CN112683198B - 一种三自由度角度光电测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度角度光电测量装置及其测量方法，属于光电测量领域，其包括测角单元、分束反射器；测角单元和分束反射器分别安装于姿态变化的待测物体和姿态不变的参考结构体，也可分别安装于姿态不变的参考结构体和姿态变化的待测物体。本发明能够实时测量待测物体的三个自由度角度信息，测量方法简单，实时性好，测量线性度好、精度高，且装置结构简单、造价低廉。

Description

一种三自由度角度光电测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及光电测量领域，具体涉及一种三自由度角度光电测量装置及其测量方法。

背景技术

用于测量物体姿态变化的陀螺仪、PSD(Position sensitive detector)等测角装置，因能获得物体转动的角度信息，而被广泛用于航空、航天、航海和国防工业领域，其技术进步对国家的工业、国防和其它高科技产业的发展具有十分重要的意义。但是，受限于测量原理和装置自身特点，现有陀螺仪和PSD测角装置使用范围有限，在特定应用场景下存在局限性。首先，包括机械式、光纤式和MEMS(微机械)在内的陀螺仪，虽经数十年发展，其测量速度、测量精度、装置体积等均有了巨大的进步，但目前高精度陀螺仪的结构复杂、加工精度高、价格昂贵、且存在长时间零点温飘问题，难以在高精度、低成本要求的领域中广泛推广和应用。其次，现有单PSD测角装置(通常由PSD、激光器、反射镜等组成)，虽具有结构简单、成本低廉、精度高、实时性好、可靠性高等优势，但仅能获得被测物体两个自由度角度信息，如果考虑靶面光斑运动轨迹也可获取第三个自由度角度信息，但解耦方程为非线性，其解算精度和实时性均会严重制约。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种三自由度角度光电测量装置及其测量方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种三自由度角度光电测量装置，包括：测角单元和分束反射器；所述测角单元和分束反射器分别安装在姿态变化的待测物体和姿态不变的参考结构体上或者安装于姿态不变的参考结构体和姿态变化的待测物体上；

所述测角单元包括有激光器、分光镜、物镜组、光电探测器、数据处理单元，

所述激光器发出的激光束能够经过分光镜反射后射入所述分束反射器；

所述分束反射器能够将由分光镜反射入的一束激光分为两束传输方向存在分离夹角的混合激光束，并反射回分光镜；

所述光电探测器的光敏面用于接收反射回分光镜后经其透射并经过物镜组射入的光束；

所述数据处理单元与光电探测器电信号连接，所述数据处理单元用于实时处理光电探测器所测图像，并计算得到待测物体的三自由度角度信息。

作为本发明的优选方案，所述分束反射器包括沿光线入射方向依序设置的棱镜和反射镜。

作为本发明的优选方案，所述光电探测器为CCD相机或CMOS相机或PSD相机。

本发明还公开了一种三自由度角度光电测量装置的测量方法，包含以下步骤：

a、建立以光电探测器光敏面中心为原点，与光敏面两边平行的方向为x轴、y轴，垂直于光敏面向外的方向为z轴的角度解算直角坐标系；

b、固定待测物体和参考结构体的相对姿态，使待测物体达到初始的零点标定姿态；

c、启动激光器，其发射的激光束经过分光镜中传输，反射到达分束反射器；

d、分束反射器将一束激光束分为两束传输方向存在分离夹角的混合激光束，并将混合激光束反射回测角单元；

e、进入测角单元的混合激光束依序经分光镜、物镜组在光电探测器的光敏面形成分离的两个光斑图像，分别记为第一光斑和第二光斑；

f、数据处理单元接收光电探测器输出的光斑图像，记录下第一光斑以及第二光斑的位置信息；

g、进行待测物体初始状态下的零点标定，数据处理单元根据物镜组焦距和光电探测器参数，计算第一光斑、第二光斑的质心分别对应角度矢量A₀(α_A0，β_A0)、B₀(α_B0，β_B0)；将第一光斑、第二光斑的总质心C₀的角度矢量C₀(α_C0，β_C0)，作为零点总质心C₀在绕x方向和绕y方向的角度零点，C₀＝(A₀+B₀)/2；将第一光斑、第二光斑连线的角度矢量作为绕z方向的角度零点γ₀＝B₀-A₀；

