CN113028987A

CN113028987A - 一种基于激光测距仪的高精度六自由度测量方法及装置

Info

Publication number: CN113028987A
Application number: CN202110236689.8A
Authority: CN
Inventors: 石恒; 杨卓; 汪利华; 杜俊峰; 边疆; 雷柏平
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2021-03-03
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2021-06-25

Abstract

本发明提供了一种基于激光测距仪的高精度六自由度测量方法及装置，解决了物体在空间直角坐标系中沿X方向、Y方向、Z方向移动和绕X轴、Y轴、Z轴旋转六个自由度的同时测量问题。该装置包含高精度激光干涉测距仪、外反射角锥镜、静坐标平板、动坐标平板和数据处理系统。利用激光干涉测距仪、外反射角锥镜测量动坐标平板上六个点到静坐标平板上对应的六个点的六个距离量，再利用本发明提供的位置坐标解算方法解算出动坐标平板沿X方向、Y方向、Z方向移动和绕X轴、Y轴、Z轴旋转六个自由度的变化量。本发明此方法具有精度高、结构简单的特点。

Description

一种基于激光测距仪的高精度六自由度测量方法及装置

技术领域

本发明属于精密光学测量领域，具体涉及一种基于激光测距仪的高精度六自由度测量的方法及装置。

背景技术

现代精密测量技术是集光学、电学和计算机等学科于一体的综合性交叉学科，它向着高精度、高灵敏度、集成化和智能化方向发展。在科学研究和实际工程应用中常见的测量参数为位移和角度等，如刚性物体在自由空间中的位置姿态有六个运动自由度，具体来说包括沿X方向、Y方向、Z方向移动和绕X轴、Y轴、Z轴旋转六个自由度信息，而六个自由度的高精度测量方法还不成熟，单个系统实现物体六自由度高精度测量的方法极少，而传统的六自由度高精度测量方法是结合多套测量设备或者传感器同时对待测物体进行测量，不仅结构复杂难以装调而且多套测量设备之间相互影响会引入更多误差项，不利于实际应用。为了使测量变得更加准确和高效，六自由度高精度测量系统研究成为了重点研究方向。实现高精度精密测量的方法主要有电学方法和光学方法。电学法有电容或电感测微法、电涡流传感法等；光学方法主要有X射线干涉法、各种形式的激光干涉法和光栅方法等。其中，激光干涉测量具有精度高、稳定性好、非接触测量等优势，成为精密测量的重要手段。

针对现有精密测量技术的不足，采用激光干涉测量的方法能获得高精度距离信息，从而通过计算得到待测物体高精度的六自由度位置姿态信息。该方法具有精度高、结构简单、非接触测量等优势，但在其他文献中尚未采用过此方法。

发明内容

本发明针对现有精密测量技术中结构复杂和测量精度不高的不足，设计了一种基于激光测距仪的高精度六自由度测量方法和装置，具有精度高、结构简单、非接触测量等优势特点。

本发明采用的技术方案为：一种基于激光测距仪的高精度六自由度测量的装置，包括高精度激光测距仪、六个外反射角锥镜、静坐标平板、动坐标平板、数据处理系统；其中，测量装置中高精度激光干涉测距仪包括激光干涉测距仪主机、控制软件、六个激光出射端和六条光纤；六个激光出射端分别通过六个可调节镜架固定在静坐标平板边缘，并通过六条光纤与激光干涉测距仪主机连接；六个外反射角锥镜固定在动坐标平板边缘；通过分别调节六个可调节镜架使从六个激光出射端发出的光束经六个外反射角锥镜再返回到六个激光出射端。

然后，通过控制软件控制激光干涉测距仪主机测量六个激光出射端到六个外反射角锥镜的六个距离量d1,d2,d3,d4,d5,d6，并结合六个激光出射端和六个外反射角锥镜的空间坐标位置进行运算得到动坐标平板沿X方向、Y方向、Z方向移动和绕X轴、Y轴、Z轴旋转六个自由度的变化量。具体测量方法包括以下步骤：

1、根据测量装置的具体尺寸和安装位置，计算并测量出六个激光出射端和六个角锥的空间位置坐标；

2、测量六个激光出射端到六个外反射角锥镜的六个距离量；

3、设定动坐标平板的六自由度运动空间范围，利用坐标转换关系计算理论距离与实际测得的距离之间的差值，差值最小时对应的六自由度运动组合即为动坐标平板的六自由度运动位置姿态。

