CN114295051A - 一种谐波线圈磁场测量的自动化定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐波线圈磁场测量的自动化定位装置及方法，其特征在于，包括自动调姿系统、摄影测量系统和控制反馈系统，其中，摄影测量系统包括哑光全反射球靶、带荧光标的反射球靶和测量专用相机；自动调姿系统用于放置待测多极磁铁，并调节待测多极磁铁的位姿；至少两哑光全反射球靶固定设置在安装于待测多极磁铁内的谐波线圈上，若干带荧光标的反射球靶分别固定设置在待测多极磁铁的顶部；自动调姿系统的外侧间隔设置有若干测量专用相机，测量专用相机用于获取每一哑光全反射球靶和带荧光标的反射球靶的三维坐标数据；控制反馈系统用于控制谐波线圈的转动，以及控制自动调姿系统调节待测多极磁铁的位姿，本发明可广泛用于准直定位技术领域中。

Description

一种谐波线圈磁场测量的自动化定位装置及方法

技术领域

本发明涉及准直定位技术领域，特别是关于一种谐波线圈磁场测量的自动化定位装置及方法。

背景技术

在粒子加速器的束流调试中，带电粒子的聚焦和束流品质的提升均是通过多极磁铁所产生的磁场实现的，但是在多极磁铁的加工生产中会不可避免地产生各种各样的误差，这些误差会导致多极磁铁的设计磁场参数和真实磁场参数的差异，只有通过精确地的磁场测量，才能实现多极磁铁真实磁场参数的获取。在磁场测量中，多极磁铁的磁场中心测量和各阶谐波分量大小的分布是通过谐波线圈磁场摄影测量系统完成的，在多极磁铁的谐波线圈磁场测量中，精确地定位谐波线圈与多极磁铁之间的相对位置是一个非常重要的环节。

传统的谐波线圈磁场摄影测量系统定位是通过激光跟踪仪配合谐波线圈两侧安装的激光跟踪仪反射靶球测量定位谐波线圈，在测量定位过程中因为激光跟踪仪反射靶球的反光口要始终正对激光跟踪仪的发光器才能正常测量，否则就会影响激光跟踪仪的测量精度甚至断光罢测。

因此，在谐波线圈的定位测量过程中，需要一个专门的测量员随着谐波线圈的转动实时转动激光跟踪仪全反射靶球的反光口，在转动激光跟踪仪全反射靶球的过程中，还时有因为力度把握不好而造成谐波线圈的移动的状况发生。多极磁铁的定位是通过激光跟踪仪测量磁铁的标定基准，由技术员手工调节多极磁铁的支撑来完成测量定位。在谐波线圈磁场测量过程中，经常需要多次重复上述的定位测量工作才能完成单台多极磁铁的谐波线圈磁场测量工作，谐波线圈磁场摄影测量系统的定位用时较长，且消耗人力成本较高。同时，随着新一代粒子加速器装置体量的逐渐增大，加速器装置中的多极磁铁数量也成几何倍数地增加，对谐波线圈磁场测量的各项指标要求也越来越高，传统的谐波线圈磁场摄影测量系统定位装置已不能适应粒子加速器大批量多极磁铁谐波线圈磁场测量的需求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种谐波线圈磁场测量的自动化定位装置及方法，能够适应粒子加速器大批量多极磁铁谐波线圈磁场测量的需求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：第一方面，提供一种谐波线圈磁场测量的自动化定位装置，包括自动调姿系统、摄影测量系统和控制反馈系统，其中，所述摄影测量系统包括哑光全反射球靶、带荧光标的反射球靶和测量专用相机；

所述自动调姿系统用于放置待测多极磁铁，并调节待测多极磁铁的位姿；

至少两所述哑光全反射球靶固定设置在安装于所述待测多极磁铁内的谐波线圈上，若干所述带荧光标的反射球靶分别固定设置在所述待测多极磁铁的顶部；所述自动调姿系统的外侧间隔设置有若干所述测量专用相机，所述测量专用相机用于获取每一所述哑光全反射球靶和带荧光标的反射球靶的三维坐标数据；