h、进行待测物体倾角变化矢量测定，数据处理单元根据物镜组焦距和光电探测器参数，计算第一光斑、第二光斑的质心分别对应角度矢量A(α_A，β_A)、B(α_B，β_B)，以及第一光斑、第二光斑的总质心C的角度矢量C(α_C，β_C)＝(A+B)/2，并分别与零点总质心C₀(α_C0，β_C0)求矢量差值，得到被测物体绕x轴倾角变化矢量α(α＝α_C-α_C0)、绕y轴倾角变化矢量β(β＝β_C-β_C0)；按照角度矢量运算公式γ＝(B-A)-(B₀-A₀)，计算得到被测物体绕z方向相对角度零点γ₀的角度变化矢量γ，从而最终得到被测物体三自由度角度的变化量(α，β，γ)。

作为本发明的优选方案，在步骤h之后还包括以下步骤：

i、当需重复测量物体相对参考结构体的三自由度倾角变化矢量(α，β，γ)时，可通过执行步骤c-步骤h实现。

本发明至少具有以下有益效果之一：本发明通过引入分束反射器，并采用双光斑探测，线性测量被测物体三个自由度角度变化量。在直接获得待测物体绕x、y轴二维转动角度信息的基础上，结合双光斑探测识别的方法，获得探测器光敏面处双光斑图形的转动信息，即待测物体的第三个自由度绕z轴的角度信息，从而实现三自由度物体姿态信息的测量。此方法具有测量方法简单、线性度高、测量精度高、实时性好、装调难度低、成本低廉等优势。

附图说明

图1为本发明优选实施例的结构示意图。

图2为本发明优选实施例中双光斑位置及其矢量坐标的示意图。

图中，1-测角单元，2-分束反射器，3-激光器，4-分光镜，5-物镜组，6-光电探测器，7-数据处理单元，8-棱镜，9-反射镜。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图2，本发明的优选实施例：

一种三自由度角度光电测量装置，包括：测角单元1和分束反射器2；所述测角单元1和分束反射器2分别安装在姿态变化的待测物体和姿态不变的参考结构体上，或者安装于姿态不变的参考结构体和姿态变化的待测物体上；

所述测角单元1包括有激光器3、分光镜4、物镜组5、光电探测器6、数据处理单元7，

所述激光器3发出的激光束能够经过分光镜4反射后射入所述分束反射器2；

所述分束反射器2能够将由分光镜4反射入的一束激光分为两束传输方向存在分离夹角的混合激光束，并反射回分光镜4；

所述光电探测器6的光敏面用于接收反射回分光镜4后经其透射并经过物镜组5射入的光束；

所述数据处理单元7与光电探测器6电信号连接，所述数据处理单元7用于实时处理光电探测器6所测图像，并计算得到待测物体的三自由度角度信息。

本实施例通过引入分束反射器2，并采用双光斑探测，线性测量被测物体三个自由度角度变化量。在直接获得物体绕x、y轴二维转动角度信息的基础上，结合双光斑探测识别的方法，获得探测器光敏面处双光斑图形的转动信息，即物体第三个自由度绕z轴的角度信息，从而实现三自由度物体姿态信息的测量。此方法具有测量方法简单、线性度高、测量精度高、实时性好、装调难度低、成本低廉等优势。

