专利名称：空间运动物体位姿的动态测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及空间运动物体位姿的动态测量装置及方法。
背景技术：
工业上经常需要动态地精密测量空间运动物体的位姿，以控制物体的空间运动。比如，近几年快速发展的关联机床，若要进一步提高其加工精度，需要能够动态地测量出其动平台的空间位姿信息，把信息反馈到驱动系统，实现运动的闭环控制。可是由于缺少动态测量动平台空间位姿的装置及方法，现在只能通过分析机床各项误差源，研究其产生误差的原因、误差分布、误差传递函数模型及误差合成计算等，最终来修整误差。而误差的产生原因非常复杂，而且是动态的，因此很难大幅度提高并联机床的加工精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间运动物体位姿的动态测量装置及方法，动态地测量出运动物体的空间位姿，把空间位姿信息反馈到驱动系统，实现运动的闭环控制，提高加工精度。
本发明的技术解决方案是空间运动物体位姿的动态测量装置主要由激光发射系统与光线接收系统组成，它们一个与待测量位姿的运动物体固定在一起，另一个相对于固定坐标系不动。其测量方法为光线接收系统识别其所接收的光线的方位并计算出光线的直线方程；激光发射系统循环地依次向不同方向发射激光脉冲，在每一个循环内，光线接收系统至少接收到两个不同方向激光脉冲，并计算出激光光线的直线方程，根据物体上不平行的两条直线的直线方程，即可求出该物体在坐标系中的位姿。
本发明测量的装置结构简单，测量方法简便易行，装置与方法的配合能动态地精密测量出空间运动物体的位姿，闭环地控制物体的空间运动，提高加工精度。
图1为本发明空间物体位姿的条件图2为本发明测量装置示意3为图2的光线接收系统的工作原理中1定平台、2聚光镜、3光线接收系统、4光线、5伸缩杆、6激光发射系统、7动平台、8刀具系统、9、10图像传感器具体实施方式
如图1所示，物体处于三维坐标系oxyz中，直线AB经过物体上的A、B两点，直线CD经过物体上C、D两点，AB与CD不平行。用数学方法可以证明根据AB、CD的直线方程能够确定物体的位姿。为了节约篇幅，下面用自由度的概念来说明这一点。
图中若直线AB固定，即AB直线方程已知，则物体还剩两个自由度物体可以绕直线AB转动，并能沿直线AB移动；若直线AB、CD同时固定，即AB、CD直线方程都已知，则物体的自由度为0，即可以确定物体在空间的位姿。
因此，若知道物体上不平行的两条直线方程，则可以求出该物体在坐标系中的位姿。根据这一原理，只要测量出某一时刻动平台上不平行两条直线的方程，就可以求出该时刻动平台的空间位姿。
如图2所示，测量装置主要由定平台1、聚光镜2、光线接收系统3，激光发射系统6、动平台7组成，聚光镱2和光线接收系统3固定在定平台1上，激光发射系统6固定在动平台7上，动平台7上连接刀具系统8，定平台1经伸缩杆5连接动平台7。
通过改变伸缩杆的长度，可以改变动平台的空间位姿。其中，聚光镜的作用是为了扩大测量范围，若激光发射系统上的激光器足够多或者光线接收系统的接收面积足够大，也可以不使用聚光镜。
聚光镜2与光线接收系统3与定平台1固定在一起，静止不动，组装后可以标定出它们的空间位姿，激光发射系统6与动平台7固定在一起随动平台一起运动，激光发射系统6上有多个激光器，激光器向不同方向发射激光，它们发出的激光彼此互不平行，工作时每个激光器依次发出激光脉冲，光线接收系统能够识别接收到的光线的空间方位，求出光线的直线方程。
位姿测量装置及方法的工作原理如下设在某一很短的时间周期T内，激光发射系统上的激光器依次发射出彼此互不平行的激光脉冲，至少有两个激光脉冲被光线接收系统接收到并求出激光光线的直线方程。由于激光器与动平台固结在一起，故其发射出的激光光线与动平台相互位置始终不变，因此，求出了激光发射系统发出的两道互不平行的激光光线的直线方程，就可以确定动平台的空间位姿。
如图3所示，光线接收系统3包括有聚光镜2和图像传感器9、10，在每个图像传感器的表面都有一个图中未标出的半反射镜，它们与相应的图中未标出的电路及软件一起构成光线接收系统。光线照射到半反射镜部分光线反射、部分光线透射。图像传感器相对于定平台即静坐标系不动，故可以标定出图像传感器上每一个像素的空间坐标。
图3中AB为激光器发射的光线，经聚光镜2反射后光线方向变为BC，光线BC到达图像传感器9表面上的半反射镜后，一部分透射被图像传感器9接收，另一部分被反射，其方向变为CD，光线CD到达图像传感器10表面上的半反射镜后部分被反射，部分透射被图像传感器10接收。由于图像传感器上的每一个像素坐标已经标定，故可以得知光线的反射点C、D两点的空间位置坐标，进而求出CD的直线方程。
