CN1240270A - 目标空间位置及姿态激光跟踪测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光精密测量技术领域,本系统包括由一个以上反射镜组成并固定于被测的运动目标之上的目标反射镜组合,由一个以上跟踪站组成的跟踪站群,激光测距系统,计算机控制与数据采集处理系统及实时反馈控制跟踪系统及软件组成。采用多站纯距离法和单站角度距离法激光跟踪测量系统使得测量的范围扩大(大于120°),可以实现运动目标空间坐标、速度、加速度以及全姿态的实时测量。

Description

目标空间位置及姿态激光跟踪测量系统及其测量方法

本发明属于激光精密测量技术领域，特别涉及激光跟踪运动目标空间位置与姿态测量的方法与系统设计。

工业中位置坐标测量仪器主要有三坐标测量机(CMM)、电子经纬仪跟踪站、全站仪极坐标测量系统以及数字摄像测量系统。它们的坐标计算原理分别为：CMM采用测长系统直接输出，电子经纬仪跟踪站采用空间三角法，全站仪极坐标测量系统采用极坐标法，数字摄象系统采用视觉变换和坐标变换。但CMM的测量范围有限(一般不超过2m)，电子经纬仪工作站的测量精度随测量距离增加而下降，全站仪在近距离时测量精度低，而数字摄象系统的测量精度受背景光及光源位置的影响。而且上述各方法均为静态或极低速的测量。因此，近年来国内外的几何量计量测试工作者积极研究激光跟踪测量系统以测量运动目标的位置坐标。目前通常采用激光干涉法和三角法测量技术。该方法采用激光作为光源，在被测目标上安置光学反射镜，通过激光束不间断地跟踪反射镜来实时测量被测目标的位置坐标。

对于工业领域内运动目标姿态测量的研究，目前基本上仅限于标定机器人终端执行器的姿态，而且传统的姿态测量手段要求机器人处于静态或较低速的运动状态下，采用多个测长传感器(千分表)静态标定机器人手臂的姿态，近来有人采用视觉CCD主动摄象方法测量运动目标的姿态，采用一个跟踪站，使用角隅棱镜作为目标反射镜，并通过CCD摄象器件测量角隅棱镜的三个棱之间的夹角计算目标的姿态。由于角隅棱镜的有效工作角小于±20°，CCD器件的转换速率较低，因此只能适用于小范围内、较低速低精度的姿态测量。

本发明的目的在于为克服传统位置及姿态测量装置的不足之处，提出一种目标空间位置及姿态激光跟踪测量系统及其测量方法，采用多站纯距离法和单站角度距离法分别跟踪测量了三维运动目标的空间坐标。使得测量对象的范围扩大(大于120°)，并可以实现快速运动对象空间位置、速度、加速度以及全姿态的实时测量。

本发明提出一种运动目标空间位置与姿态的激光跟踪测量系统，包括目标反射镜、由二维伺服跟踪系统、光电检测系统、反馈控制跟踪系统所组成的跟踪站及安装其上的激光测距系统、以及与跟踪站相连的计算机控制与数据采集处理系统；其特征在于，所说的目标反射镜由固定于被测的运动目标之上的一个以上反射镜组成的组合目标反射镜组，各反射镜按适合于姿态测量的一定空间位置关系分布；所说的跟踪站为由一个以上跟踪站构成的跟踪站群；所说的计算机控制与数据采集处理系统包括计算机及其接口及转换电路，以及存储在所说的计算机中的跟踪控制算法软件、被测目标参数的计算软件。

本发明所说的组合目标反射镜组可由平面反射镜、实心角隅棱镜、空心角隅棱镜或“猫眼”反射镜等类型的逆反射镜的一种或多种组合。

所说的激光测距系统可以是激光双频长度测量干涉仪、激光测距仪、绝对距离激光测距仪之一种；其出射光线与入射光线同路或有固定偏移量。

所说的二维伺服跟踪系统，可包括跟踪轴架、跟踪镜以及驱动执行元件；跟踪轴架两轴垂直、正交或不正交；轴上安装有实时地测量出轴的转角的编码器；驱动执行元件可为直流伺服电机、交流伺服电机、步进伺服电机或其它类型的揉性机构之一种，所说的跟踪镜安装在两轴旋转跟踪架上，由跟踪架带动跟踪镜作二维旋转运动，所说的驱动执行元件，装在跟踪轴架上，驱动跟踪轴架旋转。