所述控制反馈系统用于控制谐波线圈的转动，以及根据每一所述哑光全反射球靶和带荧光标的反射球靶的三维坐标数据，控制所述自动调姿系统调节所述待测多极磁铁的位姿。

进一步地，所述自动调姿系统包括底座、支撑调节器、驱动电机和支撑板；

所述底座的顶部通过所述支撑调节器连接所述支撑板，所述支撑板用于放置所述待测多极磁铁，所述支撑调节器用于支撑及调节所述支撑板上所述待测多极磁铁的位姿；

所述驱动电机用于根据所述控制反馈系统的控制，驱动对应所述支撑调节器的动作，进而调节所述待测多极磁铁的位姿。

进一步地，所述支撑调节器的数量为六个，每两个所述支撑调节器为一组呈V型结构设置在所述底座与所述支撑板之间。

进一步地，所述摄影测量系统还包括支架；

若干所述支架对称间隔固定设置在所述自动调姿系统的外侧，每一所述支架上分别设置有一所述测量专用相机。

进一步地，若干所述测量专用相机两两交会于所述谐波线圈的中心，使所述测量专用相机的测量视野对所述待测多极磁铁和谐波线圈形成全覆盖。

进一步地，所述控制反馈系统内设置有参数设定模块、测量控制模块、数据解算模块、调姿控制模块和谐波线圈控制模块；

所述参数设定模块用于预先设定所述待测多极磁铁的标定数据和磁场测量公差范围；

所述测量控制模块用于控制每一所述测量专用相机的工作以及对每一所述测量专用相机获取的三维坐标数据进行图像处理、影像匹配和数据转换；

所述数据解算模块用于根据处理后每一所述哑光全反射球靶和带荧光标的反射球靶的三维坐标数据，确定所述待测多极磁铁与所述谐波线圈之间的偏差量；

所述调姿控制模块用于根据确定的偏差量，控制所述自动调姿系统的工作；

所述谐波线圈控制模块用于控制所述谐波线圈的转动以及磁场测量数据的采集。

进一步地，所述带荧光标的反射球靶的直径与激光跟踪仪的反射球靶的直径相同。

第二方面，提供一种谐波线圈磁场测量的自动化定位方法，包括：

在自动调姿系统的外侧间隔设置若干测量专用相机；

将待测多极磁铁放置在自动调姿系统上，将谐波线圈安装在待测多极磁铁内，并将至少两个哑光全反射球靶卡设固定在谐波线圈上，将若干带荧光标的反射球靶固定设置在待测多极磁铁的顶部；

控制反馈系统控制谐波线圈旋转一周，在谐波线圈的旋转过程中控制每一测量专用相机实时获取哑光全反射球靶和带荧光标的反射球靶的三维坐标数据；

控制反馈系统根据每一哑光全反射球靶和带荧光标的反射球靶的三维坐标数据，控制自动调姿系统调节待测多极磁铁的位姿，消除待测多极磁铁与谐波线圈之间的偏差。

进一步地，所述控制反馈系统根据每一哑光全反射球靶和带荧光标的反射球靶的三维坐标数据，控制自动调姿系统调节待测多极磁铁的位姿，消除待测多极磁铁与谐波线圈之间的偏差，包括：

对每一测量专用相机获取的三维坐标数据进行图像处理、影像匹配和数据转换，得到处理后每一哑光全反射球靶和带荧光标的反射球靶的三维坐标数据；

根据每一哑光全反射球靶的三维坐标数据，分别拟合圆周并构建出谐波线圈的轴线和谐波线圈测磁坐标系；

根据每一带荧光标的反射球靶的三维坐标数据和预先导入的待测多极磁铁标定数据，确定待测多极磁铁标定坐标系，进而确定谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间的偏差量；

