CN116592771A - 一种绝对式六自由度位姿传感器 - Google Patents
一种绝对式六自由度位姿传感器 Download PDFInfo
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Abstract
一种绝对式六自由度位姿传感器，其中，平行光入射模块穿过第一分光棱镜的第一束光照射在一维光栅，产生不同级的三束衍射光又分别经过第一分光棱镜照射在四自由度探测模组上，得到所探测目标的四自由度绝对位姿变化；平行光由第一分光棱镜所分的第二束光进入第二分光棱镜后又分为两束光，其中一束光依次经过Y方向角锥棱镜的两个斜面反射后由Y方向探测器检测所探测目标在Y方向的平移，其中另一束光进入第三分光棱镜后又分为两束，其中一束依次经过X方向角锥棱镜的两个斜面反射后由X方向探测器检测所探测目标在X方向的平移。本发明能够实现绝对式六自由度位姿检测，光路结构和后端算法简单，结构紧凑，利于小型化和产业化推广。
Description
技术领域
本发明涉及位姿测量技术，特别是涉及一种绝对式六自由度位姿传感器。
背景技术
科学仪器望远镜是目前人类探索宇宙的重要手段之一，无论何种望远镜，比如射电望远镜、光学望远镜，其主要性能参数之一是分辨率，分辨率和其口径大小相关，但单块大口径望远镜镜面难以制作，目前主要采用的子镜拼装的方式合成大口径抛物面镜，所以其观测性能受限于其子镜的拼接精度，同时由于重力载荷、温度变化、湿度变化等环境因素的影响，安装完成的子镜间相对位姿会产生微小变化，这会直接导致主镜产生较大的面形误差。目前的位姿测量方案对环境稳定性要求较高，长期使用且矫正下仍然出现面型误差，因此急需一种更稳定、更高精度的，能够对位姿进行绝对测量的设备。
随着望远镜的使用，误差累计将导致其观测性能大幅下降，例如南非大望远镜由于湿度影响造成观测性能下降，霍比埃伯利望远镜由于温度影响而产生的观测性能下降。在即将建成的大麦哲伦望远镜中，也对子镜位姿测量极为关注。由中国参与，多国合作研究的30m口径望远镜，其主镜由492块六边形子镜拼接而成，预计2027年完工后会成为世界首座极端巨大望远镜。因而，子镜的空间位姿检测需求十分急切，不仅在安装时需要检测绝对位姿，并且需要在后续使用过程中测量并反馈，从而调节子镜的位姿，进而主动控制子镜使主镜面形满足需求。如何对子镜位姿进行高精度测量，为实现子镜共焦和共相的调整提供依据，是用于天文观测的大口径光学系统研究的核心技术。
关于位姿测量主要有电磁式位移测量和光学位移测量两种，其中电磁式测量方法中，电容式传感器的精度可达纳米级别，由多个电容传感器组成的多自由度测量系统。目前已用于凯克和加纳利大型望远镜的子镜位姿的实时检测，其有较高的准确性和稳定性，但是由电容传感器组成的测量系统不仅复杂，并且对温度和湿度非常敏感，影响测量精度。
而用其他的光学测量方案实现绝对式六自由度测量的结构都较为复杂，例如通过光频梳，或者通过激光干涉仪和光栅干涉仪，一般都采用低自由度组合，形成数据冗余进而实现多自由度至最高六自由度的测量，但容易产生阿贝误差，整个系统复杂且庞大，调试比较麻烦，需要的基础知识门槛较高，不利于工人现场调试和推广。后端算法和信号处理单元的成本和难度较高。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种绝对式六自由度位姿传感器。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种绝对式六自由度位姿传感器，包括平行光入射模块、第一至第三分光棱镜、一维光栅、四自由度探测模组、Y方向角锥棱镜、Y方向探测器、X方向角锥棱镜和X方向探测器，其中，所述平行光入射模块穿过第一分光棱镜的第一束光照射在所述一维光栅，产生不同级的三束衍射光又分别经过所述第一分光棱镜照射在所述四自由度探测模组上，得到所探测目标的四自由度绝对位姿变化，即Z方向的平移、以及绕X轴旋转的角度θx、绕Y轴旋转的角度θy、绕Z轴旋转的角度θz的变化；所述平行光由所述第一分光棱镜所分的第二束光进入第二分光棱镜后又分为两束光，其中一束光依次经过所述Y方向角锥棱镜的两个斜面反射后由所述Y方向探测器检测所探测目标在Y方向的平移，其中另一束光进入第三分光棱镜后又分为两束，其中一束依次经过所述X方向角锥棱镜的两个斜面反射后由所述X方向探测器检测所探测目标在X方向的平移。
