CN103185545B - 空间矢量物三维旋转坐标测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间矢量物三维旋转坐标测量方法，步骤如下：1）在被测矢量物上安装激光器，被测矢量物一侧放置反射棱镜，另一侧放置透镜，在透镜后放置光电测探阵列；2）被测矢量物未发生改变时在第一光电测探阵列上的像点储存在计算机中；3）被测矢量物旋转角改变时，激光在反射棱镜上的入射位置改变，导致光线反射到第二光电测探阵列上；4）光电测探阵列将采集的数据送入计算机，获得两个像点坐标；5）通过计算机分析计算，获得矢量物三维旋转角的信息后，由单片机控制数控转台将被测矢量物转回原始位置。本发明方法中使用的测量装置具有结构合理简单，抗干扰性强，能够及时准确地判定空间被测矢量物微小角度变动等优点。

Description

空间矢量物三维旋转坐标测量方法

技术领域

本发明涉及一种空间矢量的高精度测量及应用技术，尤其涉及一种通过精密的测量系统和纠偏系统的共同作用达到高精度测位纠偏的技术。

背景技术

关于复杂环境，如各种气候条件、运动环境下的空间矢量的测量，世界各国投入大量人力和物力进行研究，但一直没有特别高效实用的设备出现。传统的空间测量主要有：激光干涉仪法；激光三维扫描法；激光散斑法等。其中，激光干涉仪法虽然精度较高，但环境适应性差，测量精度直接受环境影响；激光三维扫描法有仪器价格高昂，且设备检校方法单一，精度评定不好等缺点；激光散斑法多用于测量物体表面内部变形（位移）且处理过程比较复杂，易受到干扰。传统方法测量效率较低，且实用性较差。美德等国家已研制出针对户外复杂环境的三维测位纠偏技术，相较于传统方法, 该项技术打破了传统二维测位技术的局限性，具有高效，精准，快速，智能化等优点，但测量光路较为庞大，需要的测量器件数目较多。目前我国这一领域也仍处于发展中的状态。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种简单，效率高，精度高的空间矢量物三维旋转坐标测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

空间矢量物三维旋转坐标测量方法，在该方法中采用了一种测量装置，该测量装置包括激光器、反射棱镜、第一光电测探阵列、第二光电测探阵列、第一透镜、第二透镜和计算机；

该方法包括如下步骤：

1）、在被测矢量物的测试点上安装激光器，在被测矢量物旁边的一侧放置反射棱镜，并在被测矢量物旁边的另一侧放置第一透镜和第二透镜，且在第一透镜后放置第一光电测探阵列，在第二透镜后放置第二光电测探阵列，第一光电测探阵列和第二光电测探阵列用来进行反射光信号的接收；

2）、在被测矢量物未发生任何空间角度改变时，激光器发出的激光经反射棱镜反射后，经第一透镜聚焦后，再由第一光电测探阵列进行反射光信号的接收并输入计算机，由计算机储存在计算机中；

3）、被测矢量物在空间上有角度改变时，激光器发射出的激光在反射棱镜上的入射位置也会随之改变，从而导致反射棱镜上的光线反射到第二光电测探阵列上；

4）、第一光电测探阵列和第二光电测探阵列通过光电编码机将光信号转变为电信号，并将采集到的该电信号数据送入计算机，由计算机执行如下步骤进行分析计算，获得被测矢量物在空间上改变的角度信息；

4.1）、入射光在反射棱镜上的坐标为：

上式中，为光源的空间坐标，为入射光在反射棱镜上的光点坐标，为光源光束在x-z和y-z面上的投影线相对于z轴的夹角；

4.2）、入射光经反射棱镜反射后在第一光电测探阵列上的像点坐标为：

上式中，为第一光电测探阵列上的光点坐标，为第一透镜和第二透镜的焦距；

4.3）、入射光经反射棱镜反射后在第二光电测探阵列上的像点坐标为：

上式中，为第二光电测探阵列上的像点坐标，为第二透镜上的光点坐标；

4.4）、将以上各式联立，可得：

；

5）、被测矢量物的空间角度改变可以通过比较在两个光电测探阵列上的像点差异实现，获得被测矢量物偏离角度的信息后，通过串口通讯将偏离坐标信息传送到单片机中，由单片机控制数控转台在三维方向上的转动，控制被测矢量物转回原始位置，从而实现复位功能。

与现有技术相比，本发明的空间矢量物三维旋转坐标测量方法具有如下优点：

1、利用激光器、光电测探阵列、计算机和复位系统（数控转台）来完成被测矢量物微小角度变动的监控与复原工作，被测矢量物处于多种自然环境下，都能有效地工作。

2、在测量方法上，结合传统的激光三角法测距的测量思想和原理，并采用逆向思维，将激光器置于被测矢量物上，对空间被测矢量物的三维矢量旋转角进行测量。在测量的处理过程中，被测矢量物的三维旋转角信息是通过比较在两个光电测探阵列上的像点差异实现，因而具有结构简单，反应速度快，精确度高的特点，为实时动态测位纠偏提供了精确的控制量。

3、将反射棱镜置于传统方法中的物面上，使得出射光线的夹角范围可通过调节棱镜参数来改变，解决了实际应用中光电测探阵列位置安放的问题，因而测量装置较为简单且易于安装。

4、本发明方法中使用的测量装置具有结构合理简单，抗干扰性强，能够及时准确地判定空间被测矢量物微小旋转角变动等优点,是对传统测量方法及设备的改良与革新。

附图说明

图1为测量装置的结构示意图；

图2为空间矢量物三维旋转坐标测量方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

空间矢量物三维旋转坐标测量方法，在该方法中采用了一种测量装置，如图1和2所示，该测量装置包括激光器、反射棱镜、第一光电测探阵列、第二光电测探阵列、第一透镜、第二透镜和计算机。计算机（PC）连接显示器和控制数控转台在三维方向上转动的单片机，显示器用于显示被测矢量物的旋转角数值。

