CN111220094B - 一种基于光电自准直仪的三维姿态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光电自准直仪的三维姿态测量方法，采用反射面组合体代替平面反射镜，通过对反射面组合体中平面反射面和直角反射面的反射光的处理和分析，计算待测量目标的俯仰角、方位角及滚转角，实现了待测量目标三维姿态的测量。

Description

一种基于光电自准直仪的三维姿态测量方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种基于光电自准直仪的三维姿态测量方法。

背景技术

光电自准直仪是一种利用光的自准直原理测量小角度的仪器。现有技术中，使用光电自准直仪对待测量目标进行测量时，通常是采用将平面反射镜安装于待测量目标的表面，通过光源发出的光经十字分划板后变成相互垂直的十字光斑，经分光镜、物镜后变成平行光，平行光经平面反射镜反射后经物镜返回自准直仪，经透镜聚焦后又变成十字光斑，透过分光镜到达光电传感器。当平面反射镜倾斜角度α时，根据光的反射定律，反射光将与入射光成2α角返回，经透镜聚焦后又变成十字光斑，到达光电传感器，在光电传感器上产生一个位移，自准直仪的光源和光电传感器都是位于物镜的焦平面上，据此可以得到位移ΔS与平面发射镜的倾斜角度α的关系：ΔS＝f×tan2α，根据这个关系就可计算出平面反射镜的倾斜角度，即包括俯仰角、方位角的二维姿态。

但是，由于平面反射镜绕测量光束转动不会引起发射光束的倾斜，因此，无法测量待测量目标的滚转角，也就无法测量待测量目标的三维姿态。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于光电自准直仪的三维姿态测量方法，能够测量出待测量目标的俯仰角、方位角及滚转角，实现了待测量目标三维姿态的测量。

本发明提供过的一种基于光电自准直仪的三维姿态测量方法，包括以下步骤：

步骤1、将待测量目标与反射面组合体固定；所述反射面组合体包括平面反射面(1)和直角反射面(2)；

步骤2、光电自准直仪所发出的光，一部分经所述平面反射面(1)的反射形成一条光束返回光电自准直仪，另一部分经所述平面反射面(1)透射后照射到直角反射面(2)，再经直角反射面(2)的反射形成一条光束返回光电自准直仪，两束光束经光电自准直仪处理后形成混叠光束；

步骤3、从所述混叠光束中区分出平面反射面反射光和直角反射面反射光；

步骤4、通过对所述平面反射面反射光得到待测量目标的方位角和俯仰角；通过对所述直角反射面反射光形成的十字光斑中的任一条线性光斑计算斜率，由此得到待测量目标的滚转角。

进一步地，所述步骤3中所述混叠光束中区分过程为：根据所述平面反射面反射光和直角反射面反射光的光强进行区分，光强较大的为平面反射面反射光，光强较小的为直角反射面反射光。

进一步地，所述平面反射面的反射率和透射率均为50％。

进一步地，所述步骤3中所述混叠光束中区分过程为：将所述平面反射面和直角反射面分别镀有针对不同反射波长的增反膜，通过设置不同透射波长的滤光片区分所述平面反射面反射光和直角反射面反射光。

有益效果：

本发明采用反射面组合体代替平面反射镜，通过对反射面组合体中平面反射面和直角反射面的反射光的处理和分析，计算待测量目标的俯仰角、方位角及滚转角，实现待测量目标三维姿态的测量。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于光电自准直仪的三维姿态测量方法采用的反射面组合体示意图。

其中，1-平面反射面，2-直角反射面，3-外壳。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于光电自准直仪的三维姿态测量方法，其核心思想是：采用反射面组合体代替平面反射镜，采用识别方法区分出平面反射面反射光和直角反射面反射光，通过分析平面反射面反射光计算待测量目标的俯仰角、方位角，通过分析直角反射面反射光计算待测量目标的滚转角，从而实现待测量目标三维姿态的测量。

具体来说，光电自准直仪光束经平面反射面和直角反射面两个反射面返回，其中，可以通过平面反射面的反射光计算待处理目标的俯仰角和方位角，计算方法与现有技术相同；同时，根据光学原理可以证明，测量目标的滚转角为θ时，直角反射面反射的光束经透镜聚焦后形成的十字光斑旋转2θ，因此，可以采用直角反射面反射的光束测量待测量目标的滚转角。