进一步地：
所述不同级的三束衍射光为0级、+1级、-1级衍射光。
所述四自由度探测模组包括三组位置探测器(PSD)或者三组四象限光电探测器(QPD)或三组电荷耦合器件探测器(CCD)。
所述平行光入射模块包括激光器和准直透镜组，所述激光器产生的激光经过所述准直透镜组形成所述平行光。
所述Y方向角锥棱镜的包含有三角形部分的侧面垂直于YOZ平面，所述X方向角锥棱镜的包含有三角形部分的侧面垂直于XOZ平面。
在所述四自由度探测模组、所述Y方向探测器、所述X方向探测器中的一者或多者前设置有对应焦距的聚焦透镜或者扩束器。
所述四自由度探测模组的各组探测器上光斑的位置xA，yA，xB，yB，xC，yC根据后端电路读取，或根据后端光电流信息进行计算获得：
其中k1和k2为比例系数，α＝A,B,C；
光栅的三束衍射光斑在三组探测器的位置分别为(x1.y1)、(x0,y0)、(x-1,y-1)；
当一个自由度变化时，光栅绝对位姿解算结果为：
z＝ΔxA·kz
式中的kz，kθx，kθy和kθz均为测定参数，f为各组探测器的前凸透镜焦距，L是各组探测器之间的等效距离；
当四个自由度同时变化时，光栅绝对位姿解算结果为：
式中的kθxz1和kθxz-1是运动期间θx对+1和-1阶光斑y方向位置的非对称影响系数，kθydz1和kθydz-1是运动期间θy对+1和-1阶光斑x方向位置的非对称影响系数。
一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序由处理器执行时，实现所述的绝对式六自由度位姿传感器的探测器上光斑位置的计算和光栅绝对位姿解算。
一种绝对式六自由度位姿测量装置，包括所述的绝对式六自由度位姿传感器、处理器和所述的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储的计算机程序由所述处理器执行时，实现所述绝对式六自由度位姿传感器的探测器上光斑位置的计算和光栅绝对位姿解算。
本发明具有如下有益效果：
本发明设计了一种基于光斑位置监测的绝对式六自由度位姿传感器，利用角锥棱镜和衍射光栅组合形成六自由度位姿测量方案，基于光栅实现四自由度的绝对位姿监测，同时借助角锥棱镜，实现X和Y方向的绝对位姿监测。本发明中加入角锥棱镜后，可以简化衍射干涉光路，将其转化为单纯的光斑位置监测，减少误差来源，可以直接读取X/Y的位移。其结构简单紧凑，原理简单，可以更快的推广并使用。本发明的六自由度位姿传感器的绝对式测量光路设计具有对环境的鲁棒性，能够准确可靠地实现对合成孔径光学系统子镜的位姿监控。
本发明相对于现有的六自由度电学、光学测量方案更为简单，通过测量光斑的位置即可将其转化为六自由度绝对位姿测量，不需要复杂的后端处理电路和信号处理算法，是一种更为简单实用的位姿监测方案。由于本发明光路结构和后端算法简单，结构紧凑，因此利于小型化和产业化推广。
附图说明
图1为本发明一种实施例的绝对式六自由度位姿传感器的俯视平面图。
图2为本发明一种实施例的绝对式六自由度位姿传感器的三维示意图。
图3为本发明一种实施例的四自由度探测模组的示意图。
图4为本发明一种实施例的四自由度探测模组光斑位置与位姿的对应关系图。
图5为本发明一种实施例的角锥棱镜的三维示意图。
图6为本发明另一种实施例的绝对式六自由度位姿传感器的俯视平面图。
图7为本发明另一种实施例的绝对式六自由度位姿传感器的三维示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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实施例和简化描述，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该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1至图7，本发明实施例提供一种绝对式六自由度位姿传感器，包括平行光入射模块、第一至第三分光棱镜BS1～BS3、一维光栅3、四自由度探测模组、Y方向角锥棱镜7、Y方向探测器5、X