本发明相比于现有技术的优势在于：

1.本发明提出了基于激光测距仪的高精度六自由度测量装置，用六路激光取代传统的六条拉杆式直线位移传感器，解决了现有六自由度测量技术中装置结构复杂，测量精度不高的问题，使得测量装置的结构简单紧凑。

2.本发明此方法具有精度高、结构简单、非接触测量等优势，对位移的测量精度达到微米级，对角度的测量精度达到秒级。

附图说明

图1为本发明一种基于激光测距仪的高精度六自由度测量装置结构图；

图2为本发明一种基于激光测距仪的高精度六自由度测量方法流程图；

图中附图标记含义为：1为外反射角锥镜，2为静坐标平板，3为动坐标平板，4为数据处理系统，5为激光干涉测距仪主机，6为激光出射端，7为光纤，8为可调节镜架。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。

首先结合图1介绍基于激光测距仪的高精度六自由度测量装置。测量装置的主要部件有高精度激光测距仪、六个外反射角锥镜1、静坐标平板2、动坐标平板3、数据处理系统4；其中，测量装置中高精度激光干涉测距仪包括激光干涉测距仪主机5、控制软件、六个激光出射端6和六条光纤7；六个激光出射端6分别通过六个可调节镜架8固定在静坐标平板边缘，并通过六条光纤7与激光干涉测距仪主机5连接；六个外反射角锥镜1固定在动坐标平板3边缘；通过分别调节六个可调节镜架8使从六个激光出射端6发出的光束经六个外反射角锥镜1再返回到六个激光出射端6。

然后，通过控制软件控制激光干涉测距仪主机5测量六个激光出射端6到六个外反射角锥镜1的六个距离量d1,d2,d3,d4,d5,d6，并结合六个激光出射端6和六个外反射角锥镜1的空间坐标位置进行运算得到动坐标平板3沿X方向、Y方向、Z方向移动和绕X轴、Y轴、Z轴旋转六个自由度的变化量。

结合图2，本发明中的基于激光测距仪的六自由度测量方法步骤如下：

步骤1)、根据测量装置的具体尺寸和安装位置，计算并测量出六个激光出射端6的位置坐标A1(x1,y1,z1)、A2(x2,y2,z2)、A3(x3,y3,z3)、A4(x4,y4,z4)、A5(x5,y5,z5)、A6(x6,y6,z6)和六个外反射角锥镜1的位置坐标B1(x1,y1,z1)、B2(x2,y2,z2)、B3(x3,y3,z3)、B4(x4,y4,z4)、B5(x5,y5,z5)、B6(x6,y6,z6)。建立静坐标系六个激光出射端6的坐标矩阵：

动坐标系六个外反射角锥镜1的位置坐标矩阵：

步骤2)、通过控制软件控制激光干涉测距仪主机5测量六个激光出射端6到六个外反射角锥镜1的六个距离量d1,d2,d3,d4,d5,d6；

步骤3)、定义动坐标平板沿x、y、z轴平移的距离分别为Dx、Dy、Dz，平移矩阵为：D＝[Dx,Dy,Dz]，动坐标平板绕x轴旋转角度为Rx、绕y轴旋转角度为Ry、绕z轴旋转角度为Rz。动坐标平板在空间中绕静坐标系三个坐标轴旋转后的旋转矩阵为：

步骤4)、得出了动坐标平板相对于静坐标系在空间位置姿态变化的变换矩阵后，就可以得到动坐标平板上的各点在空间发生位姿变化后，相对于静坐标系的坐标值。即：

G＝T·A+D；

其中，G为动坐标平板上各点经变换后在静坐标系中的坐标值；

步骤5)、设定动坐标平板的六自由度运动空间范围，在本实施例中，一般取动坐标平板沿x、y、z轴移动范围为正负1mm，计算步进为0.01mm，绕x、y、z轴旋转角度范围为正负0.1度，计算步进为0.001度，计算每一种六自由度运动组合情况下测量装置六个激光测距的距离，即动坐标平板的六个外反射角锥镜1与静坐标平板的六个激光出射端6之间的直线距离：L_(1,…,6)＝T·A+F-B，计算L_(1,…,6)与实际测得的距离d1,d2,d3,d4,d5,d6之间的差值，差值最小时对应的六自由度运动组合即为动坐标平板的六自由度运动位置姿态。