作为本发明的优选实施例，其还可具有以下附加技术特征：

所述分束反射器2包括沿光线入射方向依序设置的棱镜8和反射镜9，具体地，棱镜8为Rochon棱镜。

所述光电探测器为CCD相机或CMOS相机或相机PSD。

本发明还提供了另一实施例：

本发明还公开了另一实施例：一种三自由度角度光电测量装置的测量方法，包含以下步骤：

a、建立以光电探测器6光敏面中心为原点，与光敏面两边平行的方向为x轴、y轴，垂直于光敏面向外的方向为z轴的角度解算直角坐标系；

b、固定待测物体和参考结构体的相对姿态，使待测物体达到初始的零点标定姿态；

c、启动激光器3，其发射的激光束经过分光镜中传输，反射到达分束反射器2；

d、分束反射器2将一束激光束分为两束传输方向存在分离夹角的混合激光束，并将混合激光束反射回测角单元1；

e、进入测角单元1的混合激光束依序经分光镜4、物镜组5在光电探测器6的光敏面形成分离的两个光斑图像，分别记为第一光斑和第二光斑；

f、数据处理单元7接收光电探测器6输出的光斑图像，记录下第一光斑以及第二光斑的位置信息；

g、进行待测物体初始状态下的零点标定，数据处理单元根据物镜组焦距和光电探测器参数，计算第一光斑、第二光斑的质心分别对应角度矢量A₀α_A0，β_A0、B₀α_B0，β_B0；将第一光斑、第二光斑的总质心C₀的角度矢量C₀α_C0，β_C0，作为零点总质心C₀在绕x方向和绕y方向的角度零点，C₀＝A₀+B₀/2；将第一光斑、第二光斑连线的角度矢量作为绕z方向的角度零点γ₀＝B₀-A₀；

h、进行待测物体倾角变化矢量测定，数据处理单元7根据物镜组5焦距和光电探测器6参数，计算第一光斑、第二光斑的质心分别对应角度矢量A(α_A，β_A)、B(α_B，β_B)，以及第一光斑、第二光斑的总质心C的角度矢量C(α_C，β_C＝A+B/2)，并分别与零点总质心C₀(α_C0，β_C0)求矢量差值，得到被测物体绕x轴倾角变化矢量α(α＝α_C-α_C0)、绕y轴倾角变化矢量β(β＝β_C-β_C0)；按照角度矢量运算公式γ＝(B-A)-(B₀-A₀)，计算得到被测物体绕z方向相对角度零点γ₀的角度变化矢量γ，从而最终得到被测物体三自由度角度的变化量(α，β，γ)。

在步骤h之后还包括以下步骤：

i、当需重复测量物体相对参考结构体的三自由度倾角变化矢量(α，β，γ)时，可通过执行步骤c-步骤h实现。

在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。

以上所述仅为本发明的优先实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1. 一种三自由度角度光电测量装置，其特征在于，包括：测角单元（1）和分束反射器（2）；所述测角单元（1）和分束反射器（2）分别安装在姿态变化的待测物体和姿态不变的参考结构体上，或者安装于姿态不变的参考结构体和姿态变化的待测物体上；

所述测角单元（1）包括有激光器（3）、分光镜（4）、物镜组（

5）、光电探测器（6）、数据处理单元（7）；

所述激光器（3）发出的激光束能够经过分光镜（4）反射后射入所述分束反射器（2）；

所述分束反射器（2）能够将由分光镜（4）反射入的一束激光分为两束传输方向存在分离夹角的混合激光束，并反射回分光镜（4）；

所述光电探测器（6）的光敏面用于接收反射回分光镜（4）后经其透射并经过物镜组（5）射入的光束；

所述数据处理单元（7）与光电探测器（6）电信号连接，所述数据处理单元（7）用于实时处理光电探测器（6）所测图像，并计算得到待测物体的三自由度角度信息；

还包括以下步骤的测量方法：

a、建立以光电探测器（6）光敏面中心为原点，与光敏面两边平行的方向为 x 轴、y 轴，垂直于光敏面向外的方向为 z 轴的角度解算直角坐标系；

b、固定待测物体和参考结构体的相对姿态，使待测物体达到初始的零点标定姿态；

c、启动激光器（3），其发射的激光束经过分光镜中传输，反射到达分束反射器（2）；

d、分束反射器（2）将一束激光束分为两束传输方向存在分离夹角的混合激光束，并将混合激光束反射回测角单元（1）；

e、进入测角单元（1）的混合激光束依序经分光镜（4）、物镜组（5）在光电探测器（6）的光敏面形成分离的两个光斑图像，分别记为第一光斑和第二光斑；

f、数据处理单元（7）接收光电探测器（6）输出的光斑图像，记录下第一光斑以及第二光斑的位置信息；

g、进行待测物体初始状态下的零点标定，数据处理单元根据物镜组焦距和光电探测器参数，计算第一光斑、第二光斑的质心分别对应角度矢量 A0（αA0，βA0）、B0（αB0，βB0）；将第一光斑、第二光斑的总质心 C0的角度矢量 C0（αC0，βC0），作为零点总质心 C0在绕 x 方向和绕 y 方向的角度零点，C0=（A0+B0）/2；将第一光斑、第二光斑连线的角度矢量作为绕 z方向的角度零点 γ0=B0-A0；

