CN110070950B - 兼容多角度注入束靶耦合瞄准定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼容多角度注入束靶耦合瞄准定位方法，包括：用主动靶作为中介传递目的弹着点和光斑位置信息；打靶前测量出实验靶的三维空间信息；将靶准直器定位于真空靶室中心后，利用靶准直器的视觉测量功能引导定位主动靶，使其中心与处于打靶位置时的实验靶的各个靶孔中心位置重合，并适当选取主动靶面朝向；再利用主动靶自身的成像功能，依次接收和引导各打靶瞄准光束，使其光斑与主动靶中心位置重合；从真空靶室中撤出主动靶，再利用靶准直器的视觉测量功能将实验靶定位至目标位置，完成束靶耦合步骤；最后撤出靶准直器，正式激光打靶。本发明通过事先精密测量，在线匹配复位的手段，换取了对实验靶精密机械加工和精密光学加工的需求。

Description

兼容多角度注入束靶耦合瞄准定位方法

技术领域

本发明属于激光装置激光瞄靶领域，具体涉及可工作于真空靶室中的兼容多角度注入束靶耦合瞄准定位方法。

背景技术

目前，在高能脉冲激光装置激光打靶前，必须先将激光的焦点精确引导到实验靶预先设定的弹着点位置，然后再发射激光，典型焦距达到若干米，典型束靶耦合精度要求为数十微米。国内2010.02.17公开过一项发明，名称为：束靶耦合传感器，公开号为：CN100590381C，涉及光电传感器领域。2012年还有另一项发明提出申请，名称为：一种多端注入束靶耦合瞄准定位方法，公开号为：CN107424653A。该发明涉及一种用于激光核聚变靶室内的六孔注入靶束靶耦合技术。前一项发明，束靶耦合传感器可以对处于该装置上下共轭平面位置上的两端注入靶孔(平面和柱腔靶)在成像CCD视场范围内实现很好的激光束靶耦合功能。但是无法对处于共轭平面以外位置上的靶孔进行束靶耦合，靶型的设计受到了很大限制。后一项发明申请，可以通过靶上加工辅助刻线的方式，利用前述发明中的束靶耦合传感器对垂直于传感器共轭平面上的靶孔进行激光束束靶耦合，但是对靶的加工精度提出了更高要求，并且对于入射角度与束靶耦合传感器反射镜平面夹角较小的打靶瞄准光束无法实现共轭耦合成像。并且，上述两项发明中的束靶耦合传感器尺寸构型是与打靶瞄准光束空间排布和数量正相关的。由于种种关键器件和加工、材料的限制，束靶耦合传感器的尺寸不可能随意增加，这就使上述两项发明专利中的装置的应用范围受到限制。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了克服现有束靶耦合瞄准定位方法无法兼容三维空间多角度入射光束精确瞄准打靶的新靶型的发展需求，本发明提供一种新型的放置在真空靶室中的激光瞄准定位方法，用主动靶作为中介传递目的弹着点和光斑位置信息，具体包括以下步骤：

步骤一、在打靶开始以前测量实验靶的三维空间信息，选取测得特征点；

步骤二、对靶准直器进行定位，通过靶准直器运输机构将靶准直器伸出保护仓到达真空靶室的中心靶点位置，通过实时监测靶准直器上的一对十字叉丝反射镜以精密定位靶准直器的位置和姿态，并利用六自由度机器人Ⅱ对靶准直器位姿做精密调整；

步骤三、对主动靶进行定位，通过主动靶运输机构将主动靶送至真空靶室中心附近，依次从各靶孔目的位置开始，通过系统自动选择某个合适的工作姿态，控制系统将自动解算出主动靶的目的位置信息，以及各个定位线或基准线在靶准直器的相机组中的成像位置信息，以解算出的位置信息为目标，通过六自由度机器人Ⅰ精密调整主动靶的位置和工作朝向，使主动靶中心与目的位置重合；

步骤四、利用主动靶引导打靶瞄准光束位置，打开打靶瞄准光束，使其投射到主动靶靶面上，利用主动靶的成像功能读出打靶瞄准光斑位置和主动靶中心对应像素之间的偏差，并据此反馈给光束瞄准调整机构，引导光斑中心调整至主动靶中心像素；

步骤五、选择下一靶孔，利用两维正交转台改变主动靶朝向，再通过步骤三的动作调整主动靶中心位置，通过步骤四动作引导相关打靶瞄准光束，依次引导完所有靶孔的所有打靶瞄准光束；

步骤六、对实验靶进行定位，撤出主动靶，将实验靶利用机械臂送至真空靶室中心，利用靶准直器的视觉测量功能选取实验靶上多个特征点，与步骤一中测量的实验靶特征点进行点云匹配，对实验靶进行三维空间六个自由度的定位；