根据解算出的偏差量，控制自动调姿系统调节待测多极磁铁的位姿；

重新控制谐波线圈旋转一周并确定偏差量，若重新确定的偏差量在预先设定的磁场测量公差范围内，则控制谐波线圈开始磁场测量；否则，再次确定偏差量直至偏差量在预先设定的磁场测量公差范围内。

进一步地，所述根据每一带荧光标的反射球靶的三维坐标数据和预先导入的待测多极磁铁标定数据，确定待测多极磁铁标定坐标系，进而确定谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间的偏差量，包括：

谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间的旋转量矩阵模型包括绕X轴的关系矩阵模型、绕Y轴的关系矩阵模型和绕Z轴的关系矩阵模型，分别为：

其中，X₁、Y₁、Z₁为谐波线圈测磁坐标系下的坐标；X₂、Y₂、Z₂为待测多极磁铁标定坐标系下的坐标；α、β、

为谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间的三个旋转量；R_x(α)为绕X轴的旋转矩阵；R_y(β)为绕Y轴的旋转矩阵；R_z(φ)为绕Z轴的旋转矩阵；

谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间的位移量矩阵模型为：

其中，d_X、d_Y、d_Z为谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间沿坐标轴的三个平移量；

上述求得的旋转量α、β、

和平移量d_X、d_Y、d_Z为所求的六个自由度的偏差量。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明由于设置有摄影测量系统，摄影测量系统内包括若干测量专用相机，能够对谐波线圈磁场测量形成测量视野全覆盖。协同在谐波线圈和多极磁铁上安装的球靶，能够快速、无接触地测量出谐波线圈和多极磁铁的关键几何元素，并可以实时监测谐波线圈与多极磁铁之间的位置关系，进一步保证多极磁铁谐波线圈磁场测量的准确性和可靠性。

2、本发明通过控制反馈系统自动创建谐波线圈测磁坐标系和多极磁铁的标定坐标系，并解算出两坐标系的偏差量，能够增加测量定位的可靠性，提升测磁定位的测量效率。

3、本发明在确定谐波线圈和多极磁铁之间的偏差量后，控制反馈系统能够将自动解算出的偏差量同步反馈至自动调姿系统，自动调姿系统反向自动调节偏差量，将谐波线圈和多极磁铁之间的位姿快速调节至磁场测量公差允许的范围内，在解放人力的基础上进一步提升了多极磁铁定位调节的效率。

4、本发明能够实现谐波线圈磁场测量定位的一键化操作，在提升定位效率的同时节省人力成本，使得谐波线圈磁场测量自动化、智能化。

综上所述，本发明操作简单、方便，可以广泛应用于粒子加速器多极磁铁磁场摄影测量系统的定位测量技术领域中。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明一实施例提供的谐波线圈磁场测量自动化定位装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的方法流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

本发明实施例提供的谐波线圈磁场测量的自动化定位装置及方法，通过设置于待测多极磁铁四周的摄影测量系统，两两交汇测量安装于谐波线圈两侧的哑光全反射球靶和安置在待测多极磁铁顶部的标定基准内的带荧光标的反射球靶，能够快速、无接触地测量出谐波线圈和待测多极磁铁的关键几何元素，并通过控制反馈系统根据每一哑光全反射球靶和带荧光标的反射球靶的测量数据，控制自动调姿系统调节待测多极磁铁的位姿，消除待测多极磁铁与谐波线圈之间的偏差，从而实现谐波线圈磁场测量定位一键化操作和无接触式测量，提升了谐波线圈磁场摄影测量系统定位的可靠性和定位效率。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种谐波线圈磁场测量的自动化定位装置，包括自动调姿系统1、摄影测量系统2和控制反馈系统3，其中，摄影测量系统2包括哑光全反射球靶21、带荧光标的反射球靶22和测量专用相机23。

自动调姿系统1用于放置待测多极磁铁4，并调节待测多极磁铁4的位姿。两哑光全反射球靶21分别固定设置在安装于待测多极磁铁4内的谐波线圈5两侧，若干带荧光标的反射球靶22分别固定设置在待测多极磁铁4顶部的标定基准内，带荧光标的反射球靶22用于将待测多极磁铁4的激光跟踪仪标定基准数据转换为摄影测量数据。自动调姿系统1的外侧间隔设置有若干测量专用相机23，测量专用相机23用于获取每一哑光全反射球靶21和带荧光标的反射球靶22的三维坐标数据。

