CN111811496B - 一种斜交非接触式三维线速度及双轴动态角度测量系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜交非接触式三维线速度及双轴动态角度测量系统、方法。装置包括三滑块水平位移台、三组垂直位移台和三台激光测振仪，每一组垂直位移台上均安装有一台激光测振仪，通过两组三维线速度测量单元可实现物体的双轴动态角度测量。调节两组激光测振仪分别聚焦于待测双轴惯性测量组合的两个不同位置，待测双轴惯性测量组合存在三正交运动，形成对应的运动坐标，可解算出物体在运动坐标系中的三维速度信息，通过所选待测点的不同位置可分别解算出对应的旋转角速度信息，进而积分得到角度信息。本发明可用于惯性导航器件性能标定、转位机构标定等场合，在航空航天、导航定位等领域有着较为广阔的应用前景。

Description

一种斜交非接触式三维线速度及双轴动态角度测量系统、 方法

技术领域

本发明涉及光学传感与测量领域，具体涉及一种斜交非接触式三维线速度及双轴动态角度测量系统、方法。

技术背景

双轴惯性测量组合凭借着低成本、体积小等优点，在光电稳定系统、飞行棋控制系统、智能驾驶等领域深受欢迎。而在惯性测量组合研制过程中，往往需要使用线振动台、角振动台等测试设备对惯性仪表的动态角度误差进行标校，而传统方法不能分离仪表误差与测试设备误差，因此无法准确评估动态角度误差，进而影响导航性能。因此迫切需要一种可以实现对双轴惯性测量组合进行三轴位移量及双轴动态角度量标校的系统及方法。

根据应用场合限制，只有非接触式测量法可以满足非接触、无损、无干扰的测试需求。目前常用的非接触式测量方法是通过高速摄像机或图像传感器进行动态角度测量，通过获得的图像进行立体匹配，对每一帧图像中被测物体的特征点进行识别和匹配从而重构出被测物体的动态三维模型。这种方法的缺点是需要对被测物体进行特征点标记，同时由于要对每一帧图像进行处理，受限于图像传感器的响应时间、数据传输速率和图像识别算法，无法实现高速的动态角度测量，且角度测量精度不高。通过光学干涉的测量方法，通过对由于被测物体运动而产生的光程差进行解算，可以实现高精度的角度和位移测量。但其缺点在于，需要在被测物体上安装角锥棱镜，会增加物体的载荷，影响物体运动状态。

综上所述，目前现有的测量方法无法同时满足惯性导航器件性能标定、转位机构标定等领域所需要的高速、高精度和高灵敏度。

发明内容

为了解决现有技术中的非接触式角度测量方法灵敏度和精度较低的缺陷，本发明提供了一种斜交非接触式三维线速度及双轴动态角度测量系统、方法，使用了两组三维线速度测量单元实现物体的双轴动态角度测量，每组三维线速度测量单元含有三台激光测振仪及可调节出射光角度的调整组件，通过调整组件使得三束测量激光以斜交的方式聚焦于待测双轴惯性测量组合表面的某一位置，待测双轴惯性测量组合存在三正交运动，形成对应的运动坐标，可解算出物体在运动坐标系中的三维速度信息，由于两组激光测振仪分别聚焦于待测双轴惯性测量组合的两个不同的位置，因此可解算出待测双轴惯性测量组合在运动坐标系中相应的双轴角度信息。本发明具有非接触测量，高精度、响应速度快、可测距离远等优点，可以获取目标物的三维线速度信息、三维位移信息以及双轴动态角度信息，可以实现惯性导航器件性能标定、转位机构标定等领域对高速、高精度和高灵敏度的测量需求，在工业、国防领域具有重大意义。

本发明提供如下技术方案：

本发明的一个目的在于提供一种斜交非接触式三维线速度及双轴动态角度测量系统，包括水平隔振平台、振动台、以及两组三维线速度测量单元；所述的振动台固定在水平隔振平台的中心位置，振动台上设有待测双轴惯性测量组合的安装支架，两组三维线速度测量单元分别安装在振动台的一侧；

所述的三维线速度测量单元包括三滑块水平位移台、三组垂直位移台和三台激光测振仪，所述的三组垂直位移台分别安装在三滑块水平位移台的三个滑块上，每一组垂直位移台上均安装有一台激光测振仪；

