CN114088019A - 便携式轴线二维偏角的测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了便携式轴线偏角测量装置，本发明装置包括光学系统、光源结构、图像传感器、嵌入式处理电路和惯导组件，光学系统固定在惯导组件上，光学系统侧面的中间位置与光源结构固定连接，光学系统的后端与图像传感器和嵌入式处理电路固定连接；光源结构发出光束后从光学系统前方射出，光束投射到与被测量轴线垂直的平面镜上，反射回来的光束再次经过光学系统在图像传感器上成像，图像传感器将探测的灰度数据和惯导组件的角度数据发送到嵌入式处理电路上进行数据处理，得到被测轴线的二维偏角信息。本发明能够实现动态实时测量，解决了其它设备无法进行动态测量和测量精度较低的问题。本发明结构简单、可以进行批量化生产。

Description

便携式轴线二维偏角的测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及光电测量技术领域，特别涉及便携式轴线二维偏角的测量装置及其方法。

背景技术

关于二维轴线偏角测量主要有以下方法：1)基于经纬仪的角度传递测量方法：采用多台经纬仪，分别瞄准待测量轴线，通过经纬仪间交互，完成角度传递测量，其测量精度由光学经纬仪精度决定。2)基于惯导设备的测量方法：在某些特殊领域，需要对特定轴线指向实时测量，常常采用精密惯导进行轴线方向的实时测量。3)基于摄影测量方法：这种方法首先对被测点进行贴标记点，通过摄影对各个标记点成像，计算出各个标记点空间位置坐标后，结合焦距等参数计算出轴线偏角。

以上这些方法在具体的测量环境中，往往会遇到一些常见的问题，比如：

1)无法进行动态实时测量；

例如采用经纬仪角度传递方法，其优点是测量精度较高，但需要人工瞄准测量，即使采用伺服跟踪的方式，仍然不能进行实时动态测量。采用惯导设备测量方法，虽然可以针对特定轴线进行测量，但必须固连在备测轴上，无法动态更换测量对象进行实时测量。采用摄影测量虽然能解决实时测量，但依然需要将其固定到基座上，并且会受到基座不水平等条件影响。

2)测量设备结构复杂、体积较大，难以实现小型嵌入式设备应用；

现有设备往往是针对特殊应用，采用较为通用的测量仪器进行组合，实现测量功能。不论是采用经纬仪测量，还是摄影测量，测量平台都受到环境的限制，设备体积大，测量过程复杂，无法实现手持测量等。

3)集成度低、成本高，不利于批量化生产；

现有的测量方法大都采用专业测量仪器，例如经纬仪、摄影测量仪等，无法实现集成化设计，定制为专业仪器，因此测量成本较高，而且不利于批量化生产。

发明内容

鉴于上述问题，本发明结合自准直测量技术、图像采集技术、图像处理技术及嵌入式硬件设计等技术，提出便携式轴线二维偏角的测量装置及其方法，通过投射准直激光光束到与被测量轴线垂直的平面反射镜，然后采用图像传感器接收返回准直光束，结合惯导组件实时输出的姿态及方位角数据，通过嵌入式处理电路，获得被测轴线相对于大地平面和北方平面两个方向偏角的精确值。便携式轴线二维偏角的测量装置具有可动态实时测量、测量集成度高、结构简单、测量体积小、可批量化生产等优点。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的便携式轴线偏角测量装置，包括光学系统、光源结构、图像传感器、嵌入式处理电路和惯导组件，光学系统固定在惯导组件上，光学系统侧面的中间位置与光源结构固定连接，光学系统的后端与图像传感器和嵌入式处理电路固定连接；光源结构发出光束后从光学系统前方射出，光束投射到与被测量轴线垂直的平面镜上，反射回来的光束再次经过光学系统在图像传感器上成像，图像传感器将探测的灰度数据和惯导组件的角度数据发送到嵌入式处理电路上进行数据处理，得到被测轴线的二维偏角信息。

优选地，二维偏角信息包括方位角α_B和俯仰角β_B，方位角α_B为平面镜法线到水平面的投影与北方方向的夹角，俯仰角β_B为平面镜法线与水平面的夹角。

方位角α_B的计算公式如下：

俯仰角β_B的计算公式如下：

其中x_p和z_p为平面镜法线到图像传感器像面的成像点P(x_p，z_p)的坐标，f为光学镜头焦距，α_A、β_A和γ_A分别为惯导组件自身实时输出与地理坐标系之间的方位角、俯仰角和横滚角。