该空间矢量物三维旋转坐标测量方法包括如下步骤：

1）、在被测矢量物的测试点上安装激光器，在被测矢量物旁边的一侧放置反射棱镜，并在被测矢量物旁边的另一侧放置第一透镜和第二透镜，且在第一透镜后放置第一光电测探阵列，在第二透镜后放置第二光电测探阵列，第一光电测探阵列和第二光电测探阵列用来进行反射光信号的接收。

2）、在被测矢量物未发生任何改变时，激光器发出的激光经反射棱镜反射后，经第一透镜聚焦后，再由第一光电测探阵列进行反射光信号的接收并输入计算机。

3）、被测矢量物在空间上有角度改变时，激光器发射出的激光在反射棱镜上的入射位置也会随之改变，从而导致反射棱镜上光线反射到第二光电测探阵列上。

4）、第一光电测探阵列和第二光电测探阵列通过光电编码机将光信号转变为电信号，并将采集到的该电信号数据送入计算机，由计算机执行如下步骤进行分析计算，获得被测矢量物在空间上改变的角度信息。

4.1）、入射光在反射棱镜上的坐标为：

上式中为光源的空间坐标，为入射光在反射棱镜上的光点坐标，为光源光束在参考坐标x-z和y-z面上的投影线相对于z轴的夹角；

4.2）、入射光经反射棱镜反射后在第一光电测探阵列上的像点坐标为：

上式中，为第一光电测探阵列上的光点坐标，为第一透镜和第二透镜的焦距；

4.3）、入射光经反射棱镜反射后在第二光电测探阵列上的像点坐标为：

上式中，为第二光电测探阵列上的像点坐标，为第二透镜上的光点坐标；

4.4）、将以上各式联立，可得：

。

5）、被测矢量物的空间角度改变可以通过比较在两个光电测探阵列上的像点差异实现，获得被测矢量物角度偏离信息后，通过串口通讯将偏离坐标信息传送到单片机中，由单片机控制数控转台在三维方向上的转动，控制被测矢量物转回原始位置，从而实现复位功能。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.空间矢量物三维旋转坐标测量方法，其特征在于：在该方法中采用了一种测量装置，该测量装置包括激光器、反射棱镜、第一光电测探阵列、第二光电测探阵列、第一透镜、第二透镜和计算机；

该方法包括如下步骤：

1)、在被测矢量物的测试点上安装激光器，在被测矢量物旁边的一侧放置反射棱镜，并在被测矢量物旁边的另一侧放置第一透镜和第二透镜，且在第一透镜后放置第一光电测探阵列，在第二透镜后放置第二光电测探阵列，第一光电测探阵列和第二光电测探阵列用来进行反射光信号的接收；

2)、在被测矢量物未发生任何空间角度改变时，激光器发出的激光经反射棱镜反射后，经第一透镜聚焦后，再由第一光电测探阵列进行反射光信号的接收并输入计算机，由计算机作为标准储存在计算机处理系统的数据库中；

3)、被测矢量物在空间上有角度改变时，激光器发射出的激光在反射棱镜上的入射位置也会随之改变，从而导致反射棱镜上光线反射到第二光电测探阵列上；

4)、第一光电测探阵列和第二光电测探阵列通过光电编码机将光信号转变为电信号，并将采集到的该电信号数据送入计算机，由计算机执行如下步骤进行分析计算，获得被测矢量物在空间上改变的角度信息；

4.1)、入射光在反射棱镜上的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=x_0-(z_1-z_0)\tan {\mathrm{\θ}}_x\\ y_1=y_0-(z_1-z_0)\tan {\mathrm{\θ}}_y\end{array}\right.$

上式中，x₀,y₀,z₀为激光器的空间坐标,x₁,y₁,z₁为入射光在反射棱镜上的光点坐标，θ_x,θ_y为激光束在设定坐标x-z和y-z面上的投影线相对于z轴的夹角；

4.2)、入射光经棱镜反射后在第一光电测探阵列上的像点坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{F}{z_1}{x}_1=\frac{F}{z_1}(x_0+z_0\tan {\mathrm{\θ}}_x)-F\tan {\mathrm{\θ}}_x\\ y_i=\frac{F}{z_1}{y}_1=\frac{F}{z_1}(y_0+z_0\tan {\mathrm{\θ}}_y)-F\tan {\mathrm{\θ}}_y\end{array}\right.$

上式中，x_i,y_i为第一光电测探阵列上的光点坐标，F为第一透镜和第二透镜的焦距；

4.3)、入射光经棱镜反射后在第二光电测探阵列上的像点坐标为：

$x_{i2}=\frac{F(x_1-x_2)}{z_1-z_2}$

$y_{i2}=\frac{F(y_1-y_2)}{z_1-z_2}$

上式中，x_i2,y_i2为第二光电测探阵列上的像点坐标，x₂,y₂,z₂为第二透镜上的光点坐标；

4.4)、将以上各式联立，可得：

$z_1=\frac{{\mathrm{Fx}}_2-z_2{x}_{i2}}{x_i-x_{i2}};$

5)、被测矢量物的空间角度改变可以通过比较在两个光电测探阵列上的像点差异实现，获得被测矢量物偏离角度的信息后，通过串口通讯将偏离信息传送到单片机中，由单片机控制数控转台在三维方向上的转动，控制被测矢量物转回原始位置，从而实现复位功能。