CN112697073A - 一种三维姿态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维姿态测量方法，通过构建虚拟单维高分辨成像元件，显著提高了光斑斜率测量的精度，进而实现高精度的滚转角测量，使一次测量过程能够同时实现秒级三维高精度姿态测量。

Description

一种三维姿态测量方法

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，在对待测量目标进行姿态测量时，利用光电自准直仪可有效实现方位、俯仰二维角度的秒级精度测量。关于滚转角测量，公开号CN1335483A等专利提出了偏振相位法测量方案，但是上述方法都无法同时实现高精度三维姿态测量。在现有技术中，也有技术提出了基于自准直仪的三维姿态测量方法，该方法中方位、俯仰角度测量具有常规自准直仪的高精度，但滚转角测量精度受限于目前的CMOS成像元件的分辨率，最高只能达到约10″量级。具体分析如下：

当前CMOS成像元件分辨率为千万像素级别，例如4800万像素，单维像素约为几千，例如4800万像素分别率即为8000×6000(4：3)。根据现有技术中滚转角的测量原理，需对成像进行斜率计算。如图2所示，十字光斑斜率a＝y/L，因此滚转角测量精度取决于y的测量精度与L的最大值。不考虑算法优化y测量精度为1个像素，L最大值为成像元件的单维像素。按照前述4800万像素成像元件的分辨率计算，其斜率测量精度为1/8000＝25.8〞，由于从原理上讲滚转角为斜率变化的1/2，因此滚转角测量精度约13〞。

总之，现有技术中采用光电自准直仪测量目标三维姿态的方法，仍然存在滚转角测量精度不高的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种三维姿态测量方法，能够解决当前成像元件分辨率不足的问题，实现对测量目标的秒级三维姿态测量。

本发明提供的一种三维姿态测量方法，包括以下步骤：

步骤1、将待测量目标与反射面组合体固定；

步骤2、将光电自准直仪中测量滚转角的光电传感器替换为虚拟单维高分辨成像元件；所述虚拟单维高分辨成像元件包括基底和两个CMOS成像元件，所述两个CMOS成像元件分别固定于所述基底的同侧两端，所述基底的长度大于10倍的所述CMOS成像元件的尺寸；

步骤3、采用公式(1)统一所述两个CMOS成像元件的坐标系：

其中，(x,y)、(x′,y′)分别为两个CMOS成像元件的坐标系中的坐标，θ、x₀、y₀均为坐标系变换参数；

θ的计算过程为：将待测量目标任意旋转一个滚转角度，在两个CMOS成像元件的坐标系中分别采用公式(2)和公式(3)拟合求得滚转角，计算两个坐标系下滚转角的差值θ₁-θ′₁即为θ的取值，即θ＝θ₁-θ′₁，其中，b₁及b′₁均为拟合参数；

y＝tanθ₁*x+b₁ (2)

y′＝tanθ′₁*x′+b′₁ (3)

采用公式(4)计算x₀、y₀的取值：

步骤4、采用步骤3得到的统一坐标系，分别计算CMOS1和CMOS2上的光强质心，由质心连线即可计算得到光斑斜率。

进一步地，所述基底的材料为熔融石英。

有益效果：

本发明通过构建虚拟单维高分辨成像元件，显著提高了光斑斜率测量的精度，进而实现高精度的滚转角测量，使一次测量过程能够同时实现秒级三维高精度姿态测量。

附图说明

图1为本发明提供的一种三维姿态测量方法所采用的结构示意图。

图2为本发明提供的一种三维姿态测量方法所采用的传感器的结构示意图。

其中，1-分光镜A，2-分光镜B，3-滤光片A，4-滤光片B，5-物镜，6-分划板，7-光源，8-光电传感器A，9-光电传感器B及10-待测目标。

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。

本发明提出的技术方案是在申请号为201910994110.7的专利中所公开的技术方案的基础上的改进。申请号为201910994110.7的专利所公开的技术方案中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。

本发明提供了一种三维姿态测量方法，其核心思想是：在采用反射面组合体代替平面反射镜的基础上，将现有光电自准直仪中测量滚转角的光电传感器替换为由两个CMOS成像元件组成的虚拟单维高分辨成像元件，通过分析计算两个CMOS成像元件的光斑来测量目标的滚转角。

本发明提供了一种三维姿态测量方法，如图1所示，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。

步骤2、将光电自准直仪中测量滚转角的光电传感器B9替换为虚拟单维高分辨成像元件，该虚拟单维高分辨成像元件的结构如图2所示。

虚拟单维高分辨成像元件包括基底和两个CMOS成像元件，其中，基底长度为CMOS成像元件尺寸10倍以上，宽度大于CMOS成像元件尺寸即可，在基底两端分别各固定安装一个CMOS成像元件，两个CMOS成像元件相对于基底的高度保持一致最佳。由此可将光电传感器B9看作一个中间成像部分缺失的单维高分辨率(长度方向)成像元件。