方向角锥棱镜8和X方向探测器6，其中，所述平行光入射模块穿过第一分光棱镜BS1的第一束光照射在所述一维光栅3，产生不同级的三束衍射光又分别经过所述第一分光棱镜BS1照射在所述四自由度探测模组上，得到所探测目标的四自由度绝对位姿变化，即Z方向的平移、以及绕X轴旋转的角度θx、绕Y轴旋转的角度θy、绕Z轴旋转的角度θz的变化，简称θx、θy、θz姿态变化；所述平行光由所述第一分光棱镜BS1所分的第二束光进入第二分光棱镜BS2后又分为两束光，其中一束光依次经过所述Y方向角锥棱镜7的两个斜面反射后由所述Y方向探测器5检测所探测目标在Y方向的平移，其中另一束光进入第三分光棱镜BS3后又分为两束，其中一束依次经过所述X方向角锥棱镜8的两个斜面反射后由所述X方向探测器6检测所探测目标在X方向的平移。本发明实施例利用角锥棱镜和衍射光栅组合形成六自由度位姿测量方案，其中，借助衍射光栅的三束光斑位置进行四自由度位姿判别，借助角锥棱镜单轴灵敏元件进行X/Y轴的位置绝对定位。
在一个实施例中，上述绝对式六自由度位姿传感器可以包括底座9，各部件安装在该底座9上。
在优选的实施例中，所述不同级的三束衍射光为0级、+1级、-1级衍射光。
在不同的实施例中，所述四自由度探测模组可以包括三组位置探测器(PSD)或者三组四象限光电探测器(QPD)或三组电荷耦合器件探测器(CCD)。
参阅图1，在优选的实施例中，所述平行光入射模块包括激光器LD和准直透镜组，所述激光器LD产生的激光经过所述准直透镜组形成所述平行光。
参阅图1和图2，在优选的实施例中，所述Y方向角锥棱镜7的包含有三角形部分的侧面垂直于YOZ平面，所述X方向角锥棱镜8的包含有三角形部分的侧面垂直于XOZ平面。
参阅图1和图2，在优选的实施例中，在所述四自由度探测模组、所述Y方向探测器5、所述X方向探测器6中的一者或多者前设置有对应焦距的聚焦透镜或者扩束器(2、4)。参阅图6和图7，在另一些实施例中，各探测器之前也可以不设置聚焦透镜与扩束器。
以下进一步描述本发明具体实施例及其工作原理。
基于光斑位置检测的绝对式六自由度光栅编码器平面图和三维图分别如图1和2所示，原理主要为：LD发出激光，经过准直透镜组后平行进入BS1，照射在一维光栅后发生衍射现象，三束衍射光(0级、+1级、-1级)分别经过BS1的折射后，照射在四自由度探测模组上，四自由度探测模组是由三组位置探测器(PSD)或者三组四象限光电探测器(QPD)组成，这里统一称光斑位置监测模组，如图3所示。X和Y方向的探测器同样是由光斑位置监测模组组成。光栅的四自由度位姿一一对应，其规律如图4所示，通过解耦光斑位姿可以得到所探测目标的四自由度绝对位姿。同时，由BS1分光所形成的第二束光进入BS2，一束光折射后进入Y方向角锥棱镜，角锥棱镜的三维图如图5所示。角锥棱镜对平行光的X或Y某一方向平移敏感，对另外一个方向不敏感，因此将Y方向探测光路的角锥棱镜进行如图2所示的安装，即可以探测Y方向的位移，而不受其他方向的影响。同理，被BS2分光的光束进入BS3后，同样可以探测X方向的位移而不受其他方向的影响。至此，六个自由度的绝对位姿均可以得到。
在QPD方案中，可在探测器前添加对应焦距的聚焦透镜或者扩束器，聚焦透镜会缩小光斑，从而提高测量分辨力和精度；扩束器可增大光斑，牺牲部分测量精度从而提高测量范围。
QPD主要是借助四个象限的光强分布不同从而计算得到光斑在QPD上的绝对位置，方法为：
光斑的具体位置xA，yA，xB，yB，xC，yC根据后端光电流信息进行计算获得，具体计算公式可表示为：
其中k1和k2为比例系数，α＝A,B,C。
PSD和CCD则可以直接根据后端电路读取相应的位置信息，但其精度一般较低。
在不同实施例中，借助QPD/PSD/CCD等，或者其他光电探测器进行位置监测，仅需要将光电探测其种类进行更换。
可通过在光路中删除聚焦或者扩束器调整测量范围、分辨力和精度。
二自由度测量原理
X和Y的测量原理一致，平行光在照射在角锥棱镜的一个斜面上时，会被反射至另一个斜面，从而反射回原来的光路，在探测器模组留下光斑位置，以此作为零位。当角锥棱镜沿X或者Y方向发生位移时，光束与斜面接触的位置也发生了变化，因此反射回探测器模组的光斑位置也会沿着该方向发生变化，借此位置变化从而得到位姿的绝对变化。