所述的垂直位移台包括第一导轨、第一丝杠滑块副、第一电机和调整组件，所述的第一导轨垂直安装在三滑块水平位移台的滑块上，第一导轨上安装有第一丝杠滑块副，所述的第一丝杠滑块副通过第一电机驱动；所述的调整组件包括旋转台、角位移台、第一转接板和第二转接板，所述的旋转台通过第一转接板固定在第一丝杠滑块副的滑块上，角位移台安装在旋转台上，激光测振仪通过第二转接板安装在角位移台上。

本发明的另一目的在于提供一种斜交非接触式三维线速度及双轴动态角度测量系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：将待测双轴惯性测量组合固定在所述的振动台上，选定待测双轴惯性测量组合表面的两个待测点(x ₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，其中x₁≠x₂,y₁＝y₂,z₁＝z₂，然后在两个待测点处分别粘贴漫反射膜；

步骤2：将两组三维线速度测量单元在水平隔振平台上固定，通过第一电机和第二电机分别调整激光测振仪的水平位置和竖直位置，并通过角位移台和旋转台调整激光测振仪发射激光的方向，使得两组三维线速度测量单元各自发射的三束激光分别汇聚在两个待测点处；

步骤3：实时同步采集每一台激光测振仪的输出，结合激光测振仪与运动坐标的夹角信息，得到两个待测点在运动坐标下的三维速度；

步骤4：通过两个待测点的位置坐标(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，得到两个待测点在运动坐标下的X轴距离分量；

步骤5：根据两个待测点在运动坐标下的X轴距离分量和三维速度信息，获得待测双轴惯性测量组合的双轴动态角度信息。

与现有技术相比，本发明具备的有益效果是：

(1)本发明采用的三维线速度测量单元搭载了三台激光测振仪，可分别通过水平位移台调整水平位置，通过垂直位移台调整高度位置，通旋转台调整偏摆角度，通过角位移台调整俯仰角度，实现了三束激光束的多自由度调整；通过将三台激光测振仪发射的三束测量激光以斜交的方式聚焦于待测双轴惯性测量组合表面的某一位置，待测双轴惯性测量组合存在三正交运动，形成对应的运动坐标，可解算出物体在运动坐标系中的三维速度信息，进而积分得到物体在运动坐标系下的三维位置信息；

(2)本发明将两台三维线速度测量单元与振动台形成一定的夹角，调整两组三束激光分别汇聚在待测双轴惯性测量组合的两个待测点处，根据所要根据三维速度信息及两点间位置关系可解算出待测双轴惯性测量组合在运动坐标系中相应的角速度信息，进而积分得到物体在运动坐标系下的双轴动态角度信息；本发明测量系统中的两组三维线速度测量单元与振动台之间的距离可调、夹角可调，能够适用于各种不同的测量场合；

(3)本发明通过采用激光测振仪实现非接触式姿态测量，只需在目标物上贴置两处漫反射膜，不会对物体运动姿态产生影响，可以实现高精度的非接触式双轴动态角度测量，带宽大，稳定性好。本发明可以分离仪表误差与测试设备误差，准确评估仪表的动态角度误差，在航空航天、导航定位等领域有重要应用。

附图说明

图1是三维线速度测量单元的结构示意图；

图2是三维线速度测量单元中的垂直位移台结构示意图；

图3是三维线速度测量单元中的调整组件结构示意图；

图4是双轴动态角度测量系统的示意图；

图5是本实施例中的Y轴实验结果图；

图6是本实施例中的Z轴实验结果图；

图中：1三滑块水平位移台、11第二导轨、12第二丝杠滑块副、13第二电机；2垂直位移台、21第一导轨、22第一丝杠滑块副、23第一电机、24旋转台、 25角位移台、26第一转接板、27第二转接板、28底板、29支撑板、210加强筋； 3激光测振仪；4水平隔振平台；5振动台；6待测双轴惯性测量组合。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

一种斜交非接触式三维线速度及双轴动态角度测量系统，包括水平隔振平台 4、振动台5、待测双轴惯性测量组合6、以及两组上述的三维线速度测量单元；所述的振动台5固定在水平隔振平台的中心位置，待测双轴惯性测量组合6安装在振动台5上，两组三维线速度测量单元分别安装在振动台5的一侧。

如图1所示，本发明采用的三维线速度测量单元包括三滑块水平位移台1、三组垂直位移台2和三台激光测振仪3，所述的三组垂直位移台2分别安装在三滑块水平位移台1的三个滑块上，每一组垂直位移台2上均安装有一台激光测振仪3，三台激光测振仪3的激光出射口朝向三滑块水平位移台1的同一侧。

