RU2556282C1 - Method of determining spatial orientation of object using optoelectronic system and corner reflector - Google Patents

Method of determining spatial orientation of object using optoelectronic system and corner reflector Download PDF

Info

Publication number
RU2556282C1
RU2556282C1 RU2014108388/28A RU2014108388A RU2556282C1 RU 2556282 C1 RU2556282 C1 RU 2556282C1 RU 2014108388/28 A RU2014108388/28 A RU 2014108388/28A RU 2014108388 A RU2014108388 A RU 2014108388A RU 2556282 C1 RU2556282 C1 RU 2556282C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
corner reflector
spatial orientation
light beam
image
angles
Prior art date
Application number
RU2014108388/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Николаевич Матвеев
Original Assignee
Михаил Николаевич Матвеев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Михаил Николаевич Матвеев filed Critical Михаил Николаевич Матвеев
Priority to RU2014108388/28A priority Critical patent/RU2556282C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2556282C1 publication Critical patent/RU2556282C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics, navigation.
SUBSTANCE: invention relates to remote determination of the spatial orientation of an object. In the method of determining the spatial orientation of an object using an optoelectronic system, a corner reflector is rigidly mounted on the object and its entrance plane is illuminated with a light beam along the sight line. The reflected light beam is projected by the lens of the optoelectronic system on the photosensitive layer of a matrix photodetector to form an image of the corner reflector, from which the spatial orientation of the object is determined in the form of angles of successively rotating the corner reflector about three mutually perpendicular axes. The entrance plane of the corner reflector is also illuminated with a light beam that has passed through a diaphragm which limits transmission of the entrance plane, wherein the periphery of said diaphragm does not merge into the diaphragm when turned by an angle of 180°. The reflected light beam is projected by the lens of the optoelectronic system on the photosensitive layer of a matrix photodetector completely, and the spatial orientation of the object is determined from the shape of the periphery of the image of the corner reflector.
EFFECT: broader functional capabilities of determining spatial orientation of objects in a wide range of distances.
5 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной и локационной технике, а точнее к дистанционному определению пространственной ориентации объекта, и может быть использовано в устройствах ввода информации, робототехнике, системах позиционирования, навигации и стыковки.The invention relates to measuring and location technology, and more specifically to remote sensing of the spatial orientation of an object, and can be used in information input devices, robotics, positioning, navigation and docking systems.

Один из способов дистанционного определения ориентации объекта в пространстве описан в патенте US 7312862 B2, от 25.12.2007, G01B 11/26. В нем с помощью измерительной системы определяют шесть степеней свободы объекта по жестко закрепленному на нем блоку, содержащему уголковый отражатель. Три степени свободы, задающие положение объекта в пространстве, находят как расстояние до вершины уголкового отражателя и два угла направления на нее. Эти величины измеряют при помощи лазерного трекера или другого функционально аналогичного ему устройства. Три оставшиеся степени свободы, определяющие ориентацию объекта в пространстве, задают двумя коллимационными углами и углом скручивания. Для их измерения в блоке уголкового отражателя располагают матричное фотоприемное устройство (МФПУ), а вершину уголкового отражателя выполняют в виде апертуры, пропускающей излучение параллельно падающему на нее световому потоку. Регистрация МФПУ пропущенного апертурой излучения позволяет определить коллимационные углы разворота объекта; для измерения угла скручивания уголковый отражатель снабжают меткой или используют дополнительный источник света, излучение которого также фиксируется МФПУ.One way to remotely determine the orientation of an object in space is described in US Pat. No. 7,312,862 B2, dated December 25, 2007, G01B 11/26. In it, using a measuring system, six degrees of freedom of an object are determined by a block rigidly fixed on it containing an angular reflector. Three degrees of freedom, which determine the position of the object in space, are found as the distance to the top of the corner reflector and two angles of direction to it. These values are measured using a laser tracker or other functionally similar device. The three remaining degrees of freedom, which determine the orientation of the object in space, are determined by two collimation angles and a twist angle. For their measurement, an array photodetector (MFP) is located in the block of the corner reflector, and the top of the corner reflector is made in the form of an aperture that transmits radiation parallel to the light flux incident on it. The registration of the MPPU of the radiation transmitted by the aperture allows one to determine the collimation angles of the object's rotation; To measure the torsion angle, the corner reflector is labeled or an additional light source is used, the radiation of which is also detected by the MFP.

