行测量，较高的测角精度，且能够灵活布局，适应工程应用。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种三基座间相对三维姿态角测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种三基座间相对三维姿态角测量系统的光学原理示意图；

图3为本发明实施例中提供的第三目标棱镜的镀膜表面的示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种三基座间相对三维姿态角测量方法的步骤流程示意图。

附图中的标记说明：

100、测量系统 10、第一基座 20、第二基座

30、第三基座 31、第一目标棱镜 32、第二目标棱镜

33、第三目标棱镜 11、第一二维自准直仪 13、第二二维自准直仪

22、第一折转光管 24、第二折转光管 26、第三折转光管

1、前面 2、底面 3、左侧面

4、顶面 5、右侧面 6、后面

A、反光镜 B、分光镜 b、第一光束

c、第二光束 f、第三光束 e、第四光束

g、第五光束 h、第六光束

a、第一二维自准直仪发出的光束 d、第二二维自准直仪发出的光束

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例会涉及到光路，在本文中，将光束沿光路前进的方向定义为前方，相对所述前方的方向相反为后方。

结合图1和图2所示，在该实施例中,三基座间相对三维姿态角测量系统100包括用于发射一束自准直的光束a的第一二维自准直仪11，位于第一二维自准直仪11的前方且用于将第一二维自准直仪11所发出的光束a分成第一光束b和第二光束c的第一折转光管22，用于发射一束自准直的光束d的第二二维自准直仪13，第二折转光管24和第三折转光管26，第二折转光管24和第三折转光管26平行间隔地位于第二二维自准直仪13的前方；第三折转光管26位于第二二维自准直仪13的前方，用于将第二二维自准直仪13发出光束d分成第三光束f和第四光束e；第二折转光管24位于第三折转光管26的前方，用于接收第三光束f并将第三光束f分成第五光束g和第六光束h；设置于第一光束b的光路和第五光束g的光路交叉位置处的第一目标棱镜31，设置于第二光束c的光路和第六光束h的光路交叉位置处的第二目标棱镜32，设置于第四光束e的光路和第二光束c的光路交叉位置处的第三目标棱镜33。

在该实施例中，第一折转光管22包括一个分光镜B和反射镜A,分光镜B将入射光束分成具有预定夹角的两束光束，反射镜A以预设角度将入射光反射出去。第二折转光管24包括一个分光镜B和反射镜A,分光镜B将入射光束分成具有预定夹角的两束光束，反射镜A以预设角度将入射光反射出去。第三折转光管26包括一个分光镜B和反射镜A,分光镜B将入射光束分成具有预定夹角的两束光束，反射镜A以预设角度将入射光反射出去。优选地，第一折转光管22、第二折转光管24、第三折转光管26可以选择统一标准的折转光管。测量系统100通过采用多个折转光管进行距离的传递，有效地减小了测量系统100所占空间大小。

第一二维自准直仪11的参数与第二二维自准直仪13采用相同配置的二维自准直仪，即两者的参数保持一致。参数具体包括口径、焦距、视场和波段。第一二维自准直仪11的参数与第二二维自准直仪13的配置相同，使得测量系统100的设计复杂度降低。

第一目标棱镜31、第二目标棱镜32和第三目标棱镜33具体可以采用六面体棱镜。在该实施例中，根据测量需求，目标棱镜的表面需要镀反射膜、增透膜和半反半透膜，从而实现准直光的反射和透射。结合图1和图2所示，由于第三目标棱镜33位于光路之中，需要同时实现反射和透射，第三目标棱镜33的六个外表面需要进行镀膜处理。

