CN117367323A - 一种空间旋转角度检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种空间旋转角度检测装置和方法，涉及旋转角度检测技术领域，该装置包括光源、光楔、位置敏感元件和自准直透镜。光源用于发出光束；光楔固定设置在待测旋转部件上，用于反射和折射光束；位置敏感元件用于接收准直光束形成的光斑的位置信息；自准直透镜设置在位置敏感元件与光楔之间，用于使光源发出的光束准直成平行的准直光束，并将光楔的反射和折射出的光束汇聚到位置敏感元件上。由于光源与位置敏感元件这种特殊的布局，使得本装置不必再使用分光镜或平面反射镜等光学元件去改变光束的传播方向，因此与目前已知的三轴测角装置相比，本装置具有结构紧凑，集成度高的优点，可以在狭小的测量条件下，实现空间三轴角度的准确测量。

Description

一种空间旋转角度检测装置和方法

技术领域

本申请涉及旋转角度检测技术领域，尤其是涉及一种空间旋转角度检测装置和方法。

背景技术

光电角度测量技术在地质勘探、测绘、建筑工程和航空航天等领域发挥着重要的作用。然而，由于物体滚转角的变化并不改变光路和光轴的倾角，因此目前关于光电角度测量的研究多集中于单轴和两轴，三轴角度测量技术并不常见。在测量物体三轴角度时，通常采用两个二轴光电自准直仪交会测量，缺点为所需空间大，校准难度高。

近年来，针对物体的三轴角度测量问题，多种解决方案被提出，其中比较典型的有下面几种。一种将莫尔条纹技术与自准直测量技术组合的三轴角度测量方法；一种基于组合目标反射器的三轴测角装置；一种基于透射光栅和组合反射镜的激光自准直三轴角度测量方法；一种利用准直光束投射点阵图进行三轴角度测量的方法等。横滚角测量的标准误差为0.39″，但由于该系统中没有应用反射镜，因此必须将整个准直单元安装在待测物体上，在待测目标体积较小时较难实现。

上述方案都具有较高的精度，但全部需要使用分光镜或平面镜改变光束传播方向达到测角目的，导致系统垂直光轴方向上的尺寸偏大、占用空间大，结构不够紧凑、无法实现高度集成等缺点，对于空间有限的测量环境，如机载光电吊舱这种测量环境空间狭小的情况，便难以完成测量任务。