Недостатками такого решения являются низкая надежность системы и ограниченный диапазон допустимых условий ее эксплуатации.The disadvantages of this solution are the low reliability of the system and the limited range of acceptable conditions for its operation.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения пространственного положения объекта с помощью оптико-электронной системы (ОЭС) и уголкового отражателя, описанный в патенте US 7800758 B1, от 21.09.2010, G01B 9/02, и выбранный в качестве прототипа. В известном способе ориентация объекта в пространстве задается тремя сферическими координатами, которыми являются расстояние до уголкового отражателя и два угла направления на него. Определяются эти величины с помощью лазерного трекера. Тремя степенями свободы, определяющими ориентацию объекта в пространстве, являются углы последовательного разворота уголкового отражателя вокруг трех взаимно перпендикулярных осей. Для определения данных углов используют уголковый отражатель, который жестко закрепляют на объекте, затем освещают направленным вдоль линии визирования лазерным (световым) лучом, выходящим из сканирующего модуля, оптически связанного с неподвижным источником излучения оптико-волоконным жгутом, при этом часть светового потока, возвращаемого уголковым отражателем, направляют в оптическую систему с постоянным увеличением, формирующую на расположенном за ней МФПУ распределение интенсивности светового потока в районе вершины уголкового отражателя. Из-за погрешностей изготовления грани уголкового отражателя имеют меньшую отражательную способность в районе ребер, где они образуют стыки. При необходимости этот эффект может быть дополнительно усилен, например, с помощью увеличения толщины стыков или их затемнения. Поэтому изображение уголкового отражателя, сформированное в результате проецирования светового потока на поверхность светочувствительных элементов МФПУ, имеет вид трех темных линий, соответствующих его ребрам. По полученному изображению, а точнее по наклонам темных линий, в результате решения системы уравнений определяют величины углов последовательного разворота уголкового отражателя вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, задающие пространственную ориентацию объекта. Само по себе распределение света на МФПУ не позволяет установить взаимно однозначное соответствие между темными линиями и ребрами уголкового отражателя. Это соответствие может быть установлено с помощью дополнительных мер, например, закрепления на уголковом отражателе метки. В противном случае ориентация объекта в пространстве определяется с точностью до угла скручивания, равного 120°.The closest in technical essence to the invention is a method for determining the spatial position of an object using an optoelectronic system (OES) and an angular reflector, described in patent US 7800758 B1, 09.21.2010, G01B 9/02, and selected as a prototype. In the known method, the orientation of the object in space is defined by three spherical coordinates, which are the distance to the corner reflector and two angles of direction to it. These values are determined using a laser tracker. The three degrees of freedom that determine the orientation of an object in space are the angles of successive rotation of the corner reflector around three mutually perpendicular axes. To determine these angles, an angular reflector is used, which is rigidly fixed to the object, then illuminated by a laser (light) beam directed along the line of sight coming out of the scanning module, optically connected to a fixed radiation source by an optical fiber bundle, while part of the light flux returned by the angular a reflector, they are sent to an optical system with a constant increase, forming on the MFPU located behind it a distribution of the light flux intensity in the region of the corner reflector. Due to manufacturing errors, the faces of the corner reflector have less reflectivity in the region of the ribs where they form the joints. If necessary, this effect can be further enhanced, for example, by increasing the thickness of the joints or darkening them. Therefore, the image of the corner reflector, formed as a result of projection of the light flux onto the surface of the photosensitive elements of the MFP, has the form of three dark lines corresponding to its edges. Using the obtained image, or rather, according to the slopes of the dark lines, as a result of solving the system of equations, the angles of successive rotation of the corner reflector around three mutually perpendicular axes are determined, which determine the spatial orientation of the object. The distribution of light on the MFP itself does not allow one to establish a one-to-one correspondence between the dark lines and the edges of the corner reflector. This correspondence can be established with the help of additional measures, for example, fixing the mark on the corner reflector. Otherwise, the orientation of the object in space is determined accurate to a twist angle of 120 °.

Недостатком прототипа является ограничение функциональных возможностей по определению пространственной ориентации объектов, расположенных в широком диапазоне расстояний, в силу направления части светового потока, возвращаемого уголковым отражателем в оптическую систему с постоянным увеличением, кроме того, использование оптической системы с постоянным увеличением требует ее фокусировки в процессе измерения, что значительно усложняет данный способ определения ориентации.The disadvantage of the prototype is the limitation of the functionality to determine the spatial orientation of objects located in a wide range of distances, due to the direction of the part of the light flux returned by the corner reflector to the optical system with a constant increase, in addition, the use of an optical system with a constant increase requires focusing it during the measurement , which greatly complicates this method of determining orientation.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является совершенствование дистанционного измерения степеней свободы объекта, определяющих его ориентацию в пространстве, с помощью ОЭС и уголкового отражателя.The task to which the invention is directed is to improve remote measurement of the degrees of freedom of an object, determining its orientation in space, using an ECO and an angular reflector.

Данная задача решается за счет того, что в известном способе уголковый отражатель жестко закрепляют на объекте, его входную грань освещают световым лучом вдоль линии визирования, отраженный световой луч с помощью объектива ОЭС проецируют на фоточувствительный слой МФПУ для формирования изображения уголкового отражателя, по которому определяют пространственную ориентацию объекта в виде углов последовательного разворота уголкового отражателя относительно трех взаимно перпендикулярных осей, при этом входную грань уголкового отражателя освещают световым лучом, проходящим через ограничивающую пропускание входной грани диафрагму, периметр которой не переходит в себя при развороте на угол 180°, отраженный световой луч с помощью объектива ОЭС проецируют на фоточувствительный слой МФПУ полностью, а пространственную ориентацию объекта определяют по форме периметра изображения уголкового отражателя.This problem is solved due to the fact that in the known method, the corner reflector is rigidly fixed on the object, its input face is illuminated with a light beam along the line of sight, the reflected light beam is projected onto the photosensitive layer of the MFP for the image of the corner reflector, which determines the spatial the orientation of the object in the form of angles of successive rotation of the corner reflector relative to three mutually perpendicular axes, while the input face of the corner reflector To illuminate with a light beam passing through a diaphragm restricting the transmission of the input face, the perimeter of which does not change into itself when turned through an angle of 180 °, the reflected light beam is completely projected using the OES lens onto the photosensitive layer of the MFP, and the spatial orientation of the object is determined by the shape of the image perimeter reflector.

Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, заключается в расширении функциональных возможностей определения пространственной ориентации объектов, расположенных в широком диапазоне расстояний.The technical result provided by the given set of features is to expand the functionality of determining the spatial orientation of objects located in a wide range of distances.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:

на фиг.1 изображено устройство реализации заявленного способа;figure 1 shows a device for implementing the inventive method;

на фиг.2 дана схема устройства измерения ориентации;figure 2 is a diagram of a device for measuring orientation;

на фиг.3а представлена схема формирования пучка лучей в плоскости приемника;on figa presents a diagram of the formation of a beam of rays in the plane of the receiver;

на фиг.3б приведены примеры изображений с указанием пикселей фотоприемника;on figb shows examples of images indicating the pixels of the photodetector;

на фиг.3в-3е проиллюстрировано формирование изображения уголкового отражателя на МФПУ;on figv-3e illustrates the formation of the image of the corner reflector on the MFP;

на фиг.4а продемонстрировано соответствие формы поперечного сечения светового пучка, падающего на входную грань уголкового отражателя, каждому набору углов его ориентации;on figa demonstrated the correspondence of the cross-sectional shape of the light beam incident on the input face of the corner reflector, each set of angles of its orientation;

на фиг.4б показано изменение форм поперечного сечения светового пучка при различных углах ориентации уголкового отражателя;on figb shows a change in the shape of the cross section of the light beam at different angles of orientation of the corner reflector;

на фиг.5 пояснен способ восстановления углов разворота уголкового отражателя по его изображению на МФПУ.figure 5 explains the method of restoring the rotation angles of the corner reflector from its image on the MFP.

Заявленный способ определения пространственной ориентации объекта (см. фиг.1) реализован устройством 1, представляющим собой ОЭС, предназначенную для работы с уголковым отражателем 2, жестко закрепленным на объекте. Это устройство позволяет измерять вплоть до шести степеней свободы в собственной системе координат XYZ. Уголковый отражатель 2 выполнен, например, в виде правильной трехгранной пирамиды, боковые грани которой имеют форму треугольника с углом при вершине пирамиды 90°, с нанесенной на ее основание диафрагмой (на чертеже не показана), периметр которой не переходит в себя при развороте на угол 180° (например, такая диафрагма может иметь форму треугольника). В качестве объекта 3 изображен джойстик, который разворачивается на некоторые углы (углы ориентации) вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, проходящих через вершину A отражателя 2, при этом сама вершина A отражателя 2 может перемещаться в пространстве как A→А' по траектории Б. Устройство 1 включает блок ориентации 4 и может включать блок измерения дальности 5, светоделители 6, 7 и блок позиционирования 8, управляющий сканирующим зеркалом 9, отрабатывающим углы рассогласования линии визирования (ЛВ) с помощью приводов, снабженных азимутальным 10 и угломестным 11 датчиками «угол-код», управляемых блоком позиционирования 8, вырабатывающим сигнал отработки угла рассогласования ЛВ.The claimed method for determining the spatial orientation of an object (see Fig. 1) is implemented by a device 1, which is an ECO, designed to work with a corner reflector 2, rigidly fixed to the object. This device allows you to measure up to six degrees of freedom in your own XYZ coordinate system. Corner reflector 2 is made, for example, in the form of a regular trihedral pyramid, the side faces of which have the shape of a triangle with an angle at the top of the pyramid 90 °, with a diaphragm applied to its base (not shown in the drawing), the perimeter of which does not transform into itself when turned at an angle 180 ° (for example, such a diaphragm may have the shape of a triangle). As an object 3, a joystick is depicted which rotates at some angles (orientation angles) around three mutually perpendicular axes passing through the vertex A of the reflector 2, while the vertex A of the reflector 2 itself can move in space as A → A 'along the path B. The device 1 includes an orientation unit 4 and may include a range measuring unit 5, beam splitters 6, 7, and a positioning unit 8 that controls the scanning mirror 9, which processes the mismatch angles of the line of sight (LP) using drives equipped with azimuth 10 and angle 11 sensors "angle code" controlled by the positioning unit 8, generating a signal for working out the angle of misalignment of the drug.