步骤七、利用靶准直器将实验靶定位至目标位置后，撤出靶准直器，正式进行打靶操作。

优选的是，其中，所述实验靶具有靶孔，且实验靶安装于六自由度机器人Ⅲ上。

优选的是，其中，所述主动靶为一光电耦合元件CCD，其芯片表面没有一般CCD常见的保护玻璃。

优选的是，其中，在主动靶的成像面利用激光加工手段加工出一对基准线；同时，主动靶四周边框又加工有四组十字定位线。

优选的是，其中，所述主动靶安装于一组运动机构上，所述运动机构的结构包括：

主动靶长机械臂，用于将主动靶送至真空靶室中心附近；

可自由转动的水平转台和垂直转台，其中，主动靶安装于水平转台上，水平转台和垂直转台通过可自由转动的转轴连接，水平转台和垂直转台的转轴相互正交垂直，通过两个转台的配合运动可以使主动靶的朝向任意调整；

六自由度机器人Ⅰ，其安装于垂直转台上。

优选的是，其中，所述靶准直器为一组经过标定的多视角相机集成机构，包括竖直方向上相对的两个相机和在水平方向垂直的两个相机，各相机的镜头都朝向靶准直器中心区域，各相机均安装有沿光轴方向的精密位移平台以辅助对焦。

优选的是，其中，所述靶准直器的每个相机安装于靶准直器长机械臂和六自由度机器人Ⅱ的运动机构上。

优选的是，其中，所述靶准直器安装有一对面法线垂直相交的十字叉丝反射镜。

本发明至少包括以下有益效果：本发明的激光瞄准定位方法有效的实现了三维空间多位置及多角度精确瞄准打靶的发展需求，相对于目前通用的其他束靶耦合瞄准方式，该发明通过事先精密测量，在线匹配复位的手段，换取了对实验靶精密机械加工和精密光学加工的需求。在当前技术状态下，精密测量的难度远低于精密机械加工和精密光学加工的难度，因此本发明具有很强的现实意义。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明的一种实验靶的示意图；

图2为本发明的主动靶原理示意图；

图3为本发明的主动靶以及其支撑调整部件原理示意图；

图4为本发明的一种靶准直器对主动靶进行视觉监测定位的原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

一种兼容多角度注入束靶耦合瞄准定位方法，其特点包括以下内容：先通过三维测量手段精密测量实验靶的三维几何参数；接着将靶准直器送入真空靶室中心附近，通过外部检测手段将靶准直器精确定位于真空靶室中心；接着由支撑调整架将主动靶送入真空靶室中心位置，在靶准直器的监测下，利用离线测量的实验靶三维尺寸参数，将主动靶的靶面中心依次定位于打靶姿态时实验靶各个靶孔的目标位置上，然后将拟注入该孔的打靶瞄准光投射于主动靶面中心附近，利用主动靶的成像功能引导各打靶瞄准光束调整至靶面中心即打靶位置；当一个靶孔的所有打靶瞄准光束均被引导定位后，再将主动靶定位于下一个靶孔处，这样依次引导全部靶孔的打靶瞄准光束完成束靶耦合；然后将主动靶退出真空靶室中心，由实验靶支撑调整架将实验靶送入真空靶室中心位置，在靶准直器的监测下，将实验靶定位于目标的打靶姿态；最后将靶准直器退出真空靶室，即可以开始激光打靶；具体包括以下步骤：

步骤一、在打靶开始以前测量实验靶的三维空间信息，选取测得特征点；

步骤二、对靶准直器进行定位，通过运输机构将靶准直器伸出保护仓到达真空靶室的中心靶点位置，通过实时监测靶准直器上的一对十字叉丝反射镜以精密定位靶准直器的位置和姿态，并利用六自由度机器人Ⅱ对靶准直器位姿做精密调整；

步骤三、对主动靶进行定位，通过运输机构将主动靶送至真空靶室中心附近，依次从各靶孔目的位置开始，通过系统自动选择某个合适的工作姿态，控制系统将自动解算出主动靶的目的位置信息，以及各个定位线或基准线在靶准直器的相机组中的成像位置信息，以解算出的位置信息为目标，通过六自由度机器人Ⅰ精密调整主动靶的位置和工作朝向，使主动靶中心与目的位置重合；

步骤四、利用主动靶引导打靶瞄准光束位置，打开打靶瞄准光束，使其投射到主动靶靶面上，利用主动靶的成像功能读出打靶瞄准光斑位置和主动靶中心对应像素之间的偏差，并据此反馈给光束瞄准调整机构，引导光斑中心调整至中心像素；

步骤五、选择下一靶孔，利用两维正交转台改变主动靶朝向，再通过步骤三的动作调整主动靶中心位置，通过步骤四动作引导相关打靶瞄准光束，依次引导完所有靶孔的所有打靶瞄准光束；