四自由度绝对位姿测量原理
在测量光栅产生的衍射光，反射回BS1，然后照射在四自由度探测模组，这里以QPD作为单位探测模组。
QPD:主要是借助四个象限的光强分布不同从而计算得到光斑在QPD上的绝对位置，方法为：
如前所述，光斑的具体位置xA，yA，xB，yB，xC，yC根据后端光电流信息进行计算获得，具体计算公式可表示为：
其中k1和k2为比例系数，α＝A,B,C。
PSD和CCD则可以直接根据后端电路读取相应的位置信息，但其精度一般较低。
首先将光斑位置的坐标转化为原点坐标，即在未测量时，将其坐标系人为定义，可使所有衍射光位于所设坐标原点位置。假设现有一束激光照射在光栅上，光栅的三束衍射光斑位置在三个四象限探测器的位置分别为(x1.y1)(x0,y0),(x-1,y-1)，则根据几何移动规律，其最终的光栅绝对位姿解算结果为：
式中的kz，kθx，kθy和kθz均为试验测定的待定参数，f为光电探测器前凸透镜焦距，L是光电探测器A和B(或C和B)之间的等效距离。
以上是仅考虑一个自由度变化时，所对应的位姿结果。下面分析四个自由度同时变化时其解算的方法。假设现有三束衍射光斑位置在三个四象限光电探测器QPDA/B/C的位置分别为(x1.y1)(x0,y0),(x-1,y-1)，由于零级光位置发生了变化，而零级光的位置变化只与θx，θy有关，因此可直接推导出两者的值。
式中的kθxz1和kθxz-1是运动期间θx对+1和-1阶光斑y方向位置的非对称影响系数，kθydz1和kθydz-1是运动期间θy对+1和-1阶光斑x方向位置的非对称影响系数。
此时四象限光电探测器QPDA和四象限光电探测器QPDC上光斑的位置在θx，θy姿态变化的影响下也会产生变化，可由非对称影响因子计算得出后并排除影响。在小范围量程下，θz姿态变化仅改变QPDA和QPDB的y方向光斑位置，z方向姿态变化仅改变QPDA和QPDB的X方向光斑位置，同时，利用±1级光差分的方法可以在一定程度上降低不同自由度之间的耦合误差，因此总结有：
理论过程中，需一个零级衍射光和一组±1级衍射光即可完成测量。
本发明实施例能够实现全部六自由度的绝对位姿测量，可调节六自由度的测量分辨力/精度和测量范围。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
现有的产品和方法通过单自由度或者二自由度的传感器组装，形成测量冗余，来得到绝对式六自由度测量结果，容易产生阿贝误差；或者是通过比较复杂的光路结构将其转化为衍射干涉现象，虽然精度较高，但安装时安装精度要求较高。整个系统复杂且庞大，调试比较麻烦。后端算法和信号处理单元的成本和难度较高。
本发明提出的基于光斑位置监测的绝对式六自由度位姿传感器，利用角锥棱镜和衍射光栅组合形成六自由度位姿测量方案，基于光栅实现四自由度的绝对位姿监测，同时借助角锥棱镜，实现X和Y方向的绝对位姿监测。本发明中加入角锥棱镜后，可以简化衍射干涉光路，将其转化为单纯的光斑位置监测，减少误差来源，可以直接读取X/Y的位移。其结构简单紧凑，原理简单，可以更快的推广并使用。本发明的六自由度位姿传感器的绝对式测量光路设计具有对环境的鲁棒性，能够准确可靠地实现对合成孔径光学系统子镜的位姿监控。
本发明相对于现有的六自由度电学、光学测量方案更为简单，通过测量光斑的位置即可将其转化为六自由度绝对位姿测量，不需要复杂的后端处理电路和信号处理算法，是一种更为简单实用的位姿监测方案。由于本发明光路结构和后端算法简单，结构紧凑，因此利于小型化和产业化推广。
本发明在精密机床加工，合成孔径光学系统的子镜装配，甚至是在故障诊断过程中，监测某些重点结构的变形等应用上，都有很好的应用前景。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (9)
1.一种绝对式六自由度位姿传感器，其特征在于，包括平行光入射模块、第一至第三分光棱镜、一维光栅、四自由度探测模组、Y方向角锥棱镜、Y方向探测器、X方向角锥棱镜和X方向探测器，其中，所述平行光入射模块穿过第一分光棱镜的第一束光照射在所述一维光栅，产生不同级的三束衍射光又分别经过所述第一分光棱镜照射在所述四自由度探测模组上，得到所探测目标的四自由度绝对位姿变化，即Z方向的平移、以及绕X轴旋转的角度θx、绕Y轴旋转的角度θy、绕Z轴旋转的角度θz的变化；所述平行光由所述第一分光棱镜所分的第二束光进入第二分光棱镜后又分为两束光，其中一束光依次经过所述Y方向角锥棱镜的两个斜面反射后由所述Y方向探测器检测所探测目标在Y方向的平移，其中另一束光进入第三分光棱镜后又分为两束，其中一束依次经过所述X方向角锥棱镜的两个斜面反射后由所述X方向探测器检测所探测目标在X方向的平移。