在本发明的一个具体实施中，所述的三滑块水平位移台1能够实现三组垂直位移台2的水平方向的移动，且三组垂直位移台2互不影响。本发明采用包含三个轨道的第一导轨21，第一导轨21水平安装在地面或者基板上，每一个轨道相互独立，均安装有第二丝杠滑块副12，所述的第二丝杠滑块副12中的丝杠一端与第二电机13连接，连接方式不限，可采用联轴器连接、带轮连接、齿轮连接、键连接等，能够实现稳定传动即可，每一个轨道中的第二丝杠滑块副12由一个第二电机13单独控制。所述的第二丝杠滑块副12中的滑块采用安装面积较大的滑块，滑块上设有安装垂直位移台2的定位孔。

在本发明的一个具体实施中，如图1-图3所示，所述的垂直位移台2包括第一导轨21、第一丝杠滑块副22、第一电机23和调整组件，所述的第一导轨21 垂直安装在三滑块水平位移台1的滑块上，第一导轨21上安装有第一丝杠滑块副22，所述的第一丝杠滑块副22通过第一电机23驱动；所述的调整组件包括旋转台24、角位移台25、第一转接板26和第二转接板27，旋转台24和角位移台25均设有调整手柄和刻度尺。所述的旋转台24通过第一转接板26固定在第一丝杠滑块副22的滑块上，角位移台25安装在旋转台24上，激光测振仪3通过第二转接板27安装在角位移台25上。

如图2所示，所述的调整组件还包括加固件，所述的加固件由底板28、支撑板29以及连接底板和支撑板的加强筋210组成，所述的底板28安装在三滑块水平位移台中的第二丝杠滑块副12的滑块上，第一导轨21通过底板28和支撑板29固定。

上述的三维线速度测量单元在工作过程中的激光调整过程为：通过将三台激光测振仪3发射的三束激光汇聚在被测目标的待测点来得到物体在运动坐标系中的三维速度信息。具体的，通过三台第二电机13控制三个第二丝杠滑块副12 的丝杠转动，带动三个水平滑块在第二导轨11上滑动，来调整三组垂直位移台 2在水平位移台三个水平滑块上的位置，即确定激光测振仪3的水平位置。通过三台第一电机23控制三个第一丝杠滑块副22中的丝杠转动，带动三个垂直滑块在第一导轨21上滑动，来调整激光测振仪3的高度。

待垂直位置和水平位置初步确定后，通过角位移台25和旋转台24调整激光测振仪3发射激光的方向，使得三维线速度测量单元发射的三束激光汇聚在待测点处。其中，旋转台24用于调整偏摆角度，角位移台25用于调整俯仰角度，旋转台24和角位移台25均设有调整手柄和刻度尺。

为了使得双轴动态角度测量系统能够适用于各种不同的测量场合，将两组三维线速度测量单元与振动台之间的距离设置可调、夹角设置可调，具体的，在用于安装振动台6的水平隔振平台4上设置多个半径不同的环形滑轨，两组三维线速度测量单元安装在环形滑轨上，可通过选择不同半径的环形滑轨来调整三维线速度测量单元与振动台6之间的距离，通过将三维线速度测量单元在环形滑轨上滑动来调整两组三维线速度测量单元与振动台之间的夹角。

使用上述的双轴动态角度测量系统对待测双轴惯性测量组合进行测量时，通过调节两组三维线速度测量单元的激光发射角度，使得三束测量激光以斜交的方式聚焦于待测双轴惯性测量组合表面的某一位置，实时得到该位置在测量坐标系中的实时速度信息，形成测量坐标，待测双轴惯性测量组合存在三正交运动，形成对应的运动坐标，可解算出待测双轴惯性测量组合在运动坐标系中的三维速度信息。两组三维线速度测量单元发射的两组三束激光分别聚焦于待测双轴惯性测量组合的两个不同的位置，可解算出待测双轴惯性测量组合在运动坐标系中相应的角速度信息。如图4所示，具体为：

步骤一：将两组三维线速度测量单元固定于待测双轴惯性测量组合6的XZ 平面的前方；

步骤二:通过控制第二电机13调节激光测振仪3的水平位置、第一电机23 调节激光测振仪3的竖直位置、手动旋转角位移台25调节激光测振仪3出射光束的偏摆角、手动旋转旋转台24调节激光测振仪3出射光束的俯仰角，使得激光测振仪3输出激光汇聚于待测双轴惯性测量组合6上的待测点；重复操作，使得第一组三维线速度测量单元发射的三束激光汇聚于待测点(x₁,y₁,z₁)，第二组三维线速度测量单元发射的三束激光汇聚于待测点(x₂,y₂,z₂)，其中 x₁≠x₂,y₁＝y₂,z₁＝z₂；