所说的光电检测系统，可包括光学分束器件、光电探测器与光电转换电路；该光电探测器采用CCD、四象限光电池或PSD器件之一种；由目标镜返回的部分光束经光学元件后由光电探测器接收并由光电转换电路转换成电信号。该光学分束器件的透过率和反射率可具有各种透反比。

所说的反馈控制跟踪系统，可包括经电路连接的硬件的控制电路、功率放大电路及其保护电路；该硬件的控制电路可包括测速反馈、位置反馈以及电流反馈电路，或者它们的组合；光电探测器输出信号，经放大处理送入反馈控制跟踪系统，产生偏差信号和驱动信号，通过接口驱动电机等驱动执行元件做二维旋转运动。

所说的接口及转换电路可包括并行或串行的硬件接口电路、A/D转换器和D/A转换器。

所说的跟踪控制算法软件可采用传统的模拟或数字PID控制算法、自适应预测控制算法或模糊逻辑控制算法编制而成。

本发明提出一种采用上述系统的测量方法，其特征在于包括：目标的跟踪以及目标姿态的测量两部分，所说目标跟踪由以下步骤所组成：

(1)将目标反射镜组刚性固定于被测对象上，并由被测对象带动作相应的运动；

(2)将目标反射镜组置于跟踪系统的跟踪空间范围内，在目标静止时，人为调整光电探测系统的误差输出信号为零，并跟踪上目标；也可以使跟踪系统工作在搜索模式下，自动寻找目标；

(3)当系统找到目标后，控制器根据误差信号的大小和方向，驱动伺服系统作相应的跟踪旋转运动；

(4)当目标丢失时，目标镜回到初始位置，或由新的位置开始，由系统跟踪上目标；

所说目标姿态的测量由以下步骤组成：

(5)预先标定出目标镜之间的几何位置尺寸；

(6)预先标定出各跟踪站之间的位置关系，包括各跟踪站间的坐标、各跟踪站坐标系间的变换关系以及各跟踪站到目标的初始距离；

(7)跟踪站测量出对应目标在采样点的角度或距离信息，计算出目标的坐标，并将坐标转换到同一坐标系下，修正各种测量误差后，分别计算出目标在主站坐标系以及目标自身坐标系下的姿态。

所说的跟踪站测量坐标可采用角度-距离法：包括每个跟踪站分别测量跟踪镜饶两个垂直轴方向的旋转角以及跟踪站到目标的距离值，利用极坐标法计算目标的坐标，再通过齐次坐标变换，将各个跟踪站的数据转换到同一坐标系下，并计算出目标的姿态。

所说的跟踪站测量坐标还可采用纯距离法：包括每个跟踪站仅测量目标到跟踪站的距离变化量，通过冗余设计，用自标定法计算出系统的几何参数，通过测点冗余，定义目标评价函数，通过解算非线性方程组求得目标的坐标，再用坐标变换，使测量数据联系起来，并计算目标在不同坐标系下的姿态。

本发明的测量原理如下：

多个跟踪站分别跟踪测量多个目标镜组合，测量系统分别采用极坐标法和多边法计算目标的坐标，定义不同的坐标系，并采用齐次坐标变换，实现不同跟踪站坐标系间的变换，然后计算目标在不同坐标系下的姿态。

测距激光器发出的激光束射到被测目标反射镜后平行返回，经过分束器后被分成两束，一束作为测量信号与干涉仪的参考信号叠加，测量目标的距离变化量，另一束光被反射到位置探测器上，作为跟踪误差信号，控制伺服系统作相应的旋转运动。

采用角度距离法跟踪测量系统，利用极坐标法计算目标坐标，需要测量跟踪镜饶两个垂直旋转轴的转角以及目标到跟踪站中心的距离(预先标定初始距离)；采用纯距离法跟踪测量系统，利用多边法计算目标的坐标，仅测量跟踪站中心到目标的距离(预先自标定初始距离及跟踪站的位置，定义为系统几何参数的自标定)。计算出目标的位置坐标后，由运动学关系可以计算出目标的速度、加速度分别为 $v_i=\frac{X_i\left(t\right)-X_{i-1}\left(t\right)}{\mathrm{\ΔT}}$ $a_i=\frac{v_i\left(t\right)-v_{i-1}\left(t\right)}{\mathrm{\ΔT}}=\frac{X_i\left(t\right)-2X_{i-1}\left(t\right)+X_{i-2}\left(t\right)}{{\mathrm{\ΔT}}^2}----\left(1\right)$