本发明提供的一种基于光电自准直仪的三维姿态测量方法，将现有技术中的平面反射镜替换为反射面组合体，如图1所示，该反射面组合体包括平面反射面1和直角反射面2，其中，直角反射面2位于平面反射面1之后，以保证光电自准直仪的光线一部分经平面反射面1反射后返回光电自准直仪，另一部分经平面反射面1透射后照射到直角反射面2，再经直角反射面2反射后返回光电自准直仪。图中直角反射面2的直角与平面反射面1的相对位置关系对于反射光线的产生的角度变化是没有影响的，因此，平面反射面1和直角反射面2之间的相对位置关系可以是多样的。此外，为了便于安装到待测目标上，反射面组合体可以具有底板或外壳3。

本发明提供的一种基于光电自准直仪的三维姿态测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1、将待测量目标与反射面组合体固定，例如，反射面组合体的底板或外壳3与待测量目标表面相接触，待测量目标与反射面组合体之间的位置关系可以为多样的，只要他们的相对位置固定即可，通过相对位置的固定可以实现反射面组合体与待测量目标的方位角、俯仰角和滚转角的变化同步。

步骤2、启动光电自准直仪对待处理目标进行测量，测量过程中，光电自准直仪所发出的光，一部分经所述平面反射面1的反射形成一条光束返回光电自准直仪，另一部分经所述平面反射面1透射后照射到直角反射面2，再经直角反射面2的反射形成一条光束返回光电自准直仪，形成的上述两条光束返回光电自准直仪后，经光电自准直仪处理后形成混叠光束。

步骤3、从混叠光束中区分出平面反射面反射光和直角反射面反射光，这里的可以采用以下两种方式进行区分：

(1)平面反射面1设计为反射率和透射率均为50％，则平面反射面1反射回自准直仪的光强为入射光强的50％，剩余的50％经平面反射面1透射后照射到直角反射面2，再经直角反射面2反射后返回自准直仪，光线因两次穿过平面反射面1，光强降低为入射时光强的25％，因此，在光电传感器上能接收到2个光强不同的十字图像，通过计算传感器上各个点的亮度值，即可从强度上区分出平面反射面反射光和直角反射面反射光，光强较大的为平面反射面反射光，光强较小的为直角反射面反射光。

(2)假设光电自准直仪的光源覆盖波长λ1、λ2，可在平面反射面1和直角反射面2分别镀反射波长为λ1、λ2的增反膜，使两个反射面反射回的光在波长上能够区分。通过设置透射波长为λ1、λ2的滤光片，实现对光电自准直仪输出的混叠光束进行区分，这样，经过透射波长为λ1滤光片的光束即为平面反射面反射光，经过透射波长为λ2滤光片的光束即为直角反射面反射光。

步骤4、通过对平面反射面1反射光进行位移计算，得到待测量目标的方位角和俯仰角；通过证明，可以确定待测目标的滚转角为θ时，直角反射面反射光经光电自准直仪的透镜聚焦后形成的十字光斑旋转2θ，因此通过对直角反射面2反射光中任一条线性光斑进行拟合，计算该线性光斑的斜率，将其斜率除以2后即为待测量目标的滚转角。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于光电自准直仪的三维姿态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将待测量目标与反射面组合体固定；所述反射面组合体包括平面反射面(1)和直角反射面(2)；

步骤2、光电自准直仪所发出的光，一部分经所述平面反射面(1)的反射形成一条光束返回光电自准直仪，另一部分经所述平面反射面(1)透射后照射到直角反射面(2)，再经直角反射面(2)的反射形成一条光束返回光电自准直仪，两束光束经光电自准直仪处理后形成混叠光束；

步骤3、从所述混叠光束中区分出平面反射面反射光和直角反射面反射光；

步骤4、通过对所述平面反射面反射光得到待测量目标的方位角和俯仰角；通过对所述直角反射面反射光形成的十字光斑中的任一条线性光斑进行拟合计算斜率，将所述斜率除以2得到待测量目标的滚转角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中所述混叠光束中区分过程为：根据所述平面反射面反射光和直角反射面反射光的光强进行区分，光强较大的为平面反射面反射光，光强较小的为直角反射面反射光。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述平面反射面的反射率和透射率均为50％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中所述混叠光束中区分过程为：将所述平面反射面和直角反射面分别镀有针对不同反射波长的增反膜，通过设置不同透射波长的滤光片区分所述平面反射面反射光和直角反射面反射光。

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