第一组三维线速度测量单元内三个激光测振仪的出射光束呈一定角度，出射光点位于同一位置(x₁,y₁,z₁)，运动坐标系下的三维速度信息v_x1、v_y1、v_z1可以通过第一组三维线速度测量单元内三个激光测振仪输出的速度信息结算得到：

其中每一组三维线速度测量单元上的第一台激光测振仪与运动坐标系X、Y、 Z轴夹角为α₁₁、β₁₁、γ₁₁，输出的速度信息为v₁₁；第二台激光测振仪与运动坐标系X、Y、Z轴夹角为α₁₂、β₁₂、γ₁₂，输出的速度信息为v₁₂；第三台激光测振仪与运动坐标系X、Y、Z轴夹角为α₁₃、β₁₃、γ₁₃，输出的速度信息为v₁₃。

第二组三维线速度测量单元上的三台激光测振仪3的出射光束呈一定角度，出射光点位于同一位置(x₂,y₂,z₂)，运动坐标系下的三维速度信息v_x2、v_y2、v_z2可以通过第一组三维线速度测量单元内三个激光测振仪输出的速度信息结算得到：

其中第二组三维线速度测量单元上的第一台激光测振仪与运动坐标系X、Y、 Z轴夹角为α₂₁、β₂₁、γ₂₁，输出的速度信息为v₂₁；第二台激光测振仪与运动坐标系X、Y、Z轴夹角为α₂₂、β₂₂、γ₂₂，输出的速度信息为v₂₂；第三台激光测振仪与运动坐标系X、Y、Z轴夹角为α₂₃、β₂₃、γ₂₃，输出的速度信息为v₂₃；

可以得到待测双轴惯性测量组合的三轴位移信息，计算公式如下：

其中，l_x、l_y、l_z分别为待测双轴惯性测量组合在t₀时刻的X轴位移、Y轴位移、Z轴位移。

步骤三：计算得到两点间沿X轴的距离：

L_x＝|x₂-x₁|

步骤四：根据两被测点间距离对应在运动坐标下的三维距离分量和三维速度，可获得待测双轴惯性测量组合的双轴动态角度信息，计算公式如下：

t₀时刻Z轴角度为：

t₀时刻Y轴角度为：

通过上述测试，使用振动台提供70Hz定频振动作为激励，以高精度双轴光纤陀螺输出作为角度基准，通过实时测量与分析，得到一段0.1s的测试结果，从图5可以看到，本发明系统Y轴角度输出与高精度双轴光纤陀螺输出幅值均为2x10^-4°，看出测量精度优于2x10^-5°；从图6可以看到，本发明系统Z轴角度输出与高精度双轴光纤陀螺输出幅值均为1x10^-3°，测量精度优于1x10^-4°，可以满足航空航天、导航定位等领域对双轴动态角度非接触式测量高精度的要求。

本发明的技术内容及技术特种已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换和修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换和修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种斜交非接触式三维线速度及双轴动态角度测量系统，其特征在于，包括水平隔振平台(4)、振动台(5)、以及两组三维线速度测量单元；所述的振动台(5)固定在水平隔振平台(4)的中心位置，振动台(5)上设有待测双轴惯性测量组合的安装支架，两组三维线速度测量单元分别安装在振动台的一侧；

所述的三维线速度测量单元包括三滑块水平位移台(1)、三组垂直位移台(2)和三台激光测振仪(3)，所述的三组垂直位移台(2)分别安装在三滑块水平位移台(1)的三个滑块上，每一组垂直位移台(2)上均安装有一台激光测振仪(3)；

所述的垂直位移台(2)包括第一导轨(21)、第一丝杠滑块副(22)、第一电机(23)和调整组件，所述的第一导轨(21)垂直安装在三滑块水平位移台(1)的滑块上，第一导轨(21)上安装有第一丝杠滑块副(22)，所述的第一丝杠滑块副(22)通过第一电机(23)驱动；所述的调整组件包括旋转台(24)、角位移台、第一转接板(26)和第二转接板(27)，所述的旋转台(24)通过第一转接板(26)固定在第一丝杠滑块副(22)的滑块上，角位移台(25)安装在旋转台(24)上，激光测振仪(3)通过第二转接板(27)安装在角位移台(25)上；