X_i(t)为目标的坐标，v_i和a_i分别为目标的瞬时速度和加速度，ΔT为采样时间间隔。

不同跟踪站坐标系间需要采用坐标变换，使跟踪站间的数据联系起来，并分别在不同的坐标系下计算目标的姿态。

本发明具有如下特点：

第一.目标反射镜采用组合形式，置于被测运动对象上，它们之间的位置刚性固定，并由加工过程来保证。目标反射镜可以为各种光学逆返器，可以是平面反射镜、实心角隅棱镜、空心角隅棱镜或“猫眼”反射镜等。

第二.跟踪站的数目为多个，对应角度距离法采用三个跟踪站，而对应纯距离法则采用六个或八个跟踪站。

第三.对应不同的跟踪站，定义了主站、辅站以及目标坐标系。不同坐标系间需要进行坐标变换，坐标变换通过跟踪系统自身的测量数据得到，而不需要借助外在的实物标准尺。

第四.目标的坐标可以由极坐标法或多边法得到，在测量出目标坐标的基础上可以进一步计算目标的速度以及加速度。将不同坐标系间的数据转换到主站坐标系下，可以分别计算出目标在主站坐标系及自身坐标系下的姿态。

第五.系统可以工作在搜索模式以及跟踪测量模式。

本发明测量范围可达0.1米到30米，目标速度可达1m/s，目标的加速度可达3g。并提出了不同跟踪站之间坐标变换的方法，建立了不同坐标系下目标姿态计算的数学模型。测量系统可用于机器人执行器(终端效应器)、大型机床上的运动部分、新型目标轴机床加工刀具的空间轨迹、火箭发射的初始姿态监测及标定等。

附图简要说明：图1为本发明一种实施例角度距离法系统构成图。图2为本实施系统的光路图。图3为本实施例坐标系间转换示意图。图4为本实施例的跟踪测量方法流程图。图5为本发明另一种实施例纯距离法系统构成图。图6为本实施例纯距离法跟踪测量时，目标坐标的确定方法示意图。

本发明提出一种运动目标空间位置与姿态的激光跟踪测量方法与系统实施例，结合图1～6对系统的构成及测量方法详细描述如下：

图1为本实施例系统一种构成示意图，采用角度距离法，测量系统由下述几部分组成：

1.目标反射镜组合4，为三个平面反射镜A、B、C，也可以为实心角隅棱镜、空心角隅棱镜或“猫眼”反射镜等各种类型的逆反器。它们之间的相互位置关系为刚性连接，并由加工过程精确保证。

2.跟踪站系统，包括三个结构相同的跟踪站1、2、3，跟踪站测量坐标的原理为极坐标法。

3.每个跟踪站是由二维伺服跟踪系统、光电检测系统、反馈控制跟踪系统所组成；能够同时实现跟踪和测量这两项功能；实现跟踪功能，需要跟踪伺服系统、光学系统、光电信号处理系统、跟踪控制软件；实现测量功能，需要两个测角传感器以及一个测长传感器，测角传感器采用高精度的编码器(分辩率优于1角秒)，测长传感器采用双频激光干涉仪(要求测量速度快，例如HP5529或同类型产品)。

4.计算机控制与数据采集处理系统。包括各种接口及转换电路，以及计算被测目标参数的算法软件。坐标系间的坐标变换算法见图3，目标空间位置和姿态的算法如下：(1)主站坐标系下目标姿态的计算方法

