CN112945145A - 一种基于多点测距的非接触式转角测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多点测距的非接触式转角测量方法，包括以下步骤：步骤1：搭建基于多点测距的转角测量系统；步骤2：建立基于多点测距的转角测量系统的坐标系；步骤3：对基于多点测距的非接触式转角测量系统进行系统标定，得到n个测距传感器的位姿信息；步骤4：转动被测面，测量被测面旋转轴方向向量r；步骤5：在初始位置，测量n个点在系统坐标系中的坐标，求解得到被测面初始位置平面方程和当前平面法向量；步骤6：被测面转动后，求解被测面转动后位置的法向量；步骤7：计算被测面的转动角度。本发明利用被测平面及测距传感器对未知的被测平面旋转轴进行拟合，结合由测距传感器测得的平面信息求解出被测平面发生的转动角度。

Description

一种基于多点测距的非接触式转角测量方法

技术领域

本发明属于光学测量转角测量技术领域，具体涉及一种基于多点测距的非接触式转角测量方法。

背景技术

转角在科学研究、工程生产和日常生活中是常用物理量之一，国内外对于转角测量的研究日益广泛，近年来涌现出来一批特点各异的转角测量方法，其中普通商用角编码器测量精度可达0.1度。目前常用的大部分测量方法是接触式测量并且需要事先知道旋转轴的位置才能正常测量物体绕旋转轴发生转动的角度。而实际应用中存在很多无法通过接触的方式测量的情况，例如舵翼转角测量。现有的非接触式转角测量方法主要有激光跟踪仪测量法。该方法虽然角度测量精度很高，可达千分之一度，但其对测量环境要求很高，需要测量不间断进行，要求被测表面粘贴配合物，且设备成本高。这给其难以适用于工业现场应用。当前，仍旧缺乏一种测量量程较大、环境适应性好、测量精度较高、适配被测目标不同几何形态、不需进行旋转轴适配的非接触转角测量装置。这制约了工业应用中对输出转角的有效检定，是一个亟需解决的测量难题。

发明内容

本发明提供了一种基于多点测距的非接触式转角测量方法，在量具与被测物体不能直接接触情况下的转角测量。

为达到上述目的，本发明所述一种基于多点测距的非接触式转角测量方法，1.一种基于多点测距的非接触式转角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：搭建基于多点测距的转角测量系统，调整测量系统位姿，使测距传感器测量方向与被测面的旋转轴之间的夹角在80°-90°之间；所述转角测量系统包括n个测距传感器，n≥3，所述各测距传感器的测量轴方向与测距传感器端面构成平面垂直；

步骤2：建立基于多点测距的转角测量系统的坐标系；

步骤3：对基于多点测距的非接触式转角测量系统进行系统标定，得到n个测距传感器的的发射点的位姿信息，所述位姿信息为n个测距传感器在步骤2建立的在系统坐标系下的坐标；

步骤4：任意转动被测面至少四次，每次转动后通过测距传感器测得被测面上n个被测点的坐标，然后根据测量到的坐标信息拟合被测面旋转轴方向向量r；

步骤5：在被测面初始位置时，通过n个测距传感器测得测距传感器在被测面上的n个点的投影点在系统坐标系中的坐标，求解得到被测面初始位置平面方程，通过被测面的初始位置平面方程求被测面初始位置的平面法向量；

步骤6：被测面转动后，用步骤5所述的方法求解被测面转动后平面方程，并通过被测面转动后平面方程求被测面转动后位置的法向量；

步骤7：由步骤6得到的被测面转动后的法向量，步骤5得到的被测面初始位置平面方程以及步骤4得到的旋转轴方向向量r计算被测面的转动角度。

进一步的，步骤2中，坐标系建立方法为：记测距传感器所在平面为xy平面，选xy平面上任一点为坐标系原点，测距传感器的测量方向为z轴正方向，xy平面上两个任意相互垂直的方向为x、y轴正方向。