结合图3所示，第三目标棱镜33包括六个外表面。六个外表面的底面2、顶面4和前面1镀全反射膜，左侧面3镀增透膜，右侧面5镀半反半透膜，后面6镀全反射膜。

在该实施例中，第一目标棱镜31的位置处为第一基座10的位置，第二目标棱镜32的位置处为第二基座20的位置，第三目标棱镜33的位置处为第三基座30的位置。第二二维自准直仪13通过第一折转光管22实现对第二基座20、第三基座30与第一基座10的绕y轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角的测量，也可称为第一二维自准直仪11的测量结果。第一二维自准直仪11通过第二折转光管24和第三折转光管26实现对第二基座20、第三基座30与第一基座10的绕x轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角的测量，也可称为第二二维自准直仪13的测量结果。将第一二维自准直仪11的测量结果与第二二维自准直仪13的测量结果进行融合处理，获得第二基座20、第三基座30相对于第一基座10的三维姿态角变化。在该实施例中，融合处理算法可以采用均值处理算法。

在该实施例中，测量系统100的基本测量原理是自准直测量。本三基座间相对三维姿态角测量系统100利用正交布局的第一二维自准直仪11和第二二维自准直仪13构成三维姿态测量系统，并且在测量过程中采用大面阵CCD分区测量的方法解决同一个二维自准直仪对多个目标同时测量的问题。本发明实施例所提供的一种三基座间相对三维姿态角测量系统及相应的方法能够同时对三基座间的相对三维姿态角进行测量，较高的测角精度，且能够灵活布局，适应工程应用。

如图4所示，本发明实施例中提供的一种三基座间相对三维姿态角测量方法的步骤流程示意图。在该实施例中，一种三基座间相对三维姿态角测量方法包括五大步骤，每个步骤中具体的内容如下所示。

步骤S1：构建三维姿态角测量坐标系，并按照所述坐标系布局第一基座、第二基座和第三基座的位置，使得第二基座和第三基座的中心连线为所述三维姿态角测量坐标系的x轴正向。在该实施例中，所构建三维姿态角测量坐标系的为右手坐标系。

步骤S2：在所述三维姿态测量坐标系中，通过标定使得第二二维自准直仪的光轴方向与所述三维姿态角测量坐标系中的x轴方向一致，使得第一二维自准直仪的光轴方向与所述三维姿态角测量坐标系中的y轴方向一致。在该实施例中，二维自准直仪的自准直与水平面平行。

步骤S3：第二二维自准直仪通过第一折转光管实现对第二基座、第三基座与第一基座的绕y轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角的测量。具体的实现过程为：第二二维自准直通过第一折转光管及第三目标棱镜的特殊镀膜处理，从而同时实现对第一基座、第二基座、第三基座姿态角的第一目标棱镜、第二目标棱镜、第三目标棱镜进行自准直测量。在该过程中，采用大面阵CCD分区测量的方法来区分所述第一二维自准直仪或所述第二二维自准直仪同时测量多个目标棱镜的结果。由于二维自准直仪需要在同一视场中获取三个光斑的角度信息，如果三个光斑在图像传感器成像存在混叠关系，则不能计算出正确角度。因此，需要将第二目标棱镜和第三目标棱镜在安装时，根据姿态角测量范围需求，在方位上人为偏移到单个姿态角变化测量范围之外，以确保光斑图像不存在叠加关系。

步骤S4：第一二维自准直仪通过第二折转光管和第三折转光管实现对第二基座、第三基座与第一基座的绕x轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角的测量。具体的实现过程和步骤S3的类似，此处不再赘述。

步骤S5：对第一二维自准直仪的测量结果与第二二维自准直仪的测量结果进行融合处理，获得三维姿态角的测量数据。具体的实现过程为：将步骤S3中所获得的第二基座、第三基座与第一基座的绕y轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角与步骤S4中所获得的第二基座、第三基座与第一基座的绕x轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角进行均值处理，获得三维姿态角的测量数据。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种三基座间相对三维姿态角测量系统，其特征在于，所述系统包括：