三个跟踪测量站1、2、3分别实时地跟踪测量A、B、C三个反射镜在各自测量系统中的坐标。测量站2和3分别测得的跟踪点B和C的坐标是基于它们自身辅站坐标系的坐标，需要经过齐次变换以得到在主站坐标下的坐标。根据A、B、C在主站坐标系下的坐标就可以计算出目标的姿态。 ${\sin \mathrm{\β}}_i=-u_{2i},{\cos \mathrm{\β}}_t=\±\sqrt{1-u_{2i}^2}----\left(2\right)$ ${\sin \mathrm{\α}}_i=\±\frac{v_{2i}}{\sqrt{1-u_{2i}^2}},{\cos \mathrm{\α}}_i=\±\frac{w_{2i}}{\sqrt{1-u_{2i}^2}}----\left(3\right)$ ${\sin \mathrm{\γ}}_i=\±\frac{u_{\mathrm{yi}}}{\sqrt{1-u_{2i}^2}},{\cos \mathrm{\γ}}_i=\±\frac{u_x}{\sqrt{1-u_{2\mathrm{ii}}^2}}----\left(4\right)$ 在测量过程中，定义0°≤α，β，γ≤180°，这样α_i，β_i，γ_i就可唯一确定。则目标在主站坐标系下的全姿态为(x_1i，y_1i，z_1i，α_i，β_i，γ_i)，i为各测量位置。(2)目标坐标系下目标的姿态计算过程

首先需要确定目标坐标系与主站坐标系间的齐次变换矩阵T_0→0’，计算出目标在目标坐标系下的坐标。为了推算主站坐标系到目标坐标系的变换矩阵T_0→0’，作了如下定义，如图1所示。 ${\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{lw}}=\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}$ ${\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{lt}}=\stackrel{\→}{O^{\′}A}=\stackrel{\→}{O}$ ${\stackrel{\→}{r}}_{2w}=\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}$ ${\stackrel{\→}{r}}_{2t}=\stackrel{\→}{O^{\′}B}=\stackrel{\→}{\mathrm{AB}}$ ${\stackrel{\→}{r}}_{3w}=\stackrel{\→}{\mathrm{OC}}$ ${\stackrel{\→}{r}}_{3t}=\stackrel{\→}{O^{\′}C}=\stackrel{\→}{\mathrm{AC}}$ ${\stackrel{\→}{r}}_{4w}=({\stackrel{\→}{r}}_{2w}-{\stackrel{\→}{r}}_{1w})\×({\stackrel{\→}{r}}_{3w}-{\stackrel{\→}{r}}_{1w})+{\stackrel{\→}{r}}_{1w}{---\stackrel{\→}{r}}_{4t}=({\stackrel{\→}{r}}_{2t}-{\stackrel{\→}{r}}_{1t})\×({\stackrel{\→}{r}}_{3t}-{\stackrel{\→}{r}}_{1t})+{\stackrel{\→}{r}}_{1t}$ 则有如下关系成立： $[{\stackrel{\→}{r}}_{1t},{\stackrel{\→}{r}}_{2t},{\stackrel{\→}{r}}_{3t},{\stackrel{\→}{r}}_{4t}]=T_{O\→O^{\′}}[{\stackrel{\→}{r}}_{1w},{\stackrel{\→}{r}}_{2w},{\stackrel{\→}{r}}_{3w},{\stackrel{\→}{r}}_{4w}]---\left(5\right)$ 求解，得： $T_{O\→O^{\′}}=[{\stackrel{\→}{r}}_{1t},{\stackrel{\→}{r}}_{2t},{\stackrel{\→}{r}}_{3t},{\stackrel{\→}{r}}_{4t}][{\stackrel{\→}{r}}_{1w},{\stackrel{\→}{r}}_{2w},{\stackrel{\→}{r}}_{3w},{\stackrel{\→}{r}}_{4w}{]}^{-1}---\left(6\right)$ 则三个子目标在主站坐标系下的坐标(x_ji，y_ji，z_ji)和目标坐标系下的坐标(x_ji’，y_ji’，z_ji’)之间存在下述变换关系： $\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{ji}}^{\′}\\ y_{\mathrm{ji}}^{\′}\\ z_{\mathrm{ji}}^{\′}\\ 1\end{array}\right]=T_{O\→O^{\′}}\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{ji}}\\ y_{\mathrm{ji}}\\ z_{\mathrm{ji}}\\ 1\end{array}\right]----\left(7\right)$ 式中，j＝1，2，3，表示A、B、C三子目标；i＝1，2，...，n表示测量采用点。用公式(2)至(4)的方法计算目标在目标坐标系内的三个旋转坐标α_i’，β_i’和γ_i’。计算时应代入各点在目标坐标系下的坐标值。这样可得目标坐标系下的目标姿态坐标：(x_1i’，y_1i’，z_1i’，α_i’，β_i’，γ_i’)。由上述方法可以编制成计算机软件计算目标姿态坐标。