发明内容

为了减小对测量环境空间的占用，本申请提供一种空间旋转角度检测装置和方法。

第一方面，本申请提供的一种空间旋转角度检测装置采用如下的技术方案：

一种空间旋转角度检测装置，包括：

光源，用于发出光束；

光楔，固定设置在待测旋转部件上，用于反射和折射准直光束；

位置敏感元件，用于接收准直光束形成的光斑的位置信息；以及

自准直透镜，设置在位置敏感元件与光楔之间，用于使光源发出的光束准直成平行的准直光束，并将光楔反射和折射出的光束汇聚到位置敏感元件上；

其中，所述位置敏感元件和光源均设置在自准直透镜的焦平面上。

进一步的技术方案在于，所述光源为激光光源。

进一步的技术方案在于，所述位置敏感元件包括第一位置敏感探测器和第二位置敏感探测器，所述第一位置敏感探测器和第二位置敏感探测器以光源为中心对称布置。

进一步的技术方案在于，所述光楔为双面反射光楔，所述光楔的前表面镀有部分反射膜，所述光楔的后表面镀有全反射膜；所述光楔的前表面即为光楔朝向所述光源的端面。

进一步的技术方案在于，所述部分反射膜性质为35％～41％光线反射，59％～65％光线透射。

进一步的技术方案在于，所述位置敏感元件为圆形或矩形，所述准直光束所形成的光斑面积小于所述位置敏感元件感光面积的二十分之一。

进一步的技术方案在于，所述第一位置敏感探测器中心点与第二位置敏感探测器中心点之间的连线平行于所述光楔前端面法线与光楔后端面法线所确定的平面。

第二方面，本申请提供的一种空间旋转角度检测方法采用如下的技术方案：

一种空间旋转角度检测方法，应用于如第一方面中任一项空间旋转角度检测装置，其特征在于，该方法包括：

列出光楔在空间坐标中初始状态下的射出光线的向量坐标；所述射出光线包括光楔反射出的光线和从光楔中折射出的光线；

列出光楔在空间坐标中旋转a、β、γ角度后的射出光线段的向量坐标；所述a、β、γ分别为光楔在空间坐标中沿OX、OY、OZ轴线旋转的角度；

根据光楔在初始状态的射出光线段的向量坐标、光楔旋转后的射出光线段的向量坐标和自准直透镜的性质列出射出光线在位置敏感元件上的光斑变化值表达式；

根据所述光斑变化值表达式联立方程求解a、β、γ，得出光楔在空间三个方向的旋转角度。

进一步的技术方案在于，所述列出光楔在空间坐标中旋转a、β、γ角度后的射出光线段的向量坐标，具体包括：

根据入射光束向量、旋转矩阵和光楔前表面反射矩阵，列出光楔前表面反射出光束的向量坐标；

根据光楔折射率和斯涅尔定律，列出光楔前表面折射入光束的向量坐标；

根据光楔前表面折射入光束的向量坐标、光楔后表面的反射矩阵和旋转矩阵，列出光楔后表面反射入光束的向量坐标；

根据光楔后表面反射入光束的向量坐标、光楔折射率和斯涅尔定律，列出光楔前表面折射出光束的向量坐标；

其中，所述光楔前表面反射出光束的向量坐标和所述光楔前表面折射出光束的向量坐标即为光楔在空间坐标中旋转a、β、γ角度后的射出光线段的向量坐标。

进一步的技术方案在于，所述自准直透镜的性质包括自准直透镜的焦距。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

本申请通过设置光楔在待测部件上，两片位置敏感元件与光源采用共焦面摆放的形式，使光源发出的光束经过光楔的折射和反射，光束最终落在位置敏感元件上形成光斑，采集光斑在敏感元件上的变化值来分析光楔和待测部件的旋转角度。由于光源与位置敏感元件这种特殊的布局，结合光楔实现检测部件的旋转角度，使得本系统不必再使用分光镜或平面反射镜等光学元件去改变光束的传播方向，因此与目前已知的三轴测角装置相比，本装置具有结构紧凑，集成度高的优点。除此之外，由于两个光斑以光源为中心对称分布，距离较短，并满足使用位置敏感元件作为探测器的条件，因此，本装置可以在狭小的测量条件下，实现空间三轴角度的测量。

附图说明

图1是本申请实施例的测量原理示意图；

图2是本申请实施例的光线变化例举示意图；

图3是光楔在初始状态下，两片位置敏感元件上的光斑位置示意图；

图4是光楔转动后位置敏感元件上L2光束对应光斑的位置变化示意图；

图5是光楔转动后位置敏感元件上L6光束对应光斑的位置变化示意图。

附图标记：1、第一位置敏感探测器；2、第二位置敏感探测器；3、光源；4、自准直透镜；5、光楔。

具体实施方式

以下结合附图对本申请中的技术方案作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种空间旋转角度检测装置。该装置包括自准直测量单元和光楔5，自准直测量单元包括光源3、位置敏感元件和自准直透镜4。

其中，光源3采用激光光源3，用于朝向光楔5发出光束；光楔5固定设置在待测旋转部件上，用于反射和折射光束；位置敏感元件用于接收准直光束形成的光斑的位置信息；自准直透镜4设置在位置敏感元件与光楔5之间，用于使光源3发出的光束准直成平行的准直光束，并将光楔反射和折射出的光束汇聚到位置敏感元件上。其中，位置敏感元件和光源3均设置在自准直透镜4的焦平面上。