На фиг.2 приведена схема блока ориентации 4, состоящего из блока излучателя 12, содержащего источник излучения 13 и коллиматор 14, светоделителя 15, блока приемника излучения 16, включающего оптическую систему 17, фокусирующую падающий на нее параллельный пучок лучей, и МФПУ 18, а также блок управления и обработки 19, вычисляющий углы ориентации объекта 3, соединенный входом с выходом блока приемника излучения 16, а выходом - с исполнительным устройством.Figure 2 shows a diagram of an orientation unit 4, consisting of a block of a radiator 12 containing a radiation source 13 and a collimator 14, a beam splitter 15, a block of a radiation receiver 16 including an optical system 17 focusing a parallel beam of rays incident on it, and an MPPU 18, and also a control and processing unit 19, calculating the orientation angles of the object 3, connected to the input with the output of the radiation receiver unit 16, and the output to the actuator.

Принцип формирования изображения в блоке ориентации 4 (фиг.3) и определения по форме периметра изображения уголкового отражателя пространственной ориентации объекта (фиг.4а, б) будет описан ниже.The principle of image formation in the orientation unit 4 (Fig. 3) and determining, according to the shape of the image perimeter, the angular reflector of the spatial orientation of the object (Fig. 4a, b) will be described below.

Заявленный способ функционирует следующим образом.The claimed method operates as follows.

Блок 4 определяет ориентацию объекта 3. Выходящий из блока 4 параллельный световой пучок, сформированный источником излучения 13 (светодиодом или лазерным диодом), коллиматором 14 и отраженный светоделителем 15, проходит через светоделитель 6, после чего, смешиваясь с пучком, выходящим из блока измерения дальности 5, пропускается светоделителем 7, попадает на сканирующее зеркало 9, отражается от его поверхности и проходит через входное окно устройства 1 в направлении уголкового отражателя 2. По достижении последнего световой пучок отражается в обратном направлении, проникает через входное окно устройства 1 и, отразившись от сканирующего зеркала 9, попадает на светоделитель 7, где разделяется на две составляющие - прошедший пучок и отразившийся, поступающий в блок позиционирования 8. В блоке позиционирования 8 по смещению изображения светового пучка, возвращенного уголковым отражателем, относительно положения пучка, испускаемого блоком 5, вырабатывается сигнал рассогласования ЛВ для угломестного и азимутального приводов, на валах которых установлены соответствующие датчики «угол-код» 11 и 10. С помощью приводов осуществляют позиционирование сканирующего зеркала 9 так, что ЛВ устройства 1, совмещенную с излучаемым пучком, направляют точно на вершину уголкового отражателя 2. Таким образом, блок позиционирования позволяет отслеживать перемещение вершины А→А′ уголкового отражателя 2 в пространстве по траектории Б и определять углы направления ЛВ на его вершину А. Возвращенный световой пучок, прошедший светоделитель 7, попадает на светоделитель 6, где разделяется на прошедший и отраженный пучки. Последний из них направляется в блок измерения дальности 5, определяющий расстояние до вершины А уголкового отражателя 2 одним из способов, описанных в известных источниках (см., например, патент US 7800758 B1 и содержащиеся в нем ссылки).Block 4 determines the orientation of the object 3. A parallel light beam emerging from block 4, formed by a radiation source 13 (LED or laser diode), a collimator 14 and reflected by a beam splitter 15, passes through a beam splitter 6, after which it is mixed with a beam emerging from a range measuring unit 5 is passed through a beam splitter 7, hits a scanning mirror 9, is reflected from its surface and passes through the input window of the device 1 in the direction of the corner reflector 2. Upon reaching the last, the light beam is reflected in brotherly direction, penetrates through the input window of the device 1 and, reflected from the scanning mirror 9, falls on the beam splitter 7, where it is divided into two components - the transmitted beam and reflected reflected in the positioning unit 8. In the positioning unit 8 by the image shift of the light beam returned with an angular reflector, relative to the position of the beam emitted by block 5, a drug mismatch signal is generated for the elevation and azimuthal drives, on the shafts of which the corresponding sensors l-code ”11 and 10. Using the drives, the scanning mirror 9 is positioned so that the LV of the device 1, combined with the emitted beam, is directed exactly to the top of the corner reflector 2. Thus, the positioning unit allows you to track the movement of the top A → A ′ of the corner reflector 2 in space along trajectory B and determine the direction angles of the drug to its peak A. The returned light beam passing through the beam splitter 7 enters the beam splitter 6, where it is divided into transmitted and reflected beams. The last one is sent to the range measuring unit 5, which determines the distance to the vertex A of the corner reflector 2 using one of the methods described in known sources (see, for example, US Pat. No. 7,800,758 B1 and the references therein).

Таким образом, с помощью найденных углов направления на вершину А уголкового отражателя и дальности до нее определяют положение вершины А в пространстве. Ориентацию объекта в пространстве определяют по изображению уголкового отражателя 2, формируемого в блоке ориентации 4 возвращенным световым пучком, прошедшим светоделитель 6.Thus, using the found direction angles to the vertex A of the corner reflector and the distance to it, the position of the vertex A in space is determined. The orientation of the object in space is determined by the image of the corner reflector 2, formed in the orientation unit 4 by the returned light beam passing through the beam splitter 6.