图2为一个跟踪站的光路原理图。图中，虚线框5为双频激光干涉仪，它既是光源又是测长传感器。光束通过偏振分光棱镜6后被分成两束，一束回到干涉仪作为参考信号(f₁)，一束通过分束器7后(f₂)，被固定在一个驱动执行元件上的跟踪镜8反射，射向安装在被测目标上的目标反射镜9后光束平行返回，返回光束被跟踪镜又一次反射，通过分束器后分成两束，一束光回到干涉仪作为距离测量信号，另外一束光射向位敏探测器(PSD)10生成跟踪控制误差信号。当目标运动时，返回的光束在探测器上的位置发生相应的移动，探测器电路实时地测量出偏移误差信号，用来控制驱动单元11的电机，调整跟踪镜的转角，使探测器上的光斑位置趋向探测器的几何中心，保持跟踪误差最小。

图3为实施例的坐标系变换原理示意图。图中，为了讨论问题方便，只分析两个测量坐标系间确定变换矩阵的方法，多个跟踪站实现坐标变换方法与之相似。跟踪站1的测量坐标系{o₁x₁y₁z₁}定义为主站坐标系，跟踪站2的测量坐标系{o₂x₂y₂z₂}定义为辅站坐标系，两跟踪站同时跟踪同一目标P，并分别测量出P在各自坐标系下的空间坐标为{m_i}和{d_i}，i＝1，2，...，n为采样测量目标的点数。那么，{m_i}和{d_i}点对之间存在着一一对应的变换关系为： $\left[\begin{array}{c}{d}_i\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& T\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{m}_i\\ 1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{V}_i\\ 0\end{array}\right]---\left(8\right)$ 式中，标

分别为目标P在主站坐标系O₁、辅站坐标系O₂下的坐，V_i为3×1噪声矢量，R为3×3的旋转变换正交矩阵，其矩阵的行列式为正值，T是3×1的平移矢量。通过选择测量冗余点，解最小二乘方程组，使残差的平方和最小来确定变换矩阵中的未知数。即： ${\mathrm{\ϵ}}^2=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|\right|d_i-\hat{R}{m}_i-\hat{T}\left|\right|---\left(9\right)$ 分别为旋转变换矩阵R和平移变换矢量T的最优解。公式(9)为非线性最小二乘方程组，我们提出，当目标的运动轨迹为空间路径时，且跟踪站测量误差较小时，采用奇异矩阵分解方法求解；而当目标的运动轨迹在同一平面时或跟踪站的测量误差较大时，采用四元数法求解。

图4为本实施例的跟踪测量方法流程。

探测器输出的两路信号分别由A/D转换器采样后输送给计算机，计算机根据电压值的大小和方向控制电机的旋转运动。计算机内部的控制算法流程主要由以下几部分：1)初始参数设定：设定A/D、D/A的端口地址、控制信号阈值电压、驱动电机初始位置以及目标到跟踪站初始距离值。2)驱动电机工作方式判断：依据四路求和电压信号判断光斑是否落在探测器PSD的光敏面上。当光斑位于探测器上，求和电压信号远大于阈值电压，设置驱动电机工作在跟踪状态；而当光斑位于探测器之外时，求和电压信号小于阈值电压，设置驱动电机工作在搜索状态。3)目标搜索：如果求和电压小于域值电压，设定电机工作在搜索扫描状态。先置Y向驱动电机静止于固定的位置，X向电机扫描全量程，然后控制Y向电机增加固定步长，再让X向电机扫描全程。扫描过程中实时地采集求和电压，判断光斑位置。当判断出光斑位于探测器上时，跳转驱动电机工作方式为跟踪状态。4)目标跟踪：当求和电压大于阈值电压时，A/D转换器分别采集X及Y向差动电压，与阈值电压相比较。如果差动电压大于域值电压，分别控制对应电机的转角及转向，实现跟踪任务。5)坐标计算，根据干涉仪读数以及电机转角，计算目标的空间坐标公式为：式中，R为目标到跟踪站的距离，α、β分别为垂直轴及水平轴电机的转角。6)目标姿态计算。将别的跟踪站数据转换到主站坐标系下，由公式(2)～(4)计算目标在主站坐标系下的姿态以及目标在自身坐标系下的坐标。实时测量时，由各个测点的位置和时间间隔就可以计算出瞬时的速度和加速度。