控制反馈系统3分别电连接自动调姿系统1和每一测量专用相机23，控制反馈系统3用于控制谐波线圈5的转动，控制自动调姿系统1和每一测量专用相机23的工作，以及根据每一哑光全反射球靶21和带荧光标的反射球靶22的三维坐标数据，控制自动调姿系统1调节待测多极磁铁4的位姿，消除待测多极磁铁4与谐波线圈5之间的偏差。

需要说明的是，本发明中提到的谐波线圈5包括空心圆柱体51，空心圆柱体51内设置线圈，空心圆柱体51的两端分别设置有一用于支撑的大理石柱体52。

在一个优选的实施例中，自动调姿系统1包括底座11、支撑调节器12、支撑板13和驱动电机。底座11的顶部通过支撑调节器12连接支撑板13，支撑板用于放置待测多极磁铁4，支撑调节器12用于支撑及调节支撑板13上待测多极磁铁4的位姿。每一支撑调节器12分别电连接驱动电机，驱动电机用于根据控制反馈系统3的控制，驱动对应支撑调节器12的动作，进而调节待测多极磁铁4的位姿。

具体地，支撑调节器12的数量为六个，每两个支撑调节器12为一组呈V型结构设置在底座11与支撑板13之间。六个支撑调节器12用于支撑和调节放置在支撑板13顶部小于10吨的待测多极磁铁4的六自由度位姿。

更具体地，每一支撑调节器12均包括联轴器和液压支撑杆。每一液压支撑杆的一端均通过对应联轴器连接支撑板13，每一液压支撑杆的另一端均通过对应联轴器连接底座11。每一联轴器均电连接驱动电机。

在一个优选的实施例中，测量专用相机23可以采用辰维科技有限公司的MPS/M20高精度测量相机对目标进行三维测量，最高帧速可以达到20帧/秒。测量专用相机23摄影测量的基本原理为：获取测量目标的图像数据，通过对应的摄影测量软件进行图像匹配和测量数据平差处理，计算出测量目标的三维空间坐标。测量过程中应该至少由两台以上的测量专用相机23同时拍摄测量目标的图像数据(或由一台测量专用相机23在不同的摄站进行拍摄)，通过测量目标至少两张的图像数据，通过对应的摄影测量软件进行处理后便可以精确计算出测量目标的三维空间坐标。

在一个优选的实施例中，摄影测量系统2还包括支架24。若干支架24对称间隔固定设置在自动调姿系统1的外侧，每一支架24上分别设置有一测量专用相机23。

具体地，支架24可以采用碳纤维单杆支架，每一支架24的外侧均套设有不锈钢防护套筒，每一锈钢防护套筒的底部均与地面固定，用于防止外力对支架的撞击，影响支架24上相机的稳定性。

具体地，支架24和测量专用相机23的数量均为四个。

具体地，若干测量专用相机23两两交会于谐波线圈5的中心，使测量专用相机23的测量视野对待测多极磁铁4和谐波线圈5形成全覆盖。

具体地，单侧两测量专用相机23基线为3m，测量专用相机23距离工件的水平距离为1.5m。

在一个优选的实施例中，每一哑光全反射球靶21均包括连接杆、金属哑光反射球靶和卡箍，每一连接杆的一端均固定连接对应金属哑光反射球靶，每一连接杆的另一端均固定连接对应卡箍，每一卡箍的直径均与谐波线圈5的直径相同，用于金属哑光反射球靶与谐波线圈5之间的快速装配。