表1六自由度测量装置初步测量的几组结果

表1给出了该六自由度测量装置初步测量的几组结果，对平移测量的精度达到约0.01mm，对旋转测量的精度达到约0.002度，达到了高精度测量的目的和要求。

尽管上面对本发明具体实施方式进行了描述，以便于本专业领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明的保护范围并不局限于此，尤其是外反射角锥镜、算法流程和角锥安装位置等，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解想到的变换或替换均涵盖在本发明包含的范围之内。

Claims

1.一种基于激光测距仪的高精度六自由度测量装置，其特征在于：包括高精度激光测距仪、六个外反射角锥镜(1)、静坐标平板(2)、动坐标平板(3)、数据处理系统(4)；高精度激光干涉测距仪包括激光干涉测距仪主机(5)、控制软件、六个激光出射端(6)和六条光纤(7)；六个激光出射端(6)分别通过六个可调节镜架(8)固定在静坐标平板边缘，并通过六条光纤(7)与激光干涉测距仪主机(5)连接；六个外反射角锥镜(1)固定在动坐标平板(3)边缘；通过分别调节六个可调节镜架(8)使从六个激光出射端(6)发出的光束经六个外反射角锥镜(1)再返回到六个激光出射端(6)。

2.根据权利要求1所述基于激光测距仪的高精度六自由度测量装置，其特征在于：通过控制软件控制激光干涉测距仪主机(5)测量六个激光出射端(6)到六个外反射角锥镜(1)的六个距离量d1,d2,d3,d4,d5,d6，并结合六个激光出射端(6)和六个外反射角锥镜(1)的空间坐标位置进行运算得到动坐标平板(3)沿X方向、Y方向、Z方向移动和绕X轴、Y轴、Z轴旋转六个自由度的变化量。

3.一种基于激光测距仪的高精度六自由度测量方法，利用权利要求1所述基于激光测距仪的高精度六自由度测量装置，其特征在于：该测量方法包括以下步骤：

步骤1)、根据测量装置的具体尺寸和安装位置，计算并测量出六个激光出射端(6)的位置坐标A1(x1,y1,z1)、A2(x2,y2,z2)、A3(x3,y3,z3)、A4(x4,y4,z4)、A5(x5,y5,z5)、A6(x6,y6,z6)和六个外反射角锥镜(1)的位置坐标B1(x1,y1,z1)、B2(x2,y2,z2)、B3(x3,y3,z3)、B4(x4,y4,z4)、B5(x5,y5,z5)、B6(x6,y6,z6)，建立静坐标系六个激光出射端(6)的坐标矩阵：

动坐标系六个外反射角锥镜(1)的位置坐标矩阵：

步骤2)、通过控制软件控制激光干涉测距仪主机(5)测量六个激光出射端(6)到六个外反射角锥镜(1)的六个距离量d1,d2,d3,d4,d5,d6；

步骤3)、定义动坐标平板沿x、y、z轴平移的距离分别为Dx、Dy、Dz，平移矩阵为：D＝[Dx,Dy,Dz]，动坐标平板绕x轴旋转角度为Rx、绕y轴旋转角度为Ry、绕z轴旋转角度为Rz，动坐标平板在空间中绕静坐标系三个坐标轴旋转后的旋转矩阵为：

步骤4)、得出了动坐标平板相对于静坐标系在空间位置姿态变化的变换矩阵后，就可以得到动坐标平板上的各点在空间发生位姿变化后，相对于静坐标系的坐标值，即：

G＝T·A+D；

步骤5)、设定动坐标平板的六自由度运动空间范围，计算每一种六自由度运动组合情况下测量装置六个激光测距的距离，即动坐标平板的六个外反射角锥镜(1)与静坐标平板的六个激光出射端(6)之间的直线距离：L_(1,…,6)＝T·A+D-B，计算L_(1,…,6)与实际测得的距离d1,d2,d3,d4,d5,d6之间的差值，差值最小时对应的六自由度运动组合即为动坐标平板的六自由度运动位置姿态。

4.根据权利要求3所述基于激光测距仪的高精度六自由度测量方法，其特征在于：通过测量六个激光出射端到六个外反射角锥镜的六个距离量d1,d2,d3,d4,d5,d6，利用坐标变换关系解算出待测目标沿X方向、Y方向、Z方向移动和绕X轴、Y轴、Z轴旋转六个自由度的变化量。