图5为本实施例系统的另一种构成示意图，采用纯距离法测量目标的全姿态，系统由下述几部分组成：1.目标镜系统，同图1所示。2.跟踪站系统，采用六个跟踪站，每个跟踪站结构同角度距离法系统相似，只是没有测角传感器。3.采用三个站12、13、14跟踪目标反射镜A，两个跟踪站15、16跟踪目标反射镜B，一个跟踪站17跟踪目标反射镜C，分别测量出目标反射镜在对应跟踪站下的坐标，转换到主站坐标系下，利用公式(2)～(4)计算目标的姿态。

图6为本实施例纯距离法跟踪测量时，目标坐标的确定方法：

预先标定出每个跟踪站的空间位置关系及到目标的初始距离，三个跟踪站和目标在空间能够构成一个四面体，如图6所示。四面体PZ₁Z₂Z₃中，Z₁、Z₂、Z₃分别表示三个跟踪站，O为顶点对底面的垂足，M为Z₃向Z₁Z₂作垂线的交点，O₁和M₁分别为O向Z₃M及Z₁Z₂作垂线的交点，P为目标，位于四面体的顶点，其坐标可以由系统的几何参数表示。目标P的坐标为：

式中|PM₁|、|PM|、|Z₃M₁|分别为： $\left|Z_1{M}_1\right|=\frac{{\left|Z_1{Z}_3\right|}^2-{\left|Z_2{Z}_3\right|}^2+{\left|Z_1{Z}_2\right|}^2}{2\left|Z_1{Z}_2\right|}$ $\left|{\mathrm{PM}}_1\right|=\sqrt{{\left|{\mathrm{PZ}}_1\right|}^2-x^2}$ $\left|Z_{3}M\right|=\sqrt{{\left|Z_1{Z}_3\right|}^2-{\left|Z_{1}M\right|}^2}----\left(12\right)$ $\left|\mathrm{PM}\right|=\sqrt{{\left|{\mathrm{PM}}_1\right|}^2+{\left(\right|Z_{1}M|-x)}^2}$ 需要指出的是，采用四面体边长确定顶点坐标，理论上会得到两组数据，即顶点P以及顶点关于四面体底面(Z₁Z₂Z₃)的对称点P′(图中未绘出)，这两点在数学表达式上仅z坐标符号相反。因此，计算程序中需要判断z的符号，一般情况下很容易由参考坐标系和目标的运动范围确定，公式(10)中取了正号。

上述实施例系统安装调整步骤如下：

1.将目标反射镜组合刚性固定于被测对象上，并由被测对象驱动作相应的运动；

2.将目标镜组合置于跟踪系统的工作视场范围内，可以在目标静止时，人为调整光电探测系统的误差输出信号为零，也可以由计算机控制系统作一定的搜索方式，寻找目标；系统找到目标后，控制器根据误差信号的大小和方向，驱动伺服系统作相应的旋转运动；

3.当目标丢失时，目标镜回到初始位置，或由新的位置开始，由系统跟踪上目标；

4.预先标定出目标镜之间的几何尺寸大小，这由加工设计过程来完成；

5.预先标定出跟踪站之间的位置关系，包括跟踪站间的坐标、跟踪站坐标系间的变换以及跟踪站到目标的初始距离；

6.跟踪站测量出对应目标在采样点的角度或距离信息，计算出目标的坐标，并将坐标转换到同一坐标系下；

7.分别计算出目标在主站坐标系以及目标自身坐标系下的姿态，并修正各种测量误差。

Claims (11)

