CN117029685A - 一种空间坐标测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间坐标测量装置及测量方法，该装置是由经向转台、纬向转台、激光器构成，并使用高精度光电探测器标靶与水平仪配合，完成测量目标空间坐标测量；其中激光测角系统可提供高精度的经纬角，激光器与高精度光电探测器标靶、水平仪的配合可以精准、灵活且直观地实现对测量目标精确位置的瞄准。本发明结构简单灵活、易于实现、成本低，测量系统的柔性强，可实现空间坐标测量。

Description

一种空间坐标测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及空间坐标测量技术领域，具体涉及一种空间坐标测量装置及测量方法。

背景技术

随着科技发展水平的不断提高，在航空航天领域、精密制造领域和军工领域等对大型装备的零部件装配精度要求不断提高，迫切需要能实现微米级的空间坐标测量精度的测量仪器与方法。传统的大量程空间位置测量方法主要是使用经纬仪和激光跟踪仪进行测量，然而，现有的经纬仪目视瞄准标靶的标定与测量方法误差较大，激光跟踪仪受制于经纬角度测量精度以及靶球精度低的影响而难以提高空间绝对位置测量精度，且两种仪器价格高昂。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种空间坐标测量装置及测量方法，以期能实现低成本、高精度的空间坐标测量，从而解决现有技术应用范围受限、测量误差偏大的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种空间坐标测量装置的特点在于，包括：经向转台、纬向转台、激光器；

所述经向转台是在底座上设置有圆环状旋转盘；其中，所述底座固定不动，并在其内部设置有由电机驱动的旋转机构；

在所述圆环状旋转盘上布置有若干个激光干涉仪，在所述圆环状旋转盘的内环镂空处设置有支撑台，且所述支撑台与底座的旋转中心同轴固定；

在所述支撑台上安装有同轴固定的多面棱镜，并与所述激光干涉仪构成经向激光测角系统；

在所述圆环状旋转盘的上方设置有所述纬向转台；所述纬向转台包括：左、右支撑、左旋转机构、右旋转机构、旋转轴、转台；

所述左、右支撑对称设置在所述圆环状旋转盘上，在所述左、右支撑的外侧分别通过所述旋转轴设置有左旋转机构、右旋转机构，并分别由左、右电机驱动；

在左支撑与左旋转机构之间的旋转轴上设置有左侧多面棱镜，在右支撑与右旋转机构之间的旋转轴上设置有右侧多面棱镜；所述左侧多面棱镜、右侧多面棱镜与所述激光干涉仪共同构成纬向激光测角系统；

在所述左、右支撑之间设置有转台，并在所述转台的中央处放置有激光器。

本发明所述的一种空间坐标测量装置的测量方法的特点在于，包括如下步骤：

步骤1、在所述激光器的光路上放置有被测目标，在所述圆环状旋转盘上放置有水平仪，并记录水平仪的第一角度示值后，将所述水平仪再放置于所述转台上，并记录第二角度示值；

步骤2、将所述水平仪再放置于所述被测目标处，并记录水平仪的第三角度示值，在所述水平仪上放置具有高精度光电探测器的标靶，然后，根据第三角度示值，调整所述标靶的角度，使得所述第三角度示值与第二角度示值相同，以使得所述标靶与所述转台的水平面互相垂直；

步骤3、使所述激光器瞄准所述标靶上的位置A、位置B，并通过所述经向激光测角系统与纬向激光测角系统分别获取转台所转过的经角与纬角；

步骤3.1、令所述圆环状旋转盘上的第一个激光干涉仪的光路垂直瞄准于所述多面棱镜的工作表面，令第二个激光干涉仪的光路垂直瞄准于所述左侧多面棱镜的工作表面，令第三个激光干涉仪的光路垂直瞄准于所述右侧多面棱镜的工作表面；同时启动第一个激光干涉仪、第二个激光干涉仪以及第三个激光干涉仪，待三个激光干涉仪的示值稳定后，向所述被测目标处的标靶方向旋转所述经向转台与纬向转台，使得所述激光器的光斑打在所述标靶上；