测量时，将待测双轴惯性测量组合固定在所述的振动台上，选定待测双轴惯性测量组合表面的两个待测点(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，其中x₁≠x₂,y₁＝y₂,z₁= z₂，然后在两个待测点处分别粘贴漫反射膜；将两组三维线速度测量单元在水平隔振平台上固定，通过第一电机和第二电机分别调整激光测振仪的水平位置和竖直位置，并通过角位移台和旋转台调整激光测振仪发射激光的方向，使得两组三维线速度测量单元各自发射的三束激光分别汇聚在两个待测点处。

2.根据权利要求1所述的一种斜交非接触式三维线速度及双轴动态角度测量系统，其特征在于，所述的调整组件还包括加固件，所述的加固件由底板(28)、支撑板(29)以及连接底板和支撑板的加强筋(210)组成，所述的底板安装在三滑块水平位移台的滑块上，第一导轨通过底板和支撑板固定。

3.根据权利要求1所述的一种斜交非接触式三维线速度及双轴动态角度测量系统，其特征在于，所述的旋转台和角位移台均设有调整手柄和刻度尺。

4.根据权利要求1所述的一种斜交非接触式三维线速度及双轴动态角度测量系统，其特征在于，所述的三滑块水平位移台(1)包括第二导轨(11)、第二丝杠滑块副(12)和第二电机(13)；所述的第二导轨水平安装在地面或基板上，第二导轨包括三个互不影响的轨道，每一个轨道上均安装有第二丝杠滑块副(12)，所述的第二丝杠滑块副通过第二电机驱动。

5.根据权利要求1所述的一种斜交非接触式三维线速度及双轴动态角度测量系统，其特征在于，三台激光测振仪的激光出射口朝向三滑块水平位移台的同一侧。

6.根据权利要求1所述的一种斜交非接触式三维线速度及双轴动态角度测量系统，其特征在于，所述的水平隔振平台上设置有多个半径不同的环形滑轨，两组三维线速度测量单元安装在环形滑轨上。

7.一种权利要求1所述的斜交非接触式三维线速度及双轴动态角度测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将待测双轴惯性测量组合固定在所述的振动台上，选定待测双轴惯性测量组合表面的两个待测点(x ₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，其中x₁≠x₂,y₁＝y₂,z₁＝z₂，然后在两个待测点处分别粘贴漫反射膜；

步骤2：将两组三维线速度测量单元在水平隔振平台上固定，通过第一电机和第二电机分别调整激光测振仪的水平位置和竖直位置，并通过角位移台和旋转台调整激光测振仪发射激光的方向，使得两组三维线速度测量单元各自发射的三束激光分别汇聚在两个待测点处；

步骤3：实时同步采集每一台激光测振仪的输出，结合激光测振仪与运动坐标的夹角信息，得到两个待测点在运动坐标下的三维速度；

步骤4：通过两个待测点的位置坐标(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，得到两个待测点在运动坐标下的X轴距离分量；

步骤5：根据两个待测点在运动坐标下的X轴距离分量和三维速度信息，获得待测双轴惯性测量组合的双轴动态角度信息，计算公式如下：

t₀时刻Z轴角度为：

t₀时刻Y轴角度为：

式中，v_y1、v_z1为待测点(x₁,y₁,z₁)在运动坐标系下的三维速度信息，v_y2、v_z2待测点(x₂,y₂,z₂)在运动坐标系下的三维速度信息，L_x为两个待测点在运动坐标下的X轴距离分量。

8.根据权利要求7所述的双轴动态角度测量系统的测量方法，其特征在于，所述的两个待测点在运动坐标下的三维速度计算公式为：

式中，(α₁₁、β₁₁、γ₁₁)、(α₁₂、β₁₂、γ₁₂)、(α₁₃、β₁₃、γ₁₃)分别为第一组三维线速度测量单元中的三台激光测振仪与运动坐标系X、Y、Z轴夹角，v₁₁、v₁₂、v₁₃分别为第一组三维线速度测量单元中的三台激光测振仪的输出速度值；(α₂₁、β₂₁、γ₂₁)、(α₂₂、β₂₂、γ₂₂)、(α₂₃、β₂₃、γ₂₃)分别为第二组三维线速度测量单元中的三台激光测振仪与运动坐标系X、Y、Z轴夹角，v₂₁、v₂₂、v₂₃分别为第二组三维线速度测量单元中的三台激光测振仪的输出速度值；

待测双轴惯性测量组合的三轴位移信息，计算公式如下：

其中，l_x、l_y、l_z分别为待测双轴惯性测量组合在t₀时刻的X轴位移、Y轴位移、Z轴位移。

9.根据权利要求7所述的双轴动态角度测量系统的测量方法，其特征在于，所述的两组三维线速度测量单元与振动台之间的夹角小于90度。

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