进一步的，步骤3中，n个测距传感器的发射点的位姿信息通过以下步骤得到：

S3.1、将标准平面坐标板固定到标准平移台上，调整标准平移台角度使得n个激光位移传感器发出的激光垂直于标准平面坐标板；

S3.2、调整标准平面坐标板两端的位置，使得系统坐标系与标准平面坐标板坐标系的x、y方向分别平行；

S3.3、测量n个测距传感器的发射点在系统坐标系中的坐标。

进一步的，步骤1中，当被测面不是平面时，用双向夹连接被测面和标准平板，通过测量标准平板的转动角度测量被测面的转动角度。

进一步的，步骤1中，测距传感器为非接触式测距传感器。

进一步的，步骤7中，被测面转动角度angle的计算公式为：

其中，u₁：初始位置被测面法向量与旋转轴向量构成平面的法向量；u₂：被测面旋转后其法向量与旋转轴向量构成的法向量，u₁＝v₁×r，u₂＝v₂×r，v₁为初始位置的被测平面法向量；v₂为被测平面转动后位置的法向量。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明借助非接触测距传感器实现平面转角的非接触式测量，利用被测平面及测距传感器对未知的被测平面旋转轴进行拟合，结合由测距传感器测得的平面信息求解出被测平面发生的转动角度。这套测量方案，硬件设备简单，内部算法计算量少，所以能够快速测得转动角度，在算法中加入的旋转轴拟合能够保证在旋转轴位置的情况下准确的测得被测面转动角度，同时可以通过提高测距传感器的测量频率实现转动平面转角的动态实时测量。避免了常见方法中需要接触且已知旋转轴的要求，适用于非接触测量场合。

本发明所公开的方法为非接触情况下对一些面的转角测量提供了一种新的解决方法，通过测距传感器得到被测面上点的坐标，再通过一系列计算得到被测面发生的转动角度。对于旋转轴未知的问题，本发明通过被测面法向量与旋转轴之间的关系，在步骤5中对旋转轴进行拟合，由此降低了对测量设备初始摆放位姿的要求，只需要手动的调整测量系统的位姿，使之满足步骤1所述条件即可。

本发明的另一个优点在于能够实现快速实时测量，因为本发明原始数据需求少，只需要三个激光点的位置坐标就可以求出被测转角角度，且算法简单，只需要平面法向量计算和平面转角计算两步计算即可求得被测转角角度。

附图说明

图1a为转角测量系统示意图；

图1b为图1b的左视图；

图2为测量系统坐标系；

图3为二维刻度标定板示意图；

图4为第二激光位移传感器和第三标准发出激光在标定板上的激光点位置示意图；

图5为被测平面为铝板时测量示意图；

附图中：1、第一激光发射点，2、第二激光发射点，3、第三激光发射点，4、封装壳，5、数据线，6、上位机，7、标准平面坐标板，8、被测面，9、第一激光点，10、第二激光点，11、第三激光点。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1a和图1b，转角测量系统由三个激光位移传感器、夹持装置和封装壳和上位机组成，三个激光位移传感器通过夹持装置固定在同一个封装壳4中，三个激光位移传感器的激光发射点伸出封装壳4，三个激光位移传感器的输出端通过数据线4上传至上位机6，上位机6用于根据三个激光位移传感器采集到的数据计算被测面的转动角度；为方便表述，将三个激光位移传感器分别定义为第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2和第三激光位移传感器3。三个激光位移传感器测距方向与三个激光发射点所构成的平面相垂直。图1b中的箭头方向为测距方向。

三个激光位移传感器分布呈等腰三角形分布，第二激光位移传感器2和第三激光位移传感器3间的连线为等腰三角形的底边,等腰三角形的设计尺寸为：底120mm、高120mm。激光位移传感器的开关及是否测量距离由上位机控制。

一种基于多点测距的非接触式转角测量方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建基于多点测距的转角测量系统，以3点(点数必须大于等于3)测距为例，调整测量系统位姿，实现测距传感器(以激光位移传感器为例)测量方向尽量与被测面旋转轴垂直，且在被测面转动范围内任意位置，测量系统均能够测得被测面上3个点与其对应的激光发射点之间的距离。

步骤2：在步骤1的基础上建立转角测量系统的系统坐标系。

图2为所建立的转角测量系统坐标系示意图，记第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2和第三激光位移传感器3的激光发射点分别为：第一激光发射点，第二激光发射点和第三激光发射点。以第二激光发射点2和第三激光发射点3连线的中点为系统坐标系原点，由第二激光发射点2指向第三激光发射点3的方向为x轴正方向，激光位移传感器的测量方向为z轴正方向，根据右手坐标系确定y轴正方向。