步骤3.2、在所述经向转台旋转过程中，所述第一个激光干涉仪测量出所述多面棱镜的径向位移变化值Δx₁，并根据式(1)求出所述经向转台绕所述多面棱镜转过的经角

式(1)中：L₁为第一个激光干涉仪的光学系统固定值；

步骤3.3、根据式(2)求出当经向转台绕所述多面棱镜转过第n个工作角后，所述激光器转过的经角

式(2)中，表示所述多面棱镜的第n个工作表面的工作角；

步骤3.4、在所述纬向转台旋转过程中，所述第二个激光干涉仪测量出与左旋转机构共同旋转的左侧多面棱镜的径向位移变化值Δx₂，从而根据式(3)求出所述左旋转机构上多面棱镜转过的纬角Δθ_L1：

式(3)中：L₂为第二个激光干涉仪的光学系统固定值；

步骤3.5、在所述纬向转台旋转过程中，所述第三个激光干涉仪测量出与右侧旋转机构共同旋转的右侧多面棱镜的径向位移变化值Δx₃，从而根据式(4)求出所述右侧旋转机构上多面棱镜转过的纬角Δθ_L2：

式(4)中：L₃为第三个激光干涉仪的光学系统固定值；

步骤3.6、根据式(5)求出当左侧旋转机构上的多面棱镜转过第n个工作角后的纬角θ_L1：

θ_L1＝θ_nL1+Δθ_L1 (5)

式(5)中：θ_nL1为多面棱镜的第n个工作表面的工作角；

步骤3.7、根据式(6)求出当右侧旋转机构上的多面棱镜转过第n个工作角后的纬角θ_L2：

θ_L2＝θ_nL2+Δθ_L2 (6)

式(6)中：θ_nL2为多面棱镜的第n个工作表面的工作角；

步骤3.8、根据式(7)得到所述纬向转台上的激光器转过的纬角θ₁：

步骤3.9、调整所述经向转台与纬向转台，使得所述激光器发射的激光打在标靶上的光电探测器的位置A处，并记录标靶的光电探测器示值x_a，从而利用式-式得到经测量结果利用式(3)-式(7)得到纬角测量结果θ_A1；

步骤3.10、微转动所述纬向转台，使得转台上的激光器发射的激光打在标靶上的光电探测器的垂直方向上的位置B处，并记录标定标靶的光电探测器示值x_B，从而利用式(3)-式(7)得到纬角测量结果θ_B1；

步骤3.11、利用式(8)求出标靶与激光器的回转中心之间的垂直距离d：

步骤3.12、利用式(9)求出标靶上位置A处与激光器的回转中心之间的距离d_A：

步骤3.13、利用式(10)求出标靶上的位置B处与激光器回转中心之间的距离d_b：

步骤4、建立空间坐标测量装置的球坐标系，并根据步骤3所得的数据，分别得到器标靶上的位置A、位置B处分别在所述测量装置坐标系下的球坐标从而得到被测目标所在位置的空间坐标。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明涉及的测量装置特征简单，易于国产化、产业化，成本可大幅降低。利用激光器作为瞄准装置可更加精准、直观地瞄准被测目标。

2、本发明中高精度光电探测器标靶作为瞄准激光的信号接收器，不仅可以配合实现空间绝对距离的测量，还可更加精准地获取瞄准点的信息，从而实现了目标位置坐标的高精度测量。

3、本发明中基于激光干涉测角法的经纬角测量系统，可以大幅提高测量装置的经纬角测量分辨率与角度测量精度，保证了角度的高精度，从而大幅提高了空间位置的坐标精度。

附图说明

图1为本发明间坐标测量装置结构示意图；

图2为本发明中间坐标测量装置经向转台及经角测量系统结构示意图；

图3为本发明中空间坐标测量装置中激光器发射激光到标靶的示意图；

图4为本发明中空间坐标测量装置球坐标系下标靶位置坐标示意图；

图中标号：1间坐标测量装置，2高精度光电探测器标靶，21经向转台，22纬向转台，23纬向转台左侧支撑与旋转机构，24纬向转台右侧支撑与旋转机构，31激光器，3水平仪，41经向角度测量激光干涉仪，42左侧纬向角度测量激光干涉仪，43右侧纬向角度测量激光干涉仪，51经向角度测量多面棱镜，52左侧纬向角度测量多面棱镜，53右侧纬向角度测量多面棱镜，211经向转台底座，212经向转台旋转盘，213经向转台电机，214支撑台。