h、进行待测物体倾角变化矢量测定，数据处理单元（7）根据物镜组（5）焦距和光电探测器（6）参数，计算第一光斑、第二光斑的质心分别对应角度矢量 A（αA，βA）、B（αB，βB），以及第一光斑、第二光斑的总质心 C 的角度矢量 C（αC，βC）=（A+B）/2，并分别与零点总质心 C0（αC0，βC0）求矢量差值，得到被测物体绕 x 轴倾角变化矢量 α、绕 y 轴倾角变化矢量 β；按照角度矢量运算公式 γ = ( B- A) - (B0-A0 )，计算得到被测物体绕 z 方向相对角度零点 γ0的角度变化矢量 γ，从而最终得到被测物体三自由度角度的变化量（α，

β，γ）。

2.根据权利要求 1 所述的一种三自由度角度光电测量装置，其特征在于，所述分束反射器（2）包括沿光线入射方向依序设置的棱镜（

8）和反射镜（9）。

3.根据权利要求 1 所述的一种三自由度角度光电测量装置，其特征在于，所述光电探测器为 CCD 相机或 CMOS 相机或 PSD 相机。

4.一种如权利要求1所述的三自由度角度光电测量装置的测量方法，其特征在于，包含以下步骤：

a、建立以光电探测器（6）光敏面中心为原点，与光敏面两边平行的方向为 x 轴、y 轴，垂直于光敏面向外的方向为 z 轴的角度解算直角坐标系；

b、固定待测物体和参考结构体的相对姿态，使待测物体达到初始的零点标定姿态；

c、启动激光器（3），其发射的激光束经过分光镜中传输，反射到达分束反射器（2）；

d、分束反射器（2）将一束激光束分为两束传输方向存在分离夹角的混合激光束，并将混合激光束反射回测角单元（1）；

e、进入测角单元（1）的混合激光束依序经分光镜（4）、物镜组（

5）在光电探测器（6）的光敏面形成分离的两个光斑图像，分别记为第一光斑和第二光斑；

f、数据处理单元（7）接收光电探测器（6）输出的光斑图像，记录下第一光斑以及第二光斑的位置信息；

g、进行待测物体初始状态下的零点标定，数据处理单元根据物镜组焦距和光电探测器参数，计算第一光斑、第二光斑的质心分别对应角度矢量 A0（αA0，βA0）、B0（αB0，βB0）；将第一光斑、第二光斑的总质心 C0的角度矢量 C0（αC0，βC0），作为零点总质心 C0在绕 x 方向和绕 y 方向的角度零点，C0=（A0+B0）/2；将第一光斑、第二光斑连线的角度矢量作为绕 z方向的角度零点 γ0=B0-A0；

h、进行待测物体倾角变化矢量测定，数据处理单元（7）根据物镜组（5）焦距和光电探测器（6）参数，计算第一光斑、第二光斑的质心分别对应角度矢量 A（αA，βA）、B（αB，βB），以及第一光斑、第二光斑的总质心 C 的角度矢量 C（αC，βC）=（A+B）/2，并分别与零点总质心 C0（αC0，βC0）求矢量差值，得到被测物体绕 x 轴倾角变化矢量 α、绕 y 轴倾角变化矢量 β；按照角度矢量运算公式 γ = ( B- A) - (B0-A0 )，计算得到被测物体绕 z 方向相对角度零点 γ0的角度变化矢量 γ，从而最终得到被测物体三自由度角度的变化量（α，

β，γ）。

5.根据权利要求 4 所述的一种三自由度角度光电测量装置的测量方法，其特征在于，在步骤 h 之后还包括以下步骤：

i、当需重复测量物体相对参考结构体的三自由度倾角变化矢量（

α，β，γ）时，可通过执行步骤 c-步骤 h 实现。

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