1.一种运动目标空间位置与姿态的激光跟踪测量系统，包括目标反射镜、由二维伺服跟踪系统、光电检测系统、反馈控制跟踪系统所组成的跟踪站及安装其上的激光测距系统、以及与跟踪站相连的计算机控制与数据采集处理系统；其特征在于，所说的目标反射镜由固定于被测的运动目标之上的一个以上反射镜组成的组合目标反射镜组，各反射镜按适合于姿态测量的一定空间位置关系分布；所说的跟踪站为由一个以上跟踪站构成的跟踪站群；所说的计算机控制与数据采集处理系统包括计算机及其接口及转换电路，以及存储在所说的计算机中的跟踪控制算法软件、被测目标参数的计算软件。

2.如权利要求1所述的测量系统，所说的组合目标反射镜组由平面反射镜、实心角隅棱镜、空心角隅棱镜或“猫眼”反射镜等类型的逆反射镜的一种或多种组合。

3.如权利要求1所述的测量系统，所说的激光测距系统是激光双频长度测量干涉仪、激光测距仪、绝对距离激光测距仪之一种；其出射光线与入射光线同路或有固定偏移量。

4.如权利要求1所述的测量系统，所说的二维伺服跟踪系统，包括跟踪轴架、跟踪镜以及驱动执行元件；跟踪轴架两轴垂直、正交/不正交；轴上安装有实时地测量出轴的转角的编码器；该驱动执行元件为直流伺服电机、交流伺服电机、步进伺服电机或其它类型的揉性机构之一种，所说的跟踪镜安装在两轴旋转跟踪架上，由跟踪架带动跟踪镜作二维旋转运动，所说的驱动执行元件，装在跟踪轴架上，驱动跟踪轴架旋转。

5.如权利要求1所述的测量系统，所说的光电检测系统，包括光学分束器件、光电探测器与光电转换电路；该光电探测器采用CCD、四象限光电池或PSD器件之一种；由目标镜返回的部分光束经光学元件后由光电探测器接收并由光电转换电路转换成电信号。

6.如权利要求1所述的测量系统，所说的反馈控制跟踪系统，包括经电路连接的硬件的控制电路、功率放大电路及其保护电路；该硬件的控制电路包括测速反馈、位置反馈以及电流反馈电路。

7.如权利要求1所述的测量系统，所说的接口及转换电路包括并行或串行的硬件接口电路、A/D转换器和D/A转换器。

8.如权利要求1所述的测量系统，所说的跟踪控制算法软件采用传统的模拟或数字PID控制算法、自适应预测控制算法或模糊逻辑控制算法编制而成。

9.一种用于权利要求1所述系统的测量方法，其特征在于包括：目标的跟踪以及目标姿态的测量两部分，所说目标跟踪由以下步骤所组成：

(1)将目标反射镜组刚性固定于被测对象上，并由被测对象带动作相应的运动；

(2)将目标反射镜组置于跟踪系统的跟踪空间范围内，在目标静止时，人为调整光电探测系统的误差输出信号为零，并跟踪上目标；也可以使跟踪系统工作在搜索模式下，自动寻找目标；

(3)当系统找到目标后，控制器根据误差信号的大小和方向，驱动伺服系统作相应的跟踪旋转运动；

(4)当目标丢失时，目标镜回到初始位置，或由新的位置开始，由系统跟踪上目标；

所说目标姿态的测量由以下步骤组成：

(5)预先标定出目标镜之间的几何位置尺寸；

(6)预先标定出各跟踪站之间的位置关系，包括各跟踪站间的坐标、各跟踪站坐标系间的变换关系以及各跟踪站到目标的初始距离；

(7)跟踪站测量出对应目标在采样点的角度或距离信息，计算出目标的坐标，并将坐标转换到同一坐标系下，修正各种测量误差后，分别计算出目标在主站坐标系以及目标自身坐标系下的姿态。

10.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所说的跟踪站测量坐标采用角度-距离法：包括每个跟踪站分别测量跟踪镜绕两个垂直轴方向的旋转角以及跟踪站到目标的距离值，利用极坐标法计算目标的坐标，再通过齐次坐标变换，将各个跟踪站的数据转换到同一坐标系下，并计算出目标的姿态。

11.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所说的跟踪站测量坐标采用纯距离法：包括每个跟踪站仅测量目标到跟踪站的距离变化量，通过冗余设计，用自标定法计算出系统的几何参数，通过测点冗余，定义目标评价函数，通过解算非线性方程组求得目标的坐标，再用坐标变换，使测量数据联系起来，并计算目标在不同坐标系下的姿态。

Images