具体实施方式

下面结合实施例、附图对本发明的用于空间装配位置绝对坐标测量的大量程高精度空间装配位置绝对坐标测量系统及测量方法做出详细说明。

本实施例中，如图1、图2所示，一种空间坐标测量装置，其经向转台21是在底座211上设置有圆环状旋转盘212；底座211固定不动，并在其内部设置有由电机213驱动的旋转机构；在圆环状旋转盘212上布置激光干涉仪51、激光干涉仪52、激光干涉仪53，在圆环状旋转盘212的内环镂空处布置有支撑台214，并使支撑台214与底座211的旋转中心是同轴固定；在支撑台214上安装有同轴固定的多面棱镜51，并与激光干涉仪41构成经向激光测角系统；

在圆环状旋转盘212的上方布置纬向转台22；纬向转台22包括：左、右支撑、左旋转机构23、右旋转机构24、旋转轴、转台；将左、右支撑对称设置在圆环状旋转盘212上，在左、右支撑的外侧分别通过转轴设置有左旋转机构23、右旋转机构24，并分别由左、右电机驱动；

在左支撑与左旋转机构23之间的转轴上设置有左侧多面棱镜52，在右支撑与右旋转机构24之间的转轴上设置有右侧多面棱镜53；左侧多面棱镜52、右侧多面棱镜53分别与激光干涉仪42、激光干涉仪43共同构成纬向激光测角系统；在左、右支撑之间设置有转台，并在转台的中央处放置有激光器31。

本实施例中，一种空间坐标测量装置的测量方法是按如下步骤进行：

步骤1、在测量装置上激光器31的光路上放置有被测目标，在圆环状旋转盘212上放置水平仪3，并记录水平仪3的第一角度示值，然后，将水平仪3再放置于转台上，并记录第二角度示值；

步骤2、将水平仪3再放置于被测目标处，并记录水平仪3的第三角度示值，然后，在水平仪3上放置具有高精度光电探测器的标靶2，最后，根据第三角度示值，调整标靶2的角度，使得第三角度示值与第二角度示值相同，以使得标靶2与转台的水平面互相垂直；

步骤3、如图3所示，使测量装置上的激光器31瞄准标靶上的位置A、B，并通过测量装置的经向激光测角系统与纬向激光测角系统分别获取转台所转过的经角与纬角；

步骤3.1、令圆环状旋转盘212上的第一个激光干涉仪41的光路垂直瞄准于多面棱镜51的工作表面，令第二个激光干涉仪42的光路垂直瞄准于左侧多面棱镜52的工作表面，令第三个激光干涉仪43的光路垂直瞄准于右侧多面棱镜53的工作表面；同时启动第一个激光干涉仪41、第二个激光干涉仪42以及第三个激光干涉仪43，待三个激光干涉仪的示值稳定后，向被测目标处的标靶2方向旋转经向转台21与纬向转台22，使得激光器31的光斑打在标靶2上；

步骤3.2、在经向转台21旋转过程中，第一个激光干涉仪41测量出多面棱镜51的径向位移变化值为Δx₁＝0.2mm，激光干涉仪41光学系统固定值为L₁＝2mm，则根据式(1)可求出经向转台(21)绕多面棱镜(51)转过的经角

步骤3.3、观察记录到此时经向转台21绕所述多面棱镜51转过了第1个工作表面，第1个工作表面的对应角度为则根据式(2)求出经向转台21绕所述多面棱镜51转过第1个工作角后，激光器31转过的经角/>

步骤3.4、在纬向转台22旋转过程中，第二个激光干涉仪42测量出与左侧转轴23共同旋转的多面棱镜52的径向位移变化值为Δx₂＝0.1mm，激光干涉仪42光学系统固定值L₂＝2mm，则根据式(3)求出所述左旋转机构(23)上多面棱镜52转过的纬角Δθ_L1：

步骤3.5、在纬向转台22旋转过程中，第三个激光干涉仪43测量出与右侧旋转机构24共同旋转的右侧多面棱镜53的径向位移变化值为Δx₃＝0.1mm，激光干涉仪43光学系统固定值L₃＝2mm，从而根据式(4)求出所述右侧旋转机构24上多面棱镜(53)转过的纬角Δθ_L2：

步骤3.6、观察记录到此时经向转台22绕所述多面棱镜52转过了第1个工作表面，第1个工作表面的对应角度为θ_1L1＝10°，则根据式(5)求出当左侧旋转机构23上的多面棱镜52转过第1个工作角后的纬角_L1：

θ_L1＝θ_TL1+Δθ_L1＝12°51′58″ (5)

步骤3.7、观察记录到此时经向转台22绕所述多面棱镜53转过了第1个工作表面，第1个工作表面的对应角度为θ_1L2＝10°，则根据式(6)求出当右侧旋转机构24上的多面棱镜53转过第1个工作角后的纬角θ_L2：