步骤六、对实验靶进行定位，撤出主动靶，将实验靶利用机械臂送至真空靶室中心，利用靶准直器的视觉测量功能选取实验靶上多个特征点，与步骤一中测量的实验靶特征点进行点云匹配，对实验靶进行三维空间六个自由度的定位；

步骤七、利用靶准直器将实验靶定位至目标位置后，撤出靶准直器，正式进行打靶操作。

在另一种实例中，所述实验靶具有靶孔1，且安装于六自由度机器人Ⅲ上。

如图1所示，在另一种实例中，所述主动靶14为一光电耦合元件CCD，其芯片表面没有一般CCD常见的保护玻璃，以消除打靶瞄准光束斜入射时玻璃层折射带来的成像位置误差。

如图2所示，在另一种实例中，所述主动靶14具有成像功能，在主动靶的成像面利用激光加工手段加工出一对基准线2，被加工区域上的像元受到加工影响，但附近的像元不受影响；同时，被加工的区域外观也发生一定改变，该对基准线既可以通过视觉测量手段直接观测到，也能够在主动靶的成像信息中得到反应，从而可以得到该对基准线中心的真实坐标系位置和在图像坐标系中的像元之间的严格匹配关系；

主动靶四周边框又加工有四组定位线，分别是上端定位线3,右端定位线4，下端定位线5和左端定位线6，各定位线和主动靶中心(基准线中心)的空间相对关系经过外部手段精密测量已知，通过若干组定位线平动和转动的位置信息即可解算出主动靶中心的位置信息，反之已知主动靶中心的位置信息和靶面朝向，也可以推算出各定位线的位置信息。

如图3所示，在另一种实例中，所述主动靶安装于一组运动机构上，所述运动机构的结构包括：

主动靶长机械臂，用于将主动靶14送至真空靶室中心附近；

可自由转动的水平转台7和垂直转台8，其中，主动靶14安装于水平转台上，水平转台7和垂直转台8通过可自由转动的转轴15连接，水平转台7和垂直转台8的转轴相互正交垂直，通过两个转台的配合运动可以使主动靶的朝向任意调整；

六自由度机器人Ⅰ，其安装于垂直转台8上。

在上述技术方案中，水平转台7上正对主动靶下边框中心的位置开有一孔，便于靶准直器从下方观测下边框定位线以定位。理论上，通过两个转台联合运动，主动靶的靶面法线方向可以指向三维空间任意方向，配合六自由度机器人Ⅰ运动还可以实现在一定平动范围和一定角度范围内的微调。但实际上，主动靶只需要在六种工作姿态(朝向)中切换既可接收全部空间角范围内的入射光。值得强调的是，在实际运行中主动靶定位依靠的是靶准直器的视觉测量功能闭环反馈调整，而不依赖于运动机构自身的闭环反馈精度。对于全空间角绝大部分范围的打靶瞄准光束的入射角度，主动靶可以切换于六种工作姿态之间应对空间多角度入射的打靶瞄准光束，且通过读取主动靶成像信息，可以直接读取打靶瞄准光束光斑与主动靶中心对应像素之间的偏差，并作为调整打靶瞄准光束的依据，直至打靶瞄准光束调整到位，包括打靶瞄准光束的聚焦和平移。

如图4所示，在另一种实例中，所述靶准直器为一组经过标定的多视角相机集成机构以及相机对焦所必要的运动机构组成，相机组的光轴以及其中在上下方向(Z方向)的两个面向相对的相机，即上路相机9和下路相机10，在水平方面的两维方向即X方向和Y方向各有一个相机：中路相机11和侧路相机12，各相机均安装在精密线位移台上，且相机可以在光轴方向上精密移动，以实现相机对焦功能。无论主动靶处于六种工作姿态(朝向)中的哪一种，靶准直器都可以至少观测到三组定位线(包括基准线)。每一组定位线(基准线)至少能够确定两维平动自由度和一维旋转自由度，因此可以唯一地确定主动靶中心的位置。具体来说，当主动靶面垂直于水平面时，上路相机9和下路相机10分别可以观测到定位线3和定位线5；中路相机11和侧路相机12其中之一至少可以观测到定位线4或定位线6其中的一个；由于上述原因，对三组定位线的观测可以唯一地确定主动靶中心的位置。当主动靶面平行于水平面时，上路相机9和下路相机10其中之一可以观测到基准线2；侧路相机12可以观测到定位线3，中路相机11可以观测到定位线4或6其中之一。由于上述原因，对三组定位标志线的观测可以唯一地确定主动靶中心的位置。