步骤3：对搭建的基于三点测距的转角测量系统进行系统标定，得出3个激光位移传感器的激光发射点的位姿信息，位姿信息包括第一激光发射点1，第二激光发射点2和第三激光发射点3在系统坐标系下的坐标。

图3所示为标准平面坐标板7，将坐标板固定到标准平移台上，调整标准平移台角度使得三个激光位移传感器发出的激光垂直于标准平面坐标板7：通过标准平移台反复前后移动标准平面坐标板100mm，直至在一次移动前、后三个激光点在标准平面坐标板7上的移动量均小于2mm，则认为激光束与标准平面坐标板7垂直。

调整标准坐标板7两端的高低，使得系统坐标系与坐标板坐标系的x、y方向平行，即第二激光位移传感器2和第三号激光位移传感器3发出的激光打在标准平面坐标板7的点——点A和点B均位于任意一条平行于标准平面坐标板的x方向刻度线上，如图4所示。

测量三个激光发射点在系统坐标系中的坐标分别为：第一激光发射点的坐标(x₁₁，y₁₁，z₁₁)为(-0.26,119.68,0)、第二激光发射点的坐标(x₁₂，y₁₂，z₁₂)为(-60.48,0,0)、第三激光发射点3的坐标(x₁₃，y₁₃，z₁₃)为(60.48,0,0)。说明：三点坐标与设计尺寸不一致是由于激光位移传感器支架加工及装配误差所导致的。

步骤4：摆放被测面8，摆放过程中应当注意一下几点，第一：保证被测面转动过程中三个激光点能够打在被测面上；第二：尽量使被测面上激光点的位置远离被测面旋转轴；第三：保证被测面到激光位移传感器之间的距离不超过激光位移传感器的测量量程。

如图5，本例中以铝板作为被测平面8，铝板尺寸为长×宽×高＝180×180×10mm，将其安装在旋转位移平台上，以此使铝板能够做绕轴转动。铝板的转动范围为±30度，以垂直于激光光束位置为0度位置，0度位置时铝板距三个激光发射点的距离均为200mm。

步骤5：标定旋转轴，在铝板转动范围内任意多次转动铝板，每次转动后由三个激光位移传感器记录铝板上3个激光点的坐标，然后通过平面上已知3个点坐标求解不同位置时，铝板的法向量，得到每个位置铝板法向量后，通过现有的最小二乘法计算得到铝板8的旋转轴方向向量r：

本例中任意旋转7个位置，由这7个位置的坐标结合旋转轴求解方程，最终得到的旋转轴方向向量r＝(-0.00624162,-0.99996708,0.00518513)；

步骤6：三个激光位移传感器分别测量铝板初始位置时3个激光点到其对应激光发射点之间的距离，结合三个激光位移传感器在系统坐标系下的坐标，得出3个被测点在系统坐标系下的坐标，根据三点坐标求解铝板在系统坐标系下的平面方程及其法向量。

铝板8的初始位置可以是铝板转动范围内的任意位置，本例中对铝板在转动范围内随意摆放。3个激光位移传感器测得的结果分别为：第一激光位移传感器测量的距离d1为：2.0352mm、第二激光位移传感器测量的距离d₂为：-5.0852mm、第三激光位移传感器测量的距离d₃为：4.0437mm，由此得出铝板初始位置时三个被测点的系统坐标分别为：第一激光点9的坐标(x₂₁，y₂₁，z₁₂)为(x₁₂，y₁₂，z₁₂+d₁)＝(-0.26,119.68,2.0352)、第二激光点10的坐标(x₂₂，y₂₂，z₂₂)为(x₁₂，y₁₂，z₁₂+d₂)＝(-60.48,0,-5.0852)、第三激光点11的坐标(x₂₃，y₂₃，z₂₃+d₃)为(x₁₃，y₁₃，z₁₃)＝(60.48,0,4.0437)。

结合被测点坐标及平面方程、法向量求解公式可计算出本例中铝板在初始位置时，铝板平面方程为：z＝0.07547x+0.02153y-0.52075，初始位置的被测平面法向量v₁＝(-0.0749,-0.0971,0.9925)。