θ_L2＝θ_TL2+Δθ_L2＝12°51′58″ (6)

步骤3.8、最后，根据式(7)得到所述纬向转台22上的激光器31转过的纬角θ₁：

步骤3.9、调整所述经向转台21与纬向转台22，使得所述激光器31发射的激光打在标靶2上的光电探测器的位置A处，并记录到此时标靶2的光电探测器示值为x_a＝1.115255mm，从而利用式(1)-式(2)得到经测量结果为利用式(3)-式(7)得到纬角测量结果为θ_A1＝5°10'25”；

步骤3.10、微转动所述纬向转台22，使得转台上的激光器31发射的激光打在标靶2上的光电探测器的垂直方向上的位置B处，并记录到此时标定标靶4的光电探测器示值为x_B＝12.134245mm，从而利用式(3)-式(7)得到纬角测量结果为θ_B1＝5°28'37”；

步骤3.11、利用式(8)求出标靶2与激光器31的回转中心之间的垂直距离d：

步骤3.12、利用式(9)求出标靶2上位置A处与激光器31的回转中心之间的距离d_A：

步骤3.13、利用式(10)求出标靶2上的位置B处与激光器31回转中心之间的距离d_b：

步骤4、如图4所示，建立空间坐标测量装置的球坐标系，并根据步骤3所得的数据，分别得到器标靶2上的位置A、位置B处分别在所述测量装置坐标系下的球坐标A(2074.132737,61°22'36”,5°10'25”)、B(2075.155455,61°22'36”,5°28'37”)，从而得到被测目标所在位置的空间坐标。最后重复步骤2和步骤3，便可完成对多个目标的空间位置坐标测量。

本发明的空间坐标测量装置及测量方法涉及的测量装置特征简单，易于国产化、产业化，成本可大幅降低。利用激光器作为瞄准装置可更加精准、直观地瞄准被测目标。本发明中设计的高精度光电探测器标靶作为瞄准激光的信号接收器，不仅可以配合实现空间绝对距离的测量，还可更加精准地获取瞄准点的信息，从而实现目标位置坐标的高精度测量。本发明中基于激光干涉测角法设计的的经纬角测量系统，可以大幅提高测量装置的经纬角测量分辨率与角度测量精度，保证角度的高精度，从而大幅提高了空间位置的坐标精度。

Claims (2)

1.一种空间坐标测量装置，其特征在于，包括：经向转台(21)、纬向转台(22)、激光器(31)；

所述经向转台(21)是在底座(211)上设置有圆环状旋转盘(212)；其中，所述底座(211)固定不动，并在其内部设置有由电机(213)驱动的旋转机构；

在所述圆环状旋转盘(212)上布置有若干个激光干涉仪，在所述圆环状旋转盘(212)的内环镂空处设置有支撑台(214)，且所述支撑台(214)与底座(211)的旋转中心同轴固定；

在所述支撑台(214)上安装有同轴固定的多面棱镜(51)，并与所述激光干涉仪构成经向激光测角系统；

在所述圆环状旋转盘(212)的上方设置有所述纬向转台(22)；所述纬向转台(22)包括：左、右支撑、左旋转机构(23)、右旋转机构(24)、旋转轴、转台；

所述左、右支撑对称设置在所述圆环状旋转盘(212)上，在所述左、右支撑的外侧分别通过所述旋转轴设置有左旋转机构(23)、右旋转机构(24)，并分别由左、右电机驱动；

在左支撑与左旋转机构(23)之间的旋转轴上设置有左侧多面棱镜(52)，在右支撑与右旋转机构(24)之间的旋转轴上设置有右侧多面棱镜(53)；所述左侧多面棱镜(52)、右侧多面棱镜(53)与所述激光干涉仪共同构成纬向激光测角系统；

在所述左、右支撑之间设置有转台，并在所述转台的中央处放置有激光器(31)。

2.根据权利要求1所述的一种空间坐标测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在所述激光器(31)的光路上放置有被测目标，在所述圆环状旋转盘(212)上放置有水平仪(3)，并记录水平仪(3)的第一角度示值后，将所述水平仪(3)再放置于所述转台上，并记录第二角度示值；

步骤2、将所述水平仪(3)再放置于所述被测目标处，并记录水平仪(3)的第三角度示值，在所述水平仪(3)上放置具有高精度光电探测器的标靶(2)，然后，根据第三角度示值，调整所述标靶(2)的角度，使得所述第三角度示值与第二角度示值相同，以使得所述标靶(2)与所述转台的水平面互相垂直；