具体地，位置敏感元件即为PSD位置传感器，是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器。PSD位置传感器可称为坐标光电池，它是一种非分割型器件，可将光敏面上的光点位置转化为电信号。位置敏感元件设置有两个，包括第一位置敏感探测器1和第二位置敏感探测器2，第一位置敏感探测器1和第二位置敏感探测器2以光源3为中心对称布置，即第一敏位置感探测器1和第二位置敏感探测器2分别设置在光源3的两侧，用于探测从光楔5中反射和折射出的光束所形成的光斑位置。

光楔5为双面反射光楔5，光楔5的前表面镀有部分反射膜，光楔5的后表面镀有全反射膜；光楔5的前表面即为光楔5朝向光源3的端面。更为具体地，部分反射膜性质为35％～41％光线反射，59％～65％光线透射，这样可使第一位置敏感探测器1和第二位置敏感探测器2上的光斑能量趋于一致。部分反射膜性质为38％光线反射，62％光线透射时，第一位置敏感探测器1和第二位置敏感探测器2上的光斑能量最为接近，从而可在位置敏感元件采集光斑位置时具有较高的准确度。

位置敏感元件为圆形或矩形，用于尽可能捕捉光楔5反射和折射出的光束，减少光束脱离位置敏感原件的现象；准直光束所形成的光斑面积小于位置敏感元件感光面积二十分之一，可在光楔5在一定范围内转动时使第一位置敏感探测器1和第二位置敏感探测器2能够捕捉反射光束和折射光束的光斑位置。

光楔5在初始状态时，第一位置敏感探测器1中心点与第二位置敏感探测器2中心点之间的连线平行于光楔前端面法线与光楔后端面法线所确定的平面。这样可保证从光楔5反射和折射出的光束所形成的光斑准确落在第一位置敏感探测器1和第二位置敏感探测器2上。

本实施例中，双面反射光楔5直径为13mm，厚度为7mm，楔角为11.86度，材料为BK7(硼硅酸盐冕玻璃)，BK7的折射率为1.5168，前表面镀38％反射、62％透射膜，后表面镀全反射膜。

第一位置敏感探测器1和第二位置敏感探测器2均为S5991型二维探测器，其像面最大为9mm×9mm，设置在自准直镜头焦平面处，第一位置敏感探测器1和第二位置敏感探测器2之间预留4mm空隙，用于放置光源3。

光源3为波长940nm激光光源3，位于两片位置敏感探测器之间；光源3发出的光束经过自准直镜头准直之后的准直光束直径小于4mm。

自准直透镜4设置有三片，组合形成准直镜头，每片自准直透镜4的直径为26mm，焦距为30mm，有效接收视场为40°，出射光平行度优于0.1°。

光源3、两个位置敏感元件和准直镜头安装在一外壳内，其中外壳的尺寸(长*宽*高)是50*50*53mm。

本申请实施例的实施原理为：

在进行测量之前，首先将自准直测量单元固定在一壳体内或基座上，将光楔5固定在待测量的旋转部件上。本实施例中，基座与待测旋转部件距离为67mm。然后，调整自准直测量单元与光楔5中心对齐，位置调整好后，自准直测量单元通电使光源3发出光束，经自准直透镜4后出射准直光束，光束照射到光楔5前表面时，一部分光束直接发生反射，按照图1中所示的光路路径L1-L2-L3的顺序聚焦到第二位置敏感探测器2；剩余部分会发生折射进入到光楔5内部，经过光楔5后表面反射并从光楔5的前表面折射出，按照图1中所示的光路路径L1-L4-L5-L6-L7的顺序聚焦到第一位置敏感探测器1。通过解算两个光斑的位置信息，从而可在狭小的测量环境下，计算出待测旋转部件的角度信息。

在此将本申请与现有的检测设备进行对比:

现有设备1：现有技术1提供一种使用传统自准直仪的基本内部结构，仅使用非标准角锥棱镜代替平面反射镜的三轴角度测量方法。该结构与本申请中的结构尺寸对比见表1。

表1与现有设备1的参数对比

现有设备1的设备尺寸偏大，且现有设备1中，光斑探测器使用的大靶面CMOS相机，在一些对数据更新频率要求较高的使用环境下(比如为视轴稳定伺服控制提供反馈信号)，大靶面CMOS相机便不再适用。