Принцип формирования изображения уголкового отражателя 2 на матричном фотоприемнике 18 блока 16 ОЭС 1 представлен на фиг.3. Блок приемника излучения 16 устроен таким образом, что его оптическая система 17 фокусирует попадающий в нее возвращенный параллельный пучок лучей, прошедший светоделитель 15, в плоскость, не совпадающую с плоскостью светочувствительной поверхности матричного приемника излучения. Из соображений уменьшения габаритов приемника предпочтительно, чтобы этот пучок фокусировался за плоскость приемника, как это показано на фиг.3а. Расстояние между плоскостью фокусировки и плоскостью приемника определяет размер изображения уголкового отражателя. Также как размер самого приемника 18 это расстояние может изменяться в широких пределах в зависимости от требований к точности измерений и мощности источника излучения.The principle of image formation of the corner reflector 2 on the matrix photodetector 18 of the block 16 of the OES 1 is presented in figure 3. The radiation receiver unit 16 is arranged in such a way that its optical system 17 focuses the returned parallel beam of rays falling into it, passing through the beam splitter 15, into a plane that does not coincide with the plane of the photosensitive surface of the matrix radiation receiver. For reasons of reducing the dimensions of the receiver, it is preferable that this beam is focused beyond the plane of the receiver, as shown in figa. The distance between the focus plane and the receiver plane determines the image size of the corner reflector. As well as the size of the receiver 18 itself, this distance can vary widely depending on the requirements for the accuracy of measurements and the power of the radiation source.

Диаметр D входного зрачка блока 16 ОЭС 1 выбирается из условия D≥l, где l - максимальное расстояние между двумя точками периметра диафрагмы входной грани уголкового отражателя, заметим, что если применять заявленный способ для расходящихся пучков лучей:The diameter D of the entrance pupil of block 16 of OES 1 is selected from the condition D≥l, where l is the maximum distance between two points of the diaphragm perimeter of the input face of the corner reflector, we note that if we apply the claimed method for diverging beams of rays:

- световой поток блока излучателя 12, отраженный от светоделителя 15;- the luminous flux of the emitter unit 12, reflected from the beam splitter 15;

- возвращенный световой поток, прошедший светоделитель 6;- the returned luminous flux that has passed the beam splitter 6;

- прямой световой поток, прошедший светоделитель 6,- direct luminous flux transmitted through the beam splitter 6,

то данное условие переходит в условие D≥2·l. При таком выборе входного зрачка изображение уголкового отражателя на матричном фотоприемнике меняется в зависимости от углов его разворота, примеры изображений с указанием пикселей фотоприемника приведены на фиг.3б. Расстояние между плоскостью фокусировки и плоскостью фотоприемника устанавливается таким образом, чтобы обеспечить возможность распознавания формы изображения для любых углов разворота уголкового отражателя. Как правило, для этого достаточно, чтобы максимальное расстояние между различными точками изображения было не менее 10-15 пикселей. При увеличении этого расстояния точность распознавания формы изображения и, следовательно, всего способа увеличивается.then this condition passes into the condition D≥2 · l. With this choice of the entrance pupil, the image of the corner reflector on the matrix photodetector changes depending on the angles of its rotation, examples of images indicating the pixels of the photodetector are shown in Fig.3b. The distance between the focusing plane and the plane of the photodetector is set in such a way as to enable image shape recognition for any angle of rotation of the corner reflector. As a rule, for this it is enough that the maximum distance between different points of the image is at least 10-15 pixels. With an increase in this distance, the recognition accuracy of the image shape and, therefore, the whole method increases.

Фиг.3в-е поясняют, как формируется изображение уголкового отражателя 2 в результате проецирования с помощью ОЭС отраженного от него светового пучка на матричном фотоприемнике 18. Пусть уголковый отражатель, входная грань которого имеет форму равностороннего треугольника, последовательно разворачивается на некоторые углы вокруг трех взаимно перпендикулярных осей (фиг.3в). При этом пересечение оси луча, попадающего в вершину уголкового отражателя, переходит из ортоцентра входной грани в некоторую точку B, смотри фиг.3г, д. Расположение точки В на входной грани зависит от углов разворота уголкового отражателя и его исполнения. Форма светового потока, возвращаемого уголковым отражателем, в плоскости его входной грани определяется точкой B следующим образом. Необходимо развернуть равносторонний треугольник, ограничивающий пропускание входной грани, на 180°, а затем переместить полученный развернутый треугольник так, чтобы его ортоцентр занял положение, симметричное исходному относительно точки В, смотри фиг.3д. Световой поток, возвращаемый уголковым отражателем, в плоскости входной грани имеет форму пересечения развернутого и перемещенного равностороннего треугольника с исходным. Плоскость входной грани уголкового отражателя при его развороте имеет некоторый наклон относительно плоскости приемника излучения, фиг.3е. Поэтому окончательное изображение уголкового отражателя определяется путем проекции формы светового потока, найденной так, как это показано на фиг.3д, на плоскость матричного приемника излучения 18 с последующим масштабированием до нужного размера.Fig.3c-e illustrates how the image of the corner reflector 2 is formed as a result of projecting the light beam reflected from it on the matrix photodetector 18. Using the ECO, let the corner reflector, the input face of which has the shape of an equilateral triangle, sequentially rotate at some angles around three mutually perpendicular axes (figv). In this case, the intersection of the axis of the ray falling at the top of the corner reflector passes from the orthocenter of the input face to some point B, see Fig. 3d, d. The location of point B on the input face depends on the angles of rotation of the corner reflector and its design. The shape of the light flux returned by the corner reflector in the plane of its input face is determined by point B as follows. It is necessary to expand an equilateral triangle restricting the transmission of the input face by 180 °, and then move the resulting expanded triangle so that its orthocenter occupies a position symmetrical to the original relative to point B, see fig.3d. The luminous flux returned by the corner reflector in the plane of the input face has the form of the intersection of the unfolded and displaced equilateral triangle with the original one. The plane of the input face of the corner reflector during its rotation has a certain inclination relative to the plane of the radiation receiver, Fig.3e. Therefore, the final image of the corner reflector is determined by projecting the shape of the light flux, found as shown in Fig. 3d, onto the plane of the radiation matrix detector 18, followed by scaling to the desired size.