步骤3、统一两个CMOS成像元件的坐标系。设COMS₁面阵坐标系为XY，COMS₂面阵坐标系为X′Y′。以坐标统一到COMS₁为例，COMS₂上某点坐标为(x′,y′)，在COMS₁坐标系统中的坐标为(x,y)，则有两个坐标系下坐标之间的关系满足公式(1)：

其中，θ为X′Y′相对于XY坐标系的旋转角(以逆时针为正)，(x₀,y₀)为XY坐标系的原点在X′Y′坐标系中的坐标，由此可见，只要求出变换参数θ、x₀、y₀即可得到两坐标系之间的变换关系。

将装置实施测量操作，将待测量目标任意旋转一个滚转角度，使反射十字光斑的一条光斑的像处于CMOS1和CMOS2视野中。改变测量目标滚转角度，使反射十字光斑的一条光斑的像仍处于CMOS1和CMOS2视野中，重复上述操作，得到旋转后的光斑在CMOS1坐标系中的拟合直线表达式如公式(2)所示，

y＝tanθ₁*x+b₁ (2)

在CMOS2坐标系中的拟合直线表达式如公式(3)所示。

y′＝tanθ′₁*x′+b′₁ (3)

然后，改变测量目标滚转角度，使反射十字光斑的一条光斑的像仍处于CMOS1和CMOS2视野中，重复上述操作，得到旋转后斑在CMOS1坐标系中的拟合直线表达式如公式(4)所示：

y＝tanθ₂*x+b₂ (4)

在CMOS2坐标系中的拟合直线表达式如公式(5)所示：

y′＝tanθ′₂*x′+b′₂ (5)

其中，b₁及b′₁均为拟合参数，则，通过计算θ₁与θ′₁的差值或计算θ₂与θ′₂的差值即可得到θ的值，即如公式(6)所示：

θ＝θ₁-θ′₁＝θ₂-θ′₂ (6)

公式(1)中的x₀、y₀采用公式(7)计算可得：

由此，公式(1)中所需要的参数θ、x₀、y₀均已计算得到，将上述参数代入公式(1)即可完成两个CMOS成像元件坐标系的统一。

步骤4、基于统一坐标系计算光斑斜率。采用步骤3得到的统一坐标系，分别计算CMOS1和CMOS2上的光强质心，由质心连线即可计算得到光斑斜率。

例如，采用热膨胀系数为5×10-7/℃的熔融石英作为基底，基底尺寸250mm×50mm。选取两个分辨率4000×3000，像元尺寸1.1m的CMOS分别固定于基底两端，两传感器距离约220mm。以此构成虚拟单维高分辨成像元件，长度方向相当于分辨率约220mm/1.1m＝2×105，按照前述分析，对测量目标滚转角的分辨率可达1/(2×2×105)rad＝0.5〞。

由于两CMOS相对距离远大于像元尺寸，需保证相对位置的稳定，尤其是在与两传感器连线垂直方向上，1个像元的相对位移，就可能带来与分辨率相当的测量误差。两CMOS固定在一块基底上，最大的位移不稳定性来源于温度引起的基底材料的热胀冷缩，因此采用低热膨胀系数材料作为基底，按照热膨胀系数为5×10-7/℃估计，环境温度变化1摄氏度，两CMOS距离仅变化约0.1m，远小于像元尺寸，因此温度对传感器精度影响可忽略不计。

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 (2)

1.一种三维姿态测量方法，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；

步骤2、将光电自准直仪中测量滚转角的光电传感器替换为虚拟单维高分辨成像元件；所述虚拟单维高分辨成像元件包括基底和两个CMOS成像元件，所述两个CMOS成像元件分别固定于所述基底的同侧两端，所述基底的长度大于10倍的所述CMOS成像元件的尺寸；

步骤3、采用公式(1)统一所述两个CMOS成像元件的坐标系：

其中，(x,y)、(x′,y′)分别为两个CMOS成像元件的坐标系中的坐标，θ、x₀、y₀均为坐标系变换参数；

θ的计算过程为：将待测量目标任意旋转一个滚转角度，在两个CMOS成像元件的坐标系中分别采用公式(2)和公式(3)拟合求得滚转角，计算两个坐标系下滚转角的差值θ₁-θ′₁即为θ的取值，即θ＝θ₁-θ′₁，其中，b₁及b′₁均为拟合参数；

y＝tanθ₁*x+b₁ (2)

y′＝tanθ′₁*x′+b′₁ (3)

采用公式(4)计算x₀、y₀的取值：

步骤4、采用步骤3得到的统一坐标系，分别计算CMOS1和CMOS2上的光强质心，由质心连线即可计算得到光斑斜率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底的材料为熔融石英。

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