现有设备2：现有设备2提供一种基于组合目标反射器的三轴测角装置，该装置与本申请中的结构尺寸对比见表2。

表2与现有设备2的参数对比

现有设备2的结构组成中，还包括1个光源、7个反射元件、5个准直元件、2个分光元件和2个位置探测元件，该设备的测量范围为±0.055°。

现有设备3：现有设备3提出一种基于透射光栅和组合反射镜的激光自准直三轴角度测量方法，该方法所采用的装置长度至少为200mm，元器件包括3片PSD、1分光棱镜、3个准直透镜和1个组合反射镜，尺寸结构偏大，测量时需要采用两个二轴光电自准直仪交会测量，需要的空间大，且需要解算三条光路进行解算，解算原理复杂。

现有设备4：现有设备4提出将莫尔条纹技术与自准直测量技术组合的三轴角度测量方法，该方法在轴向上需要采用三个分光镜改变光线的传播方向，造成轴向尺寸偏大，大约在200mm。该方法测量范围在±0.27°，测量误差为5″。而且该方法需要用到滤光片、光阑、不同颜色的光源，同样在解算中存在光路复杂的缺点。

与现有设备相比，本申请中，两个光斑以光源为中心对称分布，且随着光楔的旋转，两个光斑的位置始终具有一定距离，满足使用PSD的作为图像探测器的条件，与大靶面CMOS相机相比，PSD采样速度高，数据后处理简单，本申请中采用的PSD的采样频率可达1kHz，远远大于使用大靶面CMOS相机作为图像探测器的采样频率(大靶面CMOS相机的采样频率通常低于100Hz)，适用环境更广泛。本申请采用光楔作为反射镜，可将光源与两片PSD同焦平面布置，因此无需将光源布置在垂置光轴的方向，且无需使用分光镜，从而可达到结构紧凑、尺寸更小、集成度高的效果。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

本申请实施例还公开了一种空间旋转角度检测方法，应用于如前述的空间旋转角度检测装置，主要是通过分析光楔5初始状态的各段光束路径的向量坐标和光楔5旋转后的各段光束的向量表达式，并经过分析计算后，得出待检测部件的旋转角度。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。

本发明实施例提供一种空间旋转角度检测方法，所述方法的主要流程描述如下。

为了便于表述，本实施例将光束的行进路径由L1～L7表示，如图1所示：

步骤S1：列出光楔5在空间坐标中旋转a、β、γ角度后的射出光线的向量坐标；所述射出光线包括光楔5反射出的光线和从光楔5中折射出的光线。

其中，a、β、γ分别为光楔5在空间坐标中沿OX、OY、OZ轴线旋转的角度。列出光楔5在空间坐标中旋转a、β、γ角度后的射出光线段的向量坐标，具体包括以下步骤：

步骤S11：根据入射光束向量坐标、旋转矩阵和光楔5前表面反射矩阵，列出光楔5前表面反射出光束的向量坐标。

其中，入射光束向量坐标为光束路径L1的向量坐标；光楔5前表面反射出光束的向量坐标即为光束路径L2的向量坐标。

光束路径L2的向量坐标A₂可表达为：

A₂＝M_r·M₁·M_r ^T·A₁ (1)