优选地，光源结构包括半导体激光二极管和孔径光阑，半导体激光二极管发出光束，经过孔径光阑后形成激光点光源。

优选地，光学镜头包括前成像物镜组、分光棱镜组和后成像物镜组。

本发明提供的便携式轴线偏角测量装置的轴线偏角测量方法，包括以下步骤：

S1、建立测量系统坐标系：

O-XY为大地水平面，O-XYZ为地理坐标系，Y轴为地理坐标系的北方方向；

O-X_AY_AZ_A为惯导组件坐标系；

O-X_CY_CZ_C为光学镜头坐标系；

O-X_PY_PZ_P为图像传感器坐标系；

惯导组件坐标系、图像传感器坐标系和光学镜头坐标系三轴方向全部相同；

O-X_BY_BZ_B为平面镜坐标系，其中Y_B方向表示平面镜法线方向。

S2、角度计算：

设平面镜法线到图像传感器像面的成像点为P(x_p，z_p)，光学镜头焦距为f，则可以得到：

根据公式(1)计算平面镜法线到图像传感器平面X_P轴的投影与光轴的夹角α_P：

根据公式(2)计算平面镜法线到图像传感器平面X_P轴的投影与光轴的夹角β_P：

S3、消除横滚角对测量的影响：

在任意时刻，惯导组件自身实时输出与地理坐标系之间的方位角α_A、俯仰角β_A和横滚角γ_A；将P(x_p，z_p)从O-X_PY_PZ_P坐标系转换到O-XYZ坐标系，位置坐标换算公式为：

S4、计算方位角α_B和俯仰角β_B，计算过程如下：

方位角α_B的计算过程如下：

α_B＝π-α_A-α_P (5)

将公式(3)、(4)代入公式(5)后，即可得到方位角α_B：

俯仰角β_B的计算过程如下：

β_B＝β_A+β_P (8)

将公式(3)、(7)代入公式(8)后，即可得到俯仰角β_B：

本发明取得的有益效果：

1、本发明能够实现动态实时测量，解决了其它设备无法进行动态测量的问题。

2、本发明动态测量后计算得到的二维偏角结果较为精确，解决了其它设备动态测量精度较低的问题。

3、本发明便携度较高，装置体积较小、可以实现手持设备进行轴线二维偏角的测量工作。

4、本发明测量集成度高、结构简单、可以进行批量化生产。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的便携式轴线二维偏角的测量装置结构示意图。

图2是根据本发明实施例提供的光学系统的结构示意图。

图3是根据本发明实施例提供的便携式轴线二维偏角的测量装置坐标系示意图。

图4是根据本发明实施例提供的便携式轴线二维偏角的测量装置的横滚投影平面坐标系示意图。

图5是根据本发明实施例提供的便携式轴线二维偏角的测量装置的O-XY平面方位投影图。

图6是根据本发明实施例提供的便携式轴线二维偏角的测量装置的O-YZ平面俯仰投影图。

其中的附图标记包括：惯导组件1、光学系统2、前成像物镜组2-1、分光棱镜组2-2、后成像物镜组2-3、光源结构3、图像传感器4和嵌入式处理电路5。

其中的坐标系包括：

O-XY为大地水平面，O-XYZ为地理坐标系，Y轴为地理坐标系的北方方向；

O-X_AY_AZ_A为惯导组件坐标系；

O-X_CY_CZ_C为光学镜头坐标系；

O-X_PY_PZ_P为图像传感器坐标系；

惯导组件坐标系、图像传感器坐标系和光学镜头坐标系三轴方向全部相同；

O-X_BY_BZ_B为平面镜坐标系，其中Y_B方向表示平面镜法线方向。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

图1示出了根据本发明实施例提供的便携式轴线二维偏角的测量装置结构示意图。

图2示出了根据本发明实施例提供的光学系统的结构示意图。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的便携式轴线二维偏角的测量装置包括：惯导组件1、光学系统2、前成像物镜组2-1、分光棱镜组2-2、后成像物镜组2-3、光源结构3、图像传感器4和嵌入式处理电路5。