在一个优选的实施例中，带荧光标的反射球靶22的数量为四个。带荧光标的反射球靶22的直径与激光跟踪仪的反射球靶的直径相同。

在一个优选的实施例中，控制反馈系统3内设置有参数设定模块、测量控制模块、数据解算模块

参数设定模块用于预先设定待测多极磁铁4的标定数据和磁场测量公差范围。

测量控制模块用于控制每一测量专用相机23的工作以及对每一测量专用相机23获取的三维坐标数据进行图像处理、影像匹配和数据转换等处理，得到处理后每一哑光全反射球靶21和带荧光标的反射球靶22的测量数据，其中，测量控制模块可以采用现有技术公开的摄影测量软件中，具体过程在此不多做赘述。

数据解算模块用于根据处理后每一哑光全反射球靶21和带荧光标的反射球靶22的三维坐标数据，确定待测多极磁铁4与谐波线圈5之间的偏差量。

调姿控制模块用于根据确定的偏差量，控制自动调姿系统1的工作。

谐波线圈控制模块用于控制谐波线圈5的转动以及磁场测量数据的采集。

实施例2

如图2所示，本实施例提供一种谐波线圈磁场测量的自动化定位方法，包括以下步骤：

1)在自动调姿系统1的外侧间隔设置若干测量专用相机23，具体为：

1.1)在自动调姿系统1的四个边角处固定设置支架，每一支架上均设置一对应测量专用相机23。

具体地，每一支架的外侧均套设有不锈钢防护套筒，每一锈钢防护套筒的底部均与地面固定，防止支架上测量专用相机23位置和姿态的变动。

1.2)调整每一测量专用相机23的俯仰角和姿态，使得每一测量专用相机23均两两交会于谐波线圈5的中心，使测量专用相机23的测量视野对待测多极磁铁4和谐波线圈5形成全覆盖。

1.3)控制反馈系统3对每一测量专用相机23进行控制定向与校准。

具体地，控制反馈系统3的测量控制模块采用定向尺对每一测量专用相机23进行系统定向，系统定向的基本原理为基于一维靶的虚拟点集控制场外部参数标定法，其基本方法为：

采用已知长度的基准尺在各测量专用相机23的公共视场空间自由移动，获取若干幅标定图像，通过图像处理得到若干组像点坐标，通过视图间的几何关系实现相对定向和通过已知长度实现绝对定向，考虑欧氏空间不变性和像点残差最小，列优化函数，通过迭代获取相机结构参数的精确值。

若实际现场遮挡严重，则控制反馈系统3的测量控制模块采用控制场定向的方式对每一测量专用相机23进行系统定向，即在待测区域粘贴一定数量的摄影编码标志，采用一测量专用相机23进行拍照测量，进行数据分析计算获得所有编码标志的三维坐标值，作为控制场数据，将控制场数据导入测量控制模块进行控制场定向，得到各测量专用相机23的参数标定。

2)将待测多极磁铁4放置在自动调姿系统1上，将谐波线圈5安装在待测多极磁铁4内，并将两哑光全反射球靶21卡设固定在谐波线圈5的两侧，将若干带荧光标的反射球靶22固定设置在待测多极磁铁4上表面的标定基准内，具体为：

2.1)将待测多极磁铁4放置在支撑板顶部。

具体地，为使待测多极磁铁4能处于自动调姿系统1的位姿调节范围内，摆放时要使得待测多极磁铁4大致处于支撑板的中间位置，并使得待测多极磁铁4的束流中心线大致平行于(偏角小于5度)谐波线圈5的旋转轴线。

2.2)将谐波线圈5安装在待测多极磁铁4内，并将两哑光全反射球靶21卡设固定在谐波线圈5的两测，使每一哑光全反射球靶21均能够根据随谐波线圈5的转动而同步转动。

2.3)将若干带荧光标的反射球靶22固定设置在待测多极磁铁4上表面的标定基准内，并将激光跟踪仪转换球靶的荧光反射标向上安装。

3)控制反馈系统3的谐波线圈控制模块控制安装在待测多极磁铁4内的谐波线圈5旋转一周，在谐波线圈5的旋转过程中控制每一测量专用相机23实时获取哑光全反射球靶21和带荧光标的反射球靶22的三维坐标数据。