式(1)中，A₁为入射光向量坐标，具体为A₁＝[0 -1 0]^T，M_r为旋转矩阵，具体为：

式(2)中，a、β、γ分别为光楔5在空间坐标中沿OX、OY、OZ轴线旋转的角度。

M₁为光楔5前表面的反射矩阵，具体为：

式(3)中，d为光楔5前表面与空间坐标中XOZ平面的夹角。

将入射光向量坐标A₁以及式(2)和式(3)带入式(1)中，可得出光楔5前表面反射出光束L2的向量坐标A₂为：

步骤S12：根据光楔5折射率和斯涅尔定律，列出光楔5前表面折射入光束的向量坐标。

其中，光楔5前表面折射入光束的向量坐标即为光束路径L4的向量坐标A₄，可表示为：

式(5)中，n₁、n₂分别为空气和光楔5材料的折射率，N₁′为光楔5旋转后前表面的法向量，具体为：

步骤S13：根据光楔5前表面折射入光束的向量坐标、光楔5后表面的反射矩阵和旋转矩阵，列出光楔5后表面反射入光束的向量坐标。

其中，光楔5后表面反射入光束的向量坐标即为光束路径L5的向量坐标A₅，可表示为：

A₅＝M_r·M₂·M_r ^T·A₄ (7)

式(7)中，M₂为光楔5后表面的反射矩阵，具体为：

步骤S14：根据光楔5后表面反射入光束的向量坐标、光楔5折射率和斯涅尔定律，列出光楔5前表面折射出光束的向量坐标。

其中，光楔5前表面折射出光束的向量坐标即为光束路径L6的向量坐标A₆，可表示为：

式(9)中，N₂'为光楔5旋转后前表面的法向量，具体为：

步骤S11和步骤S14中所述的光楔5前表面反射出光束的向量坐标和所述光楔5前表面折射出光束的向量坐标，即为步骤S1中所述的光楔5在空间坐标中旋转a、β、γ角度后的射出光线段的向量坐标。

步骤S2：列出光楔5在空间坐标中初始状态下的射出光线的向量坐标。

其中，光楔5反射出的光线即为图1中L2光束段，从光楔5中折射出的光线即为图1中L6光束段。光束L2的向量坐标A₂'为：

式中，A₂'为光束L2的向量坐标；M₁为光楔5前表面的反射矩阵，即为式(3)；A₁为入射光向量坐标，具体为A₁＝[0 -1 0]^T，d为光楔5前表面与空间坐标中XOZ平面的夹角。

光束L6的向量坐标可参照步骤S11～步骤S14的方法推出，光束L6的向量坐标A₆'具体由下式表示：

式中，A₆'为光束L6的向量坐标；n₁为空气的折射率；n₂为光楔5材料的折射率；A₅'为光束L5的向量坐标；N₂为光楔5在初始状态下的前表面法向量，具体为：

在实际检测过程中，光束L2和光束L6对应光斑分别在第一位置敏感探测器1和第一位置敏感探测器2上的初始位置如图3所示。

步骤S3：根据光楔5在初始状态的射出光线段的向量坐标、光楔5旋转后的射出光线段的向量坐标和自准直透镜4的性质列出射出光线在位置敏感元件上的光斑变化值表达式。

其中，自准直透镜4的性质包括自准直透镜4的焦距。请参照图2，以光束L2为例，光束L2在初始状态时的向量为x₂'、y₂'、z₂'，L2发生转动后，其向量坐标变化为x₂、y₂、z₂，光束L2成像在第一位置敏感探测器1的像面上。图2中，在空间坐标中ZOY平面内转动后，其与y轴夹角发生变化，同时光束L2对应的光斑在OZ方向上与坐标原点的距离产生变化，由此可知：

tana＝z/f (14)

式中，f为自准直透镜4的焦距。

由式(14)可知：

光束L2在初始状态时，位于位置敏感元件上的光斑位置为

光束L2旋转移动后，位于位置敏感元件上的光斑位置为

因此，光束L2对应光斑在第一位置敏感探测器1上z方向的变化值即为：

同理，光束L2对应光斑在第一位置敏感探测器1上x方向的变化值为：

在实际检测过程中，光束L2对应光斑在第一位置敏感探测器1上的变化值ΔZ₂和ΔX₂如图4所示。

由式(14)可知：

光束L6对应光斑在第二位置敏感探测器2上z方向和x方向的变化值分别为：

在实际检测过程中，光束L6对应光斑在第二位置敏感探测器2上的变化值ΔZ₆和ΔX₆如图5所示。

步骤S4：根据所述光斑变化值表达式联立方程求解a、β、γ，得出光楔5在空间三个方向的旋转角度。

其中，光斑变化值表达式即为式(15)～式(18)，将步骤S1和步骤S2中求得的射出光线原始状态向量坐标以及旋转移动后的向量坐标带入式(15)～式(18)，联立方程并求解，得出a、β、γ的值，即得出待测部件在空间上的旋转角度。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种空间旋转角度检测装置，其特征在于，包括：