Для работы заявленного способа необходимо, чтобы периметр диафрагмы, ограничивающей входную грань уголкового отражателя, не переходил в себя при развороте на 180°. Из всего многообразия диафрагм, отвечающих данному условию, целесообразно выделить, с одной стороны, наиболее технологичные для изготовления и применения и, с другой стороны, наиболее простые с точки зрения распознавания. Две такие диафрагмы показаны на фиг.4. Первая из них имеет форму равностороннего треугольника. Именно такую форму имеет входная грань уголкового отражателя, изготовленного в чистом виде без каких-либо доработок, направленных на уменьшение его габаритов. Фиг.4а показывает, каким образом меняется форма возвращаемого светового потока в плоскости входной грани уголкового отражателя, имеющей форму равностороннего треугольника. В центре фиг.4а изображена сама входная грань (равносторонний треугольник) и форма возвращаемого светового потока через нее (заштрихованный шестиугольник) при отсутствии углов разворота уголкового отражателя. Вокруг центрального изображения расположены формы возвращаемого светового потока для углов разворота уголкового отражателя, схематично представленных схемой 20 в левом верхнем углу фиг.4. Радиус окружности, показанной на схеме 20, задает величину смещения при данных углах разворота точки пересечения луча, попадающего в вершину уголкового отражателя, со входной гранью. Направление отрезка задает направление смещения для изображения 0, расположенного на фиг.4а справа от центрального. Остальные изображения соответствуют повороту отрезка на схеме 20 против часовой стрелки с дискретностью 45° на углы 45°, 90°,…, 315° соответственно. Фиг.4а демонстрирует, что каждому набору углов ориентации уголкового отражателя соответствует своя форма возвращаемого светового потока через его входную грань и, следовательно, свое изображение на матричном фотоприемнике 18. Таким образом, углы ориентации уголкового отражателя могут быть восстановлены по его изображению. Заметим, что углы ориентации восстанавливаются с точностью до угла скручивания 120°.For the claimed method to work, it is necessary that the perimeter of the diaphragm bounding the input face of the corner reflector does not go into itself when turned through 180 °. From the whole variety of diaphragms that meet this condition, it is advisable to single out, on the one hand, the most technologically advanced for manufacturing and use, and, on the other hand, the most simple from the point of view of recognition. Two such apertures are shown in FIG. The first of them has the shape of an equilateral triangle. It is this shape that the input face of the corner reflector is made in its pure form without any modifications aimed at reducing its size. Fig. 4a shows how the shape of the returned light flux changes in the plane of the input face of the corner reflector, having the shape of an equilateral triangle. In the center of FIG. 4a, the input face itself (equilateral triangle) and the shape of the returned light flux through it (shaded hexagon) in the absence of the angle of rotation of the corner reflector are shown. Around the central image are the forms of the returned light flux for the rotation angles of the corner reflector, schematically represented by the circuit 20 in the upper left corner of FIG. The radius of the circle shown in diagram 20 sets the amount of displacement at given rotation angles of the point of intersection of the beam falling at the top of the corner reflector with the input face. The direction of the segment sets the direction of displacement for the image 0, located on figa to the right of the Central. The remaining images correspond to the rotation of the segment on the circuit 20 counterclockwise with a resolution of 45 ° at angles of 45 °, 90 °, ..., 315 °, respectively. Fig. 4a shows that each set of orientation angles of the corner reflector corresponds to its own form of the returned light flux through its input face and, therefore, its image on the photodetector matrix 18. Thus, the orientation angles of the corner reflector can be restored from its image. Note that the orientation angles are restored accurate to a twist angle of 120 °.