步骤7：调节旋转位移台，使铝板8随旋转台在转动范围内转动任意角度，本例中为顺时针旋转10度。转动完成后对当前位置的铝板8重复步骤6，得到铝板转动后的平面方程和其法向量。

通过测量和计算得到铝板顺时针转动10度后的平面方程为：z＝0.251798x+0.021489y-0.7095，被测平面转动后位置的法向量v₂＝(-0.2359,-0.2585,0.9368)。

通过已知旋转轴方向向量r及被测面在旋转前后的法向量可求得本次测量的结果为：9.7775度，测量偏差为：0.2225度。计算公式为：

其中，angle：被测面的转动角度，u₁：初始位置被测面法向量与旋转轴向量构成平面的法向量；u₂：被测面转动后位置的法向量与旋转轴向量构成的法向量，u₁＝v₁×r，u₂＝v₂×r。

本发明测量精度与测距传感器精度、被测面表面状态、测距传感器安装精度等因素有关。

以上具体事例仅为说明本发明技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本发明技术方案上所做的任何改动，均落入本发明权力要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于多点测距的非接触式转角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：搭建基于多点测距的转角测量系统，调整测量系统位姿，使测距传感器测量方向与被测面(8)的旋转轴之间的夹角在80°-90°之间；所述转角测量系统包括n个测距传感器，n≥3，所述各测距传感器的测量轴方向与测距传感器端面构成平面垂直；

步骤2：建立基于多点测距的转角测量系统的坐标系；

步骤3：对基于多点测距的非接触式转角测量系统进行系统标定，得到n个测距传感器的的发射点的位姿信息，所述位姿信息为n个测距传感器在步骤2建立的在系统坐标系下的坐标；

步骤4：任意转动被测面至少四次，每次转动后通过测距传感器测得被测面上n个被测点的坐标，然后根据测量到的坐标信息拟合被测面旋转轴方向向量r；

步骤5：在被测面(8)初始位置时，通过n个测距传感器测得测距传感器在被测面上的n个点的投影点在系统坐标系中的坐标，求解得到被测面(8)初始位置平面方程，通过被测面(8)的初始位置平面方程求被测面初始位置的平面法向量；

步骤6：被测面转动后，用步骤5所述的方法求解被测面(8)转动后平面方程，并通过被测面(8)转动后平面方程求被测面转动后位置的法向量；

步骤7：由步骤6得到的被测面(8)转动后的法向量，步骤5得到的被测面(8)初始位置平面方程以及步骤4得到的旋转轴方向向量r计算被测面的转动角度。

2.根据权利要求1所述的一种基于多点测距的非接触式转角测量方法，其特征在于，所述步骤2中，坐标系建立方法为：记测距传感器所在平面为xy平面，选xy平面上任一点为坐标系原点，测距传感器的测量方向为z轴正方向，xy平面上两个任意相互垂直的方向为x、y轴正方向。

3.根据权利要求1所述的一种基于多点测距的非接触式转角测量方法，其特征在于，所述步骤3中，n个测距传感器的发射点的位姿信息通过以下步骤得到：

S3.1、将标准平面坐标板(7)固定到标准平移台上，调整标准平移台角度使得n个激光位移传感器发出的激光垂直于标准平面坐标板(7)；

S3.2、调整标准平面坐标板(7)两端的位置，使得系统坐标系与标准平面坐标板(7)坐标系的x、y方向分别平行；

S3.3、测量n个测距传感器的发射点在系统坐标系中的坐标。

4.根据权利要求1所述的一种基于多点测距的非接触式转角测量方法，其特征在于，所述步骤1中，当被测面(8)不是平面时，用双向夹连接被测面(8)和标准平板，通过测量标准平板的转动角度测量被测面的转动角度。

5.根据权利要求1所述的一种基于多点测距的非接触式转角测量方法，其特征在于，所述步骤1中，测距传感器为非接触式测距传感器。

6.根据权利要求1所述的一种基于多点测距的非接触式转角测量方法，其特征在于，所述步骤7中，被测面转动角度angle的计算公式为：

其中，u₁：初始位置被测面法向量与旋转轴向量构成平面的法向量；u₂：被测面旋转后其法向量与旋转轴向量构成的法向量，u₁＝v₁×r，u₂＝v₂×r，v₁为初始位置的被测平面法向量；v₂为被测平面转动后位置的法向量。

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