4)控制反馈系统3根据每一哑光全反射球靶21和带荧光标的反射球靶22的三维坐标数据，控制自动调姿系统1调节待测多极磁铁4的位姿，消除待测多极磁铁4与谐波线圈5之间的偏差，具体为：

4.1)测量控制模块对每一测量专用相机23获取的三维坐标数据进行图像处理、影像匹配和数据转换等处理，得到处理后每一哑光全反射球靶21和带荧光标的反射球靶22的三维坐标数据。

4.2)数据解算模块根据处理后每一哑光全反射球靶21的三维坐标数据，分别拟合圆周并构建出谐波线圈5的轴线和谐波线圈测磁坐标系。

具体地，空间圆的解算过程为：

设定圆心C₀的坐标为P₀＝(x₀，y₀，z₀)，在哑光全反射球靶21旋转过程中由摄影测量系统2测量的空间三维点中取两点P₁＝(x₁，y₁，z₁)和P₂＝(x₂，y₂，z₂)，测量点P₁和测量点P₂的中点为P₁₂，则

其中：

向量

和向量

的内积为0，有：

Δx₁₂x₀+Δy₁₂y₀+Δz₁₂z₀-l₁＝0 (3)

其中，Δx₁₂、Δy₁₂、Δz₁₂分别为测量点P₁和测量点P₂的三轴坐标差值，即Δx₁₂＝x₂-x₁，Δy₁₂＝y₂-y₁，Δz₁₂＝z₂-z₁；l₁为测量点P₁和测量点P₂对应的参量，且l₁为：

假设有n个测量点，可以列出n-1个线性无关的方程，则误差方程为：

其中，v_n-1为测量点n-1的残差，即模拟值与实测值之间的偏差；Δx_(n-1)n、Δy_(n-1)n、Δz_(n-1)n分别为测量点P_n-1和测量点P_n的三轴坐标差值；l_n-1为测量点P_n-1和测量点P_n对应的参量，且：

其中，x_n-1，y_n-1，z_n-1为测量点P_n-1的坐标；x_n，y_n，z_n为测量点P_n的坐标。

上述公式(4)简化为：

V＝BX-L (7)

其中：

其中，V为由各测量点的残差组成的残差向量；B为设计矩阵，X为圆心C₀点的坐标；L为设计向量。

所拟合圆的圆心一定在拟合的空间平面ax+by+cz-d＝0上，其中，d为空间平面到坐标原点的距离；C＝(abc)，C为该空间平面所对应的单位法向量，a、b、c分别为该法向量在x、y、z方向上的尺度，所以限制条件为：

CX-W_x＝0 (12)

其中，W_x＝d。

法方程为：

其中，K_s为限制条件的联系数向量；权阵P为单位阵，由此可得圆心的最小二乘解：

再根据圆心的最小二乘解，求出各个测量点到空间圆圆心的距离r_i：

则空间圆的半径为：

4.3)参数设定模块内预先导入待测多极磁铁4的标定数据，数据解算模块根据处理后每一带荧光标的反射球靶22的三维坐标数据和待测多极磁铁4的标定数据，确定待测多极磁铁标定坐标系，进而确定谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间在六个自由度的偏差量。

具体地，待测多极磁铁4的标定过程为：采用激光跟踪仪测量待测多极磁铁4的几何元素，并将待测多极磁铁4的几何中心坐标转换至待测多极磁铁4上表面的标定基准上。

具体地，谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间在六个自由度的偏差量的解算过程为：

谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间的旋转量矩阵模型包括绕X轴的关系矩阵模型、绕Y轴的关系矩阵模型和绕Z轴的关系矩阵模型，分别为：

其中，X₁、Y₁、Z₁为谐波线圈测磁坐标系下的坐标；X₂、Y₂、Z₂为待测多极磁铁标定坐标系下的坐标；α、β、

为谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间的三个旋转量；R_x(α)为绕X轴的旋转矩阵；R_y(β)为绕Y轴的旋转矩阵；R_z(φ)为绕Z轴的旋转矩阵。

谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间的位移量矩阵模型为：

其中，d_X、d_Y、d_Z为谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间沿坐标轴的三个平移量；

上述求得的旋转量α、β、

和平移量d_X、d_Y、d_Z即为所求的六个自由度的偏差量。

4.4)调姿控制模块根据解算出的偏差量，控制自动调姿系统1调节待测多极磁铁4的位姿。

具体地，控制反馈系统3将解算出的偏差量自动反馈至自动调姿系统1，控制自动调姿系统1的六根支撑调节器，调节其顶部支撑板的位姿，进而带动支撑板上待测多极磁铁4的位姿，将待测多极磁铁4调节至磁场测量公差允许的范围内(位移量0.05mm，旋转量0.01度)。

4.5)进入步骤3)谐波线圈控制模块重新控制谐波线圈5旋转一周并确定偏差量，若重新确定的偏差量在预先设定的磁场测量公差范围内，则谐波线圈控制模块控制反馈系统3控制谐波线圈5开始磁场测量；否则，再次进入步骤3)直至偏差量在预先设定的磁场测量公差范围内。

进一步地，在谐波线圈5磁场测量过程中，摄影测量系统2和控制反馈系统3实时重复步骤3)至4)，对谐波线圈5和待测多极磁铁4的偏差进行实时监测。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种谐波线圈磁场测量的自动化定位装置，其特征在于，包括自动调姿系统、摄影测量系统和控制反馈系统，其中，所述摄影测量系统包括哑光全反射球靶、带荧光标的反射球靶和测量专用相机；

所述自动调姿系统用于放置待测多极磁铁，并调节待测多极磁铁的位姿；

至少两所述哑光全反射球靶固定设置在安装于所述待测多极磁铁内的谐波线圈上，若干所述带荧光标的反射球靶分别固定设置在所述待测多极磁铁的顶部；所述自动调姿系统的外侧间隔设置有若干所述测量专用相机，所述测量专用相机用于获取每一所述哑光全反射球靶和带荧光标的反射球靶的三维坐标数据；

所述控制反馈系统用于控制谐波线圈的转动，以及根据每一所述哑光全反射球靶和带荧光标的反射球靶的三维坐标数据，控制所述自动调姿系统调节所述待测多极磁铁的位姿。

2.如权利要求1所述的一种谐波线圈磁场测量的自动化定位装置，其特征在于，所述自动调姿系统包括底座、支撑调节器、驱动电机和支撑板；

所述底座的顶部通过所述支撑调节器连接所述支撑板，所述支撑板用于放置所述待测多极磁铁，所述支撑调节器用于支撑及调节所述支撑板上所述待测多极磁铁的位姿；

所述驱动电机用于根据所述控制反馈系统的控制，驱动对应所述支撑调节器的动作，进而调节所述待测多极磁铁的位姿。

3.如权利要求2所述的一种谐波线圈磁场测量的自动化定位装置，其特征在于，所述支撑调节器的数量为六个，每两个所述支撑调节器为一组呈V型结构设置在所述底座与所述支撑板之间。

4.如权利要求1所述的一种谐波线圈磁场测量的自动化定位装置，其特征在于，所述摄影测量系统还包括支架；

若干所述支架对称间隔固定设置在所述自动调姿系统的外侧，每一所述支架上分别设置有一所述测量专用相机。

5.如权利要求1所述的一种谐波线圈磁场测量的自动化定位装置，其特征在于，若干所述测量专用相机两两交会于所述谐波线圈的中心，使所述测量专用相机的测量视野对所述待测多极磁铁和谐波线圈形成全覆盖。

6.如权利要求1所述的一种谐波线圈磁场测量的自动化定位装置，其特征在于，所述控制反馈系统内设置有参数设定模块、测量控制模块、数据解算模块、调姿控制模块和谐波线圈控制模块；