光源，用于发出光束；

光楔，固定设置在待测旋转部件上，用于反射和折射准直光束；

位置敏感元件，用于探测准直光束形成的光斑的位置信息；以及

自准直透镜，设置在位置敏感元件与光楔之间，用于使光源发出的光束准直成平行的准直光束，并将光楔反射和折射出的光束汇聚到位置敏感元件上；

其中，所述位置敏感元件和光源均设置在自准直透镜的焦平面上。

2.根据权利要求1所述的一种空间旋转角度检测装置，其特征在于：所述光源为激光光源。

3.根据权利要求1所述的一种空间旋转角度检测装置，其特征在于：所述位置敏感元件包括第一位置敏感探测器和第二位置敏感探测器，所述第一位置敏感探测器和第二位置敏感探测器以光源为中心对称布置。

4.根据权利要求3所述的一种空间旋转角度检测装置，其特征在于：所述光楔为双面反射光楔，所述光楔的前表面镀有部分反射膜，所述光楔的后表面镀有全反射膜；所述光楔的前表面即为光楔朝向所述光源的端面。

5.根据权利要求4所述的一种空间旋转角度检测装置，其特征在于：所述部分反射膜性质为35％～41％光线反射，59％～65％光线透射。

6.根据权利要求3所述的一种空间旋转角度检测装置，其特征在于：所述位置敏感元件为圆形或矩形，所述准直光束所形成的光斑面积小于所述位置敏感元件感光面积的二十分之一。

7.根据权利要求6所述的一种空间旋转角度检测装置，其特征在于：所述第一位置敏感探测器中心点与第二位置敏感探测器中心点之间的连线平行于所述光楔前端面法线与光楔后端面法线所确定的平面。

8.一种空间旋转角度检测方法，应用于如权利要求1～7中任一项空间旋转角度检测装置，其特征在于，该方法包括：

列出光楔在空间坐标中初始状态下的射出光线的向量坐标；所述射出光线包括光楔反射出的光线和从光楔中折射出的光线；

列出光楔在空间坐标中旋转a、β、γ角度后的射出光线段的向量坐标；所述a、β、γ分别为光楔在空间坐标中沿OX、OY、OZ轴线旋转的角度；

根据光楔在初始状态的射出光线段的向量坐标、光楔旋转后的射出光线段的向量坐标和自准直透镜的性质列出射出光线在位置敏感元件上的光斑变化值表达式；

根据所述光斑变化值表达式联立方程求解a、β、γ，得出光楔在空间三个方向的旋转角度。

9.根据权利要求8所述的一种空间旋转角度检测方法，其特征在于：所述列出光楔在空间坐标中旋转a、β、γ角度后的射出光线段的向量坐标，具体包括：

根据入射光束向量坐标、旋转矩阵和光楔前表面反射矩阵，列出光楔前表面反射出光束的向量坐标；

根据光楔折射率和斯涅尔定律，列出光楔前表面折射入光束的向量坐标；

根据光楔前表面折射入光束的向量坐标、光楔后表面的反射矩阵和旋转矩阵，列出光楔后表面反射入光束的向量坐标；

根据光楔后表面反射入光束的向量坐标、光楔折射率和斯涅尔定律，列出光楔前表面折射出光束的向量坐标；

其中，所述光楔前表面反射出光束的向量坐标和所述光楔前表面折射出光束的向量坐标即为光楔在空间坐标中旋转a、β、γ角度后的射出光线段的向量坐标。

10.根据权利要求8所述的一种空间旋转角度检测方法，其特征在于：所述自准直透镜的性质包括自准直透镜的焦距。