在另一种实例中，所述靶准直器安装有一对面法线垂直相交的十字叉丝反射镜，过外部监测手段确定两个十字叉丝反射镜的平动和俯仰摇摆角至标定姿态，即可唯一确定地解算姿态并定位靶准直器于真空靶室中心。

靶准直器有两个作用，一是视觉测量定位主动靶；二是视觉测量定位实验靶。将实验靶送至真空靶室中心后，利用靶准直器的视觉测量功能选取实验靶上多个特征点，与事前通过其他手段测量的实验靶特征点进行点云匹配，对实验靶进行三维空间六个自由度的定位。

靶准直器的支撑调整部件为六自由度机器人Ⅱ、实验靶的支撑调整部件为六自由度机器人Ⅲ，主动靶的支撑调整部件为六自由度机器人Ⅰ以及在其前端加装的两维正交旋转平台，这样的设置可以满足对多角度入射光束的束靶耦合引导要求。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种兼容多角度注入束靶耦合瞄准定位方法，其特征在于，利用主动靶作为中介传递目的弹着点位置和光斑位置信息，包括以下步骤：

步骤一、在打靶开始以前测量实验靶的三维空间信息，选取测得特征点；在主动靶的成像面利用激光加工手段加工出一对基准线；主动靶四周边框又加工有四组十字定位线；

步骤二、对靶准直器进行定位，通过靶准直器运输机构将靶准直器伸出保护仓到达真空靶室的中心靶点位置，通过实时监测靶准直器上的一对十字叉丝反射镜以精密定位靶准直器的位置和姿态，并利用六自由度机器人Ⅱ对靶准直器位姿做精密调整；

步骤三、对主动靶进行定位，通过主动靶运输机构将主动靶送至真空靶室中心附近，依次从各靶孔目的位置开始，通过系统自动选择某个合适的工作姿态，控制系统将自动解算出主动靶的目的位置信息，以及各个定位线或基准线在靶准直器的相机组中的成像位置信息，以解算出的位置信息为目标，通过六自由度机器人Ⅰ精密调整主动靶的位置和工作朝向，使主动靶中心与目的位置重合；

步骤四、利用主动靶引导打靶瞄准光束位置，打开打靶瞄准光束，使其投射到主动靶靶面上，利用主动靶的成像功能读出打靶瞄准光斑位置和主动靶中心对应像素之间的偏差，并据此反馈给光束瞄准调整机构，引导光斑中心调整至主动靶中心像素；

步骤五、选择下一靶孔，利用两维正交转台改变主动靶朝向，再通过步骤三的动作调整主动靶中心位置，通过步骤四动作引导相关打靶瞄准光束，依次引导完所有靶孔的所有打靶瞄准光束；

步骤六、对实验靶进行定位，撤出主动靶，将实验靶利用机械臂送至真空靶室中心，利用靶准直器的视觉测量功能选取实验靶上多个特征点，与步骤一中测量的实验靶特征点进行点云匹配，对实验靶进行三维空间六个自由度的定位；

步骤七、利用靶准直器将实验靶定位至目标位置后，撤出靶准直器，正式进行打靶操作。

2.如权利要求1所述的兼容多角度注入束靶耦合瞄准定位方法，其特征在于，所述实验靶具有靶孔，且实验靶安装于六自由度机器人Ⅲ上。

3.如权利要求1所述的兼容多角度注入束靶耦合瞄准定位方法，其特征在于，所述主动靶为一光电耦合元件CCD，其芯片表面没有一般CCD常见的保护玻璃。

4.如权利要求1所述的一种兼容多角度注入束靶耦合瞄准定位方法，其特征在于，所述主动靶安装于一组运动机构上，所述运动机构的结构包括：

主动靶长机械臂，用于将主动靶送至真空靶室中心附近；

可自由转动的水平转台和垂直转台，其中，主动靶安装于水平转台上，水平转台和垂直转台通过可自由转动的转轴连接，水平转台和垂直转台的转轴相互正交垂直，通过两个转台的配合运动可以使主动靶的朝向任意调整；

六自由度机器人Ⅰ，其安装于垂直转台上。

5.如权利要求1所述的兼容多角度注入束靶耦合瞄准定位方法，其特征在于，所述靶准直器为一组经过标定的多视角相机集成机构，包括竖直方向上相对的两个相机和在水平方向垂直的两个相机，各相机的镜头都朝向靶准直器中心区域，各相机均安装有沿光轴方向的精密位移平台以辅助对焦。

6.如权利要求1所述的一种兼容多角度注入束靶耦合瞄准定位方法，其特征在于，所述靶准直器的每个相机安装于靶准直器长机械臂和六自由度机器人Ⅱ的运动机构上。

7.如权利要求1所述的兼容多角度注入束靶耦合瞄准定位方法，其特征在于，所述靶准直器安装有一对面法线垂直相交的十字叉丝反射镜。

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