Фиг.4б демонстрирует изменение форм возвращаемого светового потока при различных углах ориентации уголкового отражателя, пропускание входной грани которого ограничено шестиугольником, получающимся из равностороннего треугольника, путем усечения его вершин. Периметр такой диафрагмы также не переходит в себя при развороте на 180° и получается естественным образом, если использовать усеченные части равностороннего треугольника для крепления уголкового отражателя. Расположение изображений на фиг.4б такое же, как на фиг.4а. Фиг.4б показывает, что чем сильнее усекаются вершины равностороннего треугольника, тем уже диапазон определяемых углов ориентации. Так, например, изображения 21 и 22 на фиг.4б, соответствующие положениям 225° и 315° на схеме 20, визуально практически неразличимы. В то же время, изображения 23 и 24 на фиг.4а, соответствующие тем же положениям 225° и 315° на схеме 20, хорошо различимы даже на глаз. Заметим, что данное ограничение по диапазону определяемых углов, также как и ограничение, состоящее в том, что заявленный способ определяет ориентацию объекта с точностью до угла скручивания 120°, могут быть устранены введением в блок уголкового отражателя дополнительных меток, что известно в общедоступных источниках, например патентах US 7312862 B2 и US 7800758 B1.Fig. 4b shows a change in the shape of the returned light flux at different angles of orientation of the corner reflector, the transmission of the input face of which is limited to a hexagon obtained from an equilateral triangle by truncating its vertices. The perimeter of such a diaphragm also does not transform into itself when turned through 180 ° and is obtained naturally if the truncated parts of an equilateral triangle are used to mount the corner reflector. The arrangement of the images in FIG. 4b is the same as in FIG. 4a. Fig. 4b shows that the stronger the vertices of an equilateral triangle are truncated, the narrower the range of determined orientation angles. So, for example, the images 21 and 22 in Fig. 4b, corresponding to the positions 225 ° and 315 ° in the circuit 20, are visually practically indistinguishable. At the same time, images 23 and 24 in Fig. 4a, corresponding to the same positions 225 ° and 315 ° in the circuit 20, are clearly distinguishable even by eye. Note that this restriction on the range of angles to be determined, as well as the limitation that the claimed method determines the orientation of an object with an accuracy of twisting angle of 120 °, can be eliminated by introducing additional marks into the block of the corner reflector, which is known in public sources, for example, patents US 7312862 B2 and US 7800758 B1.

Восстановление углов ориентации уголкового отражателя по его изображению на МФПУ производят, например, как это показано на фиг.5. Сначала детектируются все ребра изображения, составляющие его периметр. Затем эти ребра разбиваются на две группы, таким образом, чтобы ребра, входящие в каждую из групп, не имели общих точек. По пересечениям прямых, задаваемых ребрами каждой группы, находят соответственно точки С, Д, Е и С', Д', Е'. При этом линии СС', ДД', ЕЕ' образуют в районе точки их пересечения точно такую же конфигурацию, как линии, по которым определяется ориентация уголкового отражателя в патенте US 7800758 B1. Зависимость наклонов линий СС', ДД', ЕЕ' от углов ориентации уголкового отражателя определяется системой уравнений, приведенной в US 7800758 B1. Решая данную систему, находят углы ориентации уголкового отражателя 2 и объекта 3 в пространстве.The restoration of the orientation angles of the corner reflector from its image on the MFP is performed, for example, as shown in Fig. 5. First, all edges of the image constituting its perimeter are detected. Then these edges are divided into two groups, so that the edges included in each of the groups do not have common points. From the intersections of the lines defined by the edges of each group, find the points C, D, E and C ', D', E ', respectively. In this case, the lines SS ', DD', EE 'form in the vicinity of the point of intersection exactly the same configuration as the lines that determine the orientation of the corner reflector in US Pat. No. 7,800,758 B1. The dependence of the slopes of the lines SS ', DD', EE 'on the orientation angles of the corner reflector is determined by the system of equations given in US 7800758 B1. Solving this system, find the orientation angles of the corner reflector 2 and object 3 in space.

Дополняя данные блока 4 об ориентации объекта в пространстве данными о дальности блока 5 и данными об углах направления блока 8, находят вплоть до шести степеней свободы объекта, на котором закреплен уголковый отражатель. Предлагаемое изобретение позволяет определять ориентацию объекта более простым способом, в более сложных условиях эксплуатации, в значительно более широком диапазоне расстояний.Supplementing the data of block 4 on the orientation of the object in space with data on the range of block 5 and data on the direction angles of block 8, up to six degrees of freedom of the object are found on which the corner reflector is fixed. The present invention allows to determine the orientation of the object in a simpler way, in more difficult operating conditions, in a much wider range of distances.

Claims (1)