2.如权利要求1所述的绝对式六自由度位姿传感器，其特征在于，所述不同级的三束衍射光为0级、+1级、-1级衍射光。
3.如权利要求1或2所述的绝对式六自由度位姿传感器，其特征在于，所述四自由度探测模组包括三组位置探测器(PSD)或者三组四象限光电探测器(QPD)或三组电荷耦合器件探测器(CCD)。
4.如权利要求1至3任一项所述的绝对式六自由度位姿传感器，其特征在于，所述平行光入射模块包括激光器和准直透镜组，所述激光器产生的激光经过所述准直透镜组形成所述平行光。
5.如权利要求1至4任一项所述的绝对式六自由度位姿传感器，其特征在于，所述Y方向角锥棱镜的包含有三角形部分的侧面垂直于YOZ平面，所述X方向角锥棱镜的包含有三角形部分的侧面垂直于XOZ平面。
6.如权利要求1至5任一项所述的绝对式六自由度位姿传感器，其特征在于，在所述四自由度探测模组、所述Y方向探测器、所述X方向探测器中的一者或多者前设置有对应焦距的聚焦透镜或者扩束器。
7.如权利要求1至6任一项所述的绝对式六自由度位姿传感器，其特征在于，所述四自由度探测模组的各组探测器上光斑的位置xA，yA，xB，yB，xC，yC根据后端电路读取，或根据后端光电流信息进行计算获得：
其中k1和k2为比例系数，α＝A,B,C；
光栅的三束衍射光斑在三组探测器的位置分别为(x1.y1)、(x0,y0)、(x-1,y-1)；
当一个自由度变化时，光栅绝对位姿解算结果为：
z＝ΔxA·kz
式中的kz，kθx，kθy和kθz均为测定参数，f为各组探测器的前凸透镜焦距，L是各组探测器之间的等效距离；
当四个自由度同时变化时，光栅绝对位姿解算结果为：
式中的kθxz1和kθxz-1是运动期间θx对+1和-1阶光斑y方向位置的非对称影响系数，kθydz1和kθydz-1是运动期间θy对+1和-1阶光斑x方向位置的非对称影响系数。
8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序由处理器执行时，实现如权利要求7所述的绝对式六自由度位姿传感器的探测器上光斑位置的计算和光栅绝对位姿解算。
9.一种绝对式六自由度位姿测量装置，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的绝对式六自由度位姿传感器、处理器和如权利要求8所述的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储的计算机程序由所述处理器执行时，实现所述绝对式六自由度位姿传感器的探测器上光斑位置的计算和光栅绝对位姿解算。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310555020.4A CN116592771A (zh) | 2023-05-17 | 2023-05-17 | 一种绝对式六自由度位姿传感器 |
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| CN202310555020.4A CN116592771A (zh) | 2023-05-17 | 2023-05-17 | 一种绝对式六自由度位姿传感器 |
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Family Applications (1)
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- 2023-05-17 CN CN202310555020.4A patent/CN116592771A/zh active Pending
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