惯导组件1为通用设备，根据测量需求可以选取不同测量精度和刷新频率的惯导组件。

光学系统2固定在惯导组件1上，光学系统2的光轴与惯导组件1上表面较长的对称轴重合。

光学系统2的内部设置有光学镜头对目标进行高质量成像。光学镜头包括前成像物镜组2-1、分光棱镜组2-2和后成像物镜组2-3。其中分光棱镜组2-2为半反半透棱镜。

光学系统2的后端与图像传感器4和嵌入式处理电路5固定连接。

光学系统2侧面的中间位置与光源结构3固定连接，光源结构3包括半导体激光二极管和孔径光阑，由半导体激光二极管发出光束，经过所述孔径光阑后形成激光点光源。

光源结构3发出激光点光源后进入光学系统2的光学镜头中，光学镜头中的分光棱镜组2-2对激光点光源进行准直，将平行光束的传播方向转变九十度，产生平行于光轴的平行光束，使平行光束从光学镜头前方射出，投射到与被测量轴线垂直的平面反射镜上，反射回来的平行光束第二次经过光学镜头，光学镜头将反射光束会聚到像平面，在所述图像传感器上成像，图像传感器将探测的数据发送到所述嵌入式处理电路上进行数据处理，获得图像位置的坐标值。

图3示出了根据本发明实施例提供的便携式轴线二维偏角的测量装置坐标系示意图。

其中的坐标系包括：

O-XY为大地水平面，O-XYZ为地理坐标系，Y轴为地理坐标系的北方方向；

O-X_AY_AZ_A为惯导组件坐标系；

O-X_CY_CZ_C为光学镜头坐标系；

O-X_PY_PZ_P为图像传感器坐标系；

惯导组件坐标系、光学镜头坐标系和图像传感器坐标系三轴方向全部相同；

O-X_BY_BZ_B为平面镜坐标系，其中Y_B方向表示平面镜法线方向。

图4示出了根据本发明实施例提供的便携式轴线二维偏角的测量装置的O-XZ平面横滚投影图。

图5示出了根据本发明实施例提供的便携式轴线二维偏角的测量装置的O-XY平面方位投影图。

图6示出了根据本发明实施例提供的便携式轴线二维偏角的测量装置的O-YZ平面俯仰投影图。

本发明实施例提供的轴线偏角测量方法所涉及的角度定义如下：

首先对惯导组件、光学镜头和图像传感器的角度进行定义：

方位角α_A：Y_A轴到水平面的投影与北方方向的水平夹角；

俯仰角β_A：Y_A轴与水平面的夹角；

横滚角γ_A：X_A轴与水平面的夹角。

其次对平面镜的角度进行定义：

方位角α_B：平面镜法线到水平面的投影与北方方向的夹角；

俯仰角β_B：平面镜法线与水平面的夹角。

最后对像平面角度进行定义：

方位角α_P：平面镜法线到图像传感器平面X_P轴的投影与光轴的夹角；

俯仰角β_P：平面镜法线到图像传感器平面Z_P轴的投影与光轴的夹角；

本发明实施例提供的轴线偏角测量方法包括以下步骤：

步骤一，建立测量系统坐标系：

O-XY为大地水平面，O-XYZ为地理坐标系，Y轴为地理坐标系的北方方向；

O-X_AY_AZ_A为惯导组件坐标系；

O-X_CY_CZ_C为光学镜头坐标系；

O-X_PY_PZ_P为图像传感器坐标系；

惯导组件坐标系、图像传感器坐标系和光学镜头坐标系三轴方向全部相同；

O-X_BY_BZ_B为平面镜坐标系，其中Y_B方向表示平面镜法线方向。

步骤二，计算方位角α_P，俯仰角β_P：

设平面镜法线到图像传感器像面的成像点为P(x_p，z_p)，光学镜头焦距为f，则角度计算公式为：

步骤三，消除横滚角对测量的影响：

在任意时刻，惯导组件自身可以实时输出与地理坐标系之间的方位角α_A、俯仰角β_A和横滚角γ_A。当轴线二维偏角测量装置自身的横滚角变化时，图像传感器的横滚角也会发生变化，并且横滚角变化相同。将P(x_p，z_p)从O-X_PY_PZ_P坐标系转换到O-XYZ坐标系，位置坐标换算公式为：

步骤四，计算方位角α_B和俯仰角β_B，包括以下子步骤：

计算方位角α_B：

α_B＝π-α_A-α_P (5)

将公式(3)、(4)代入公式(5)后，即可得到方位角α_B：

计算俯仰角β_B：

β_B＝β_A+β_P (8)