Способ определения пространственной ориентации объекта с помощью оптико-электронной системы (ОЭС) и уголкового отражателя, заключающийся в том, что:
- уголковый отражатель жестко закрепляют на объекте,
- входную грань уголкового отражателя освещают вдоль линии визирования,
- отраженный световой луч с помощью объектива ОЭС проецируют на фоточувствительный слой многоплощадочного фотоприемного устройства (МФПУ) для формирования изображения уголкового отражателя,
пространственную ориентацию объекта в виде углов последовательного разворота уголкового отражателя относительно трех взаимно перпендикулярных осей определяют по изображению уголкового отражателя на МФПУ, отличающийся тем, что
- входную грань уголкового отражателя освещают таким образом, чтобы в световой луч полностью попала ограничивающая пропускание входной грани диафрагма, периметр которой не переходит в себя при развороте на угол 180°,
- отраженный световой луч с помощью объектива ОЭС проецируют на фоточувствительный слой МФПУ полностью,
- а пространственную ориентацию объекта в виде углов разворота уголкового отражателя определяют по форме периметра изображения уголкового отражателя.
A method for determining the spatial orientation of an object using an optical-electronic system (OES) and an angular reflector, which consists in the fact that:
- the corner reflector is rigidly fixed to the object,
- the input face of the corner reflector illuminate along the line of sight,
- the reflected light beam using an OES lens is projected onto the photosensitive layer of a multi-site photodetector (MFP) to form an image of the corner reflector,
the spatial orientation of the object in the form of angles of successive reversal of the corner reflector relative to three mutually perpendicular axes is determined by the image of the corner reflector on the MFP, characterized in that
- the entrance face of the corner reflector is illuminated in such a way that the diaphragm restricting the transmission of the input face completely diverges into the light beam, the perimeter of which does not transform into itself when turned through an angle of 180 °,
- the reflected light beam using the OES lens is projected onto the photosensitive layer of the MFP completely;
- and the spatial orientation of the object in the form of rotation angles of the corner reflector is determined by the shape of the perimeter of the image of the corner reflector.
RU2014108388/28A 2014-03-05 2014-03-05 Method of determining spatial orientation of object using optoelectronic system and corner reflector RU2556282C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014108388/28A RU2556282C1 (en) 2014-03-05 2014-03-05 Method of determining spatial orientation of object using optoelectronic system and corner reflector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014108388/28A RU2556282C1 (en) 2014-03-05 2014-03-05 Method of determining spatial orientation of object using optoelectronic system and corner reflector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2556282C1 true RU2556282C1 (en) 2015-07-10

Family

ID=53538737

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014108388/28A RU2556282C1 (en) 2014-03-05 2014-03-05 Method of determining spatial orientation of object using optoelectronic system and corner reflector

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2556282C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4136300C1 (en) * 1991-11-04 1993-02-25 Deutsche Forschungsanstalt Fuer Luft- Und Raumfahrt Ev, 5300 Bonn, De Michelson type interferometer using single rotating retroreflector - with aperture receiving split light beam halves deflected against each other by mirrors
RU2002131433A (en) * 2002-11-22 2004-05-27 Казенное предпри тие "Центральное конструкторское бюро "Арсенал" (UA) OPTICAL ELECTRONIC MEASURING DEVICE
WO2012112388A1 (en) * 2011-02-14 2012-08-23 Faro Technologies, Inc. Cube corner retroreflector for measuring six degrees of freedom
US20130155386A1 (en) * 2011-02-14 2013-06-20 Faro Technologies, Inc. Laser tracker used with six degree-of-freedom probe having separable spherical retroreflector

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4136300C1 (en) * 1991-11-04 1993-02-25 Deutsche Forschungsanstalt Fuer Luft- Und Raumfahrt Ev, 5300 Bonn, De Michelson type interferometer using single rotating retroreflector - with aperture receiving split light beam halves deflected against each other by mirrors
RU2002131433A (en) * 2002-11-22 2004-05-27 Казенное предпри тие "Центральное конструкторское бюро "Арсенал" (UA) OPTICAL ELECTRONIC MEASURING DEVICE
WO2012112388A1 (en) * 2011-02-14 2012-08-23 Faro Technologies, Inc. Cube corner retroreflector for measuring six degrees of freedom
US20130155386A1 (en) * 2011-02-14 2013-06-20 Faro Technologies, Inc. Laser tracker used with six degree-of-freedom probe having separable spherical retroreflector

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7084705B2 (en) Surveying device
CN103403575B (en) Target equipment and method
US9696140B2 (en) Laser tracker with position-sensitive detectors for searching for a target
US9766326B2 (en) Laser tracker with calibration unit for self-calibration
US20160328854A1 (en) Distance sensor
JP5016245B2 (en) Measurement system for determining the six degrees of freedom of an object
JP5440801B2 (en) Reference sphere detection device, reference sphere position detection device, and three-dimensional coordinate measurement device
CN101666640B (en) Method and system for measuring two-dimensional attitude angle
CN105974427A (en) Structural light distance measurement device and method
CN106323199A (en) Combination zeroing laser large working distance auto-collimation device and method
TW201716745A (en) Image ranging system, light source module and image sensing module
EP2793042B1 (en) Positioning device comprising a light beam
US20200408914A1 (en) Static six degree-of-freedom probe
TWI649535B (en) Optical element characteristic measuring device
CN205720668U (en) Structure light measurement device
JP2022110635A (en) Surveying device
CN100582678C (en) Off-axis rotational symmetry type laser trigone displacement transducer
JP6401594B2 (en) Three-dimensional tilt sensor and method of measuring angular displacement around three axes of a measurement object using the same
RU2471148C1 (en) Device for controlling rotation of object
RU2556282C1 (en) Method of determining spatial orientation of object using optoelectronic system and corner reflector
US8854612B2 (en) Optical system for measuring orientation with cubic wedge and mask
RU2523736C1 (en) Measurement of dihedral angles at mirror-prismatic elements and device to this end
JP6323731B2 (en) Non-contact control method using polarization marker and composite for realizing the same
JP2006308452A (en) Method and apparatus for measuring three-dimensional shape
RU2644994C1 (en) Angular-motion transducer