步骤3、使所述激光器(31)瞄准所述标靶(2)上的位置A、位置B，并通过所述经向激光测角系统与纬向激光测角系统分别获取转台所转过的经角与纬角；

步骤3.1、令所述圆环状旋转盘(212)上的第一个激光干涉仪(41)的光路垂直瞄准于所述多面棱镜(51)的工作表面，令第二个激光干涉仪(42)的光路垂直瞄准于所述左侧多面棱镜(52)的工作表面，令第三个激光干涉仪(43)的光路垂直瞄准于所述右侧多面棱镜(53)的工作表面；同时启动第一个激光干涉仪(41)、第二个激光干涉仪(42)以及第三个激光干涉仪(43)，待三个激光干涉仪的示值稳定后，向所述被测目标处的标靶(2)方向旋转所述经向转台(21)与纬向转台(22)，使得所述激光器(31)的光斑打在所述标靶(2)上；

步骤3.2、在所述经向转台(21)旋转过程中，所述第一个激光干涉仪(41)测量出所述多面棱镜(51)的径向位移变化值Δx₁，并根据式(1)求出所述经向转台(21)绕所述多面棱镜(51)转过的经角

式(1)中：L₁为第一个激光干涉仪(41)的光学系统固定值；

步骤3.3、根据式(2)求出当经向转台(21)绕所述多面棱镜(51)转过第n个工作角后，所述激光器(31)转过的经角

式(2)中，表示所述多面棱镜(51)的第n个工作表面的工作角；

步骤3.4、在所述纬向转台(22)旋转过程中，所述第二个激光干涉仪(42)测量出与左旋转机构(23)共同旋转的左侧多面棱镜(52)的径向位移变化值Δx₂，从而根据式(3)求出所述左旋转机构(23)上多面棱镜(52)转过的纬角Δθ_L1：

式(3)中：L₂为第二个激光干涉仪(42)的光学系统固定值；

步骤3.5、在所述纬向转台(22)旋转过程中，所述第三个激光干涉仪(43)测量出与右侧旋转机构(24)共同旋转的右侧多面棱镜(53)的径向位移变化值Δx₃，从而根据式(4)求出所述右侧旋转机构(24)上多面棱镜(53)转过的纬角Δθ_L2：

式(4)中：L₃为第三个激光干涉仪(43)的光学系统固定值；

步骤3.6、根据式(5)求出当左侧旋转机构(23)上的多面棱镜(52)转过第n个工作角后的纬角θ_L1：

θ_L1＝θ_nL1+Δθ_L1 (5)

式(5)中：θ_nL1为多面棱镜(52)的第n个工作表面的工作角；

步骤3.7、根据式(6)求出当右侧旋转机构(24)上的多面棱镜(53)转过第n个工作角后的纬角θ_L2：

θ_L2＝θ_nL2+Δθ_L2 (6)

式(6)中：θ_nL2为多面棱镜(53)的第n个工作表面的工作角；

步骤3.8、根据式(7)得到所述纬向转台(22)上的激光器(31)转过的纬角θ₁：

步骤3.9、调整所述经向转台(21)与纬向转台(22)，使得所述激光器(31)发射的激光打在标靶(2)上的光电探测器的位置A处，并记录标靶(2)的光电探测器示值x_a，从而利用式(1)-式(2)得到经测量结果利用式(3)-式(7)得到纬角测量结果θ_A1；

步骤3.10、微转动所述纬向转台(22)，使得转台上的激光器(31)发射的激光打在标靶(2)上的光电探测器的垂直方向上的位置B处，并记录标定标靶(4)的光电探测器示值x_B，从而利用式(3)-式(7)得到纬角测量结果θ_B1；

步骤3.11、利用式(8)求出标靶(2)与激光器(31)的回转中心之间的垂直距离d：

步骤3.12、利用式(9)求出标靶(2)上位置A处与激光器(31)的回转中心之间的距离d_A：

步骤3.13、利用式(10)求出标靶(2)上的位置B处与激光器(31)回转中心之间的距离d_b：

步骤4、建立空间坐标测量装置的球坐标系，并根据步骤3所得的数据，分别得到器标靶(2)上的位置A、位置B处分别在所述测量装置坐标系下的球坐标 从而得到被测目标所在位置的空间坐标。