由于光线CD是光线BC经半反射镜部分反射后形成的，故CD的强度比BC的强度弱，若BC透过图像传感器9表面半反射镜的光线强度比CD透过图像传感器10表面半反射镜的光线强度大，则C点像素接收到的信号比D点像素接收到的信号强，由此可以判定光线CD的传播方向是由C点到D点，确定光线的传播方向，即可唯一确定入射光线的方程。由于聚光镜、半反射镜的空间位置固定，故可以依次计算出光线CB、BA的直线方程。
AB为从激光发射系统发出的一条光线，其与动平台的相互位置是始终不变的。只要再求出激光发射系统发出的另一条与AB不平行的光线的直线方程，就可以确定动平台的位姿。
先接收到光线的像素C点信号强度比后接收到光线的像素D点信号强度大，但是当BC入射角大而CD的入射角小时可能不满足这一条件。还可以采取以下措施来确保以上条件的实现①合理设计结构，保证当BC的入射角过大时无法满足两块图像传感器都接收到光脉冲；②软件处理当计算发现光线CD与接收到光脉冲信号的两块图像传感器之一的表面法线夹角过大时即入射角过大，舍弃本次接收到信号；③在半反射镜表面安装衰减片，则C点接收到的光线只一次经过衰减片，而D点接收到的光线三次经过衰减片，其光线强度衰减比C点大。
当然，也可以先不判断光线CD的传播方向。则入射光线AB的直线方程有两种解，相应的定平台的位姿有多种不同的解，再根据定平台在前一时刻的位姿来判断哪一种解是真解。但此方法计算困难，大大增加软件的计算工作量。
在实际使用中，为了可靠地接收并识别不同方向的光线，光线接收系统至少包括3块彼此成一定角度的图像传感器。
需要指出的是各个激光器发出的激光脉冲依次产生而不是同时产生，只有这样才能识别光线接收系统接收到的光线是由哪一个激光器发出的。光线接收系统接收到的一条光线是动平台在t0时刻位姿下发出的，而接收到的下一条光线是动平台在t0+Δt时刻位姿下发出的，因此，根据光线的直线方程求出的动平台的位姿有一定的误差，尽管如此，由于动平台的运动速度是有限的，并且相邻激光脉冲之间的时间间隔足够短，所以误差是微不足道的。
由于测量过程不受定平台运动过程的干扰，因此能够动态地测量定平台的位姿。
根据运动的相对性原理可知，把激光发射系统固定，而把光线接收系统与聚光镜同动平台固定在一起，随动平台一起运动，同样可以实现动平台位姿的确定。
该测量系统不仅可以用于测量动平台的空间位姿，而且可以用于其它需要测量物体空间位姿的场合。
权利要求
1.空间运动物体位姿的动态测量装置，其特征在于它主要由激光发射系统与光线接收系统组成，它们一个与待测量位姿的运动物体固定在一起，另一个相对于固定坐标系不动。
2.根据权利要求1所述的空间运动物体位姿的动态测量装置，其特征在于测量装置主要由定平台(1)、聚光镜(2)、光线接收系统(3)，激光发射系统(6)、动平台(7)组成，聚光镱(2)和光线接收系统(3)固定在定平台(1)上，激光发射系统(6)固定在动平台(7)上，动平台(7)上连接刀具系统(8)，定平台(1)经伸缩杆(5)连接动平台(7)。
3.根据权利要求1所述的空间运动物体位姿的动态测量装置，其特征在于光线接收系统(3)由多个以上彼此成一定角度的图像传感器(9、10)组成，每一块图像传感器表面都有一块半反射镜。
4.根据权利要求2或3所述的空间运动物体位姿的动态测量装置，其特征在于半反射镜镜表面有衰减片。
5.根据权利要求2所述的空间运动物体位姿的动态测量装置，其特征在于激光发射系统(6)由多个激光器构成，激光器发出的光彼此互不平行。
6.根据权利要求1所述的空间运动物体位姿的动态测量装置的测量方法，其特征在于光线接收系统识别其所接收到的光线的方位，激光发射系统循环地依次向不同方向发射激光脉冲，在每一个循环内，光线接收系统至少接收到两个不同方向激光脉冲，并计算出激光光线的直线方程，根据物体上不平行的两条直线的直线方程，即可求出该物体要坐标系中的位姿。
全文摘要
本发明公开了空间运动物体位姿的动态测量装置及方法，测量装置主要由定平台(1)、聚光镜(2)、光线接收系统(3)，激光发射系统(6)、动平台(7)组成，聚光镜(2)和光线接收系统(3)固定在定平台(1)上，激光发射系统(6)固定在动平台(7)上，动平台(7)上连接刀具系统(8)，定平台(1)经伸缩杆(5)连接动平台(7)；聚光镜(2)与光线接收系统(3)与定平台(1)固定在一起，激光发射系统(6)与动平台(7)固定在一起随动平台一起运动。本发明的测量装置结构简单，测量方法简便易行，装置与方法配合动态地精密测量空间运动物体的位姿，闭环地控制物体的空间运动，提高加工精度。
文档编号G01B21/04GK1657871SQ20051003854
公开日2005年8月24日 申请日期2005年3月22日 优先权日2005年3月22日
发明者支前锋, 刘远伟 申请人:淮阴工学院