将公式(3)(7)代入公式(8)后，即可得到俯仰角β_B：

经过加工装调后多次试验表明，该发明方法测量可行，精度符合预期效果。本发明实施例提供的轴线偏角测量方法的测量精度如下：

1)惯导组件测量精度：

方位角α_A：±0.01°

俯仰角β_A：±0.01°

横滚角γ_A：±0.01°

2)图像传感器测量精度：

方位角α_P：±0.005°

俯仰角β_P：±0.005°

3)总体二维偏角测量精度：

方位角α_B：±0.03°

俯仰角β_B：±0.03°

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.便携式轴线偏角测量装置，其特征在于：包括光学系统、光源结构、图像传感器、嵌入式处理电路和惯导组件，所述光学系统固定在惯导组件上，所述光学系统侧面的中间位置与所述光源结构固定连接，所述光学系统的后端与所述图像传感器和嵌入式处理电路固定连接；所述光源结构发出光束后从所述光学系统前方射出，所述光束投射到与被测量轴线垂直的平面镜上，反射回来的光束再次经过所述光学系统在所述图像传感器上成像，所述图像传感器将探测的灰度数据和所述惯导组件的角度数据发送到所述嵌入式处理电路上进行数据处理，得到被测轴线的二维偏角信息。

2.根据权利要求1所述的便携式轴线偏角测量装置，其特征在于：所述二维偏角信息包括方位角α_B和俯仰角β_B，设定O-XYZ为地理坐标系，水平面为所述地理坐标系的O-XY平面，北方方向为所述地理坐标系的Y轴；所述方位角α_B为所述平面镜法线到水平面的投影与北方方向的夹角，所述俯仰角β_B为所述平面镜法线与水平面的夹角；

其中：

所述方位角α_B的计算公式如下：

所述俯仰角β_B的计算公式如下：

其中，x_p和z_p为所述平面镜法线到所述图像传感器像面的成像点P(x_p，z_p)的坐标，f为光学镜头焦距，α_A、β_A和γ_A分别为所述惯导组件自身实时输出与地理坐标系之间的方位角、俯仰角和横滚角。

3.根据权利要求1所述的便携式轴线偏角测量装置，其特征在于：所述光源结构包括半导体激光二极管和孔径光阑，所述半导体激光二极管发出光束，经过所述孔径光阑后形成激光点光源。

4.根据权利要求2所述的便携式轴线偏角测量装置，其特征在于：所述光学镜头包括前成像物镜组、分光棱镜组和后成像物镜组。

5.利用如权利要求1-4任一项所述的便携式轴线偏角测量装置的轴线偏角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立测量系统坐标系：

O-XY为大地水平面，O-XYZ为地理坐标系，Y轴为所述地理坐标系的北方方向；

O-X_AY_AZ_A为惯导组件坐标系；

O-X_CY_CZ_C为光学镜头坐标系；

O-X_PY_PZ_P为图像传感器坐标系；

所述惯导组件坐标系、所述图像传感器坐标系和所述光学镜头坐标系三轴方向全部相同；

O-X_BY_BZ_B为平面镜坐标系，其中Y_B方向表示平面镜法线方向；

S2、角度计算：

设所述平面镜法线到所述图像传感器像面的成像点为P(x_p，z_p)，光学镜头焦距为f，则可以得到：

根据公式(1)计算所述平面镜法线到所述图像传感器平面X_P轴的投影与光轴的夹角α_P：

根据公式(2)计算所述平面镜法线到所述图像传感器平面Z_P轴的投影与光轴的夹角β_P：

S3、消除横滚角对测量的影响：

在任意时刻，所述惯导组件自身实时输出与所述地理坐标系之间的方位角α_A、俯仰角β_A和横滚角γ_A；将所述P(x_p，z_p)从所述O-X_PY_PZ_P坐标系转换到所述O-XYZ坐标系，位置坐标换算公式为：

S4、计算方位角α_B和俯仰角β_B，其中：

所述方位角α_B的计算过程如下：

α_B＝π-α_A-α_P (5)

将公式(3)、(4)代入公式(5)后，即可得到所述方位角α_B：

所述俯仰角β_B的计算过程如下：

β_B＝β_A+β_P (8)

将公式(3)、(7)代入公式(8)后，即可得到所述俯仰角β_B：

Images