第一二维自准直仪，用于发射一束自准直的光束；

第一折转光管，位于所述第一二维自准直仪的前方，用于将所述第一二维自准直仪所发出的光束分成第一光束和第二光束；

第二二维自准直仪，用于发射一束自准直的光束；

第二折转光管和第三折转光管，所述第二折转光管和所述第三折转光管平行间隔地位于所述第二二维自准直仪的前方；

所述第三折转光管位于所述第二二维自准直仪的前方，用于将所述第二二维自准直仪发出光束分成第三光束和第四光束；

所述第二折转光管位于所述第三折转光管的前方，用于接收所述第三光束并将所述第三光束分成第五光束和第六光束；

第一目标棱镜，设置于所述第一光束的光路和所述第五光束的光路交叉位置处；

第二目标棱镜，设置于所述第二光束的光路和所述第六光束的光路交叉位置处；

第三目标棱镜，设置于所述第四光束的光路和所述第二光束的光路交叉位置处。

2.根据权利要求1所述的一种三基座间相对三维姿态角测量系统，其特征在于，所述第一折转光管、第二折转光管和第三折转光管各自包括一个分光镜和反射镜。

3.根据权利要求1所述的一种三基座间相对三维姿态角测量系统，其特征在于，所述第一目标棱镜的位置处为第一基座的位置，所述第二目标棱镜的位置处为第二基座的位置，所述第三目标棱镜的位置处为第三基座的位置，第二二维自准直仪通过所述第一折转光管实现对所述第二基座、第三基座与第一基座的绕y轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角的测量。

4.根据权利要求1所述的一种三基座间相对三维姿态角测量系统，其特征在于，所述第一目标棱镜的位置处为第一基座的位置，所述第二目标棱镜的位置处为第二基座的位置，所述第三目标棱镜的位置处为第三基座的位置，所述第一二维自准直仪通过所述第二折转光管和第三折转光管实现对所述第二基座、第三基座与第一基座的绕x轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角的测量。

5.根据权利要求1所述的一种三基座间相对三维姿态角测量系统，其特征在于，所述第一二维自准直仪的参数与第二二维自准直仪的参数保持一致。

6.根据权利要求5所述的一种三基座间相对三维姿态角测量系统，其特征在于，所述参数包括口径、焦距、视场和波段。

7.根据权利要求1所述的一种三基座间相对三维姿态角测量系统，其特征在于，所述第三目标棱镜包括六个外表面，所述六个外表面的底面、顶面和前面镀全反射膜，左侧面镀增透膜，右侧面镀半反半透膜，后面镀全反射膜。

8.一种三基座间相对三维姿态角测量方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1：构建三维姿态角测量坐标系，并按照所述坐标系布局第一基座、第二基座和第三基座的位置，使得第二基座和第三基座的中心连线为所述三维姿态角测量坐标系的x轴正向；

步骤S2：在所述三维姿态测量坐标系中，通过标定使得第二二维自准直仪的光轴方向与所述三维姿态角测量坐标系中的x轴方向一致，使得第一二维自准直仪的光轴方向与所述三维姿态角测量坐标系中的y轴方向一致；

步骤S3：第二二维自准直仪通过第一折转光管实现对第二基座、第三基座与第一基座的绕y轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角的测量；

步骤S4：第一二维自准直仪通过第二折转光管和第三折转光管实现对第二基座、第三基座与第一基座的绕x轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角的测量；

步骤S5：对第一二维自准直仪的测量结果与第二二维自准直仪的测量结果进行融合处理，获得三维姿态角的测量数据。

9.根据权利要求8所述的一种三基座间相对三维姿态角测量方法，其特征在于，步骤S5具体包括：将步骤S3中所获得的第二基座、第三基座与第一基座的绕y轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角与步骤S4中所获得的第二基座、第三基座与第一基座的绕x轴和z轴两个方向上的相对二维姿态角进行均值处理，获得三维姿态角的测量数据。

10.根据权利要求8所述的一种三基座间相对三维姿态角测量方法，其特征在于，采用大面阵CCD分区测量的方法来区分所述第一二维自准直仪或所述第二二维自准直仪同时测量多个目标棱镜的结果。