所述参数设定模块用于预先设定所述待测多极磁铁的标定数据和磁场测量公差范围；

所述测量控制模块用于控制每一所述测量专用相机的工作以及对每一所述测量专用相机获取的三维坐标数据进行图像处理、影像匹配和数据转换；

所述数据解算模块用于根据处理后每一所述哑光全反射球靶和带荧光标的反射球靶的三维坐标数据，确定所述待测多极磁铁与所述谐波线圈之间的偏差量；

所述调姿控制模块用于根据确定的偏差量，控制所述自动调姿系统的工作；

所述谐波线圈控制模块用于控制所述谐波线圈的转动以及磁场测量数据的采集。

7.如权利要求1所述的一种谐波线圈磁场测量的自动化定位装置，其特征在于，所述带荧光标的反射球靶的直径与激光跟踪仪的反射球靶的直径相同。

8.一种谐波线圈磁场测量的自动化定位方法，其特征在于，包括：

在自动调姿系统的外侧间隔设置若干测量专用相机；

将待测多极磁铁放置在自动调姿系统上，将谐波线圈安装在待测多极磁铁内，并将至少两个哑光全反射球靶卡设固定在谐波线圈上，将若干带荧光标的反射球靶固定设置在待测多极磁铁的顶部；

控制反馈系统控制谐波线圈旋转一周，在谐波线圈的旋转过程中控制每一测量专用相机实时获取哑光全反射球靶和带荧光标的反射球靶的三维坐标数据；

控制反馈系统根据每一哑光全反射球靶和带荧光标的反射球靶的三维坐标数据，控制自动调姿系统调节待测多极磁铁的位姿，消除待测多极磁铁与谐波线圈之间的偏差。

9.如权利要求8所述的一种谐波线圈磁场测量的自动化定位装置，其特征在于，所述控制反馈系统根据每一哑光全反射球靶和带荧光标的反射球靶的三维坐标数据，控制自动调姿系统调节待测多极磁铁的位姿，消除待测多极磁铁与谐波线圈之间的偏差，包括：

对每一测量专用相机获取的三维坐标数据进行图像处理、影像匹配和数据转换，得到处理后每一哑光全反射球靶和带荧光标的反射球靶的三维坐标数据；

根据每一哑光全反射球靶的三维坐标数据，分别拟合圆周并构建出谐波线圈的轴线和谐波线圈测磁坐标系；

根据每一带荧光标的反射球靶的三维坐标数据和预先导入的待测多极磁铁标定数据，确定待测多极磁铁标定坐标系，进而确定谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间的偏差量；

根据解算出的偏差量，控制自动调姿系统调节待测多极磁铁的位姿；

重新控制谐波线圈旋转一周并确定偏差量，若重新确定的偏差量在预先设定的磁场测量公差范围内，则控制谐波线圈开始磁场测量；否则，再次确定偏差量直至偏差量在预先设定的磁场测量公差范围内。

10.如权利要求9所述的一种谐波线圈磁场测量的自动化定位装置，其特征在于，所述根据每一带荧光标的反射球靶的三维坐标数据和预先导入的待测多极磁铁标定数据，确定待测多极磁铁标定坐标系，进而确定谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间的偏差量，包括：

谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间的旋转量矩阵模型包括绕X轴的关系矩阵模型、绕Y轴的关系矩阵模型和绕Z轴的关系矩阵模型，分别为：

其中，X₁、Y₁、Z₁为谐波线圈测磁坐标系下的坐标；X₂、Y₂、Z₂为待测多极磁铁标定坐标系下的坐标；α、β、

为谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间的三个旋转量；R_x(α)为绕X轴的旋转矩阵；R_y(β)为绕Y轴的旋转矩阵；R_z(φ)为绕Z轴的旋转矩阵；

谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间的位移量矩阵模型为：

其中，d_X、d_Y、d_Z为谐波线圈测磁坐标系和待测多极磁铁标定坐标系之间沿坐标轴的三个平移量；

上述求得的旋转量α、β、

和平移量d_X、d_Y、d_Z为所求的六个自由度的偏差量。

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