三维转角测量方法及其装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电测量技术领域，涉及一种基于自准直测量技术实现三维转角测量 的方法及其装置。
【背景技术】
[0002] 物体在空间旋转有三个自由度：俯仰角、偏摆角和滚转角，其中俯仰角和偏摆角测 量可以采用常规光电测量方法（如自准直仪测量）获取，而实现滚转角的高精度测量一直 是精密测量技术领域的一个难题。目前，国内外对滚转角测量主要有激光干涉法、偏振光测 量方法和基于图像处理的测量方法等。
[0003] 激光干涉法通过将滚转角变化转换成光程差从而实现测量，虽然激光干涉法可以 实现高精度滚转角测量，但前提是需要保证其他二维角度（俯仰角和偏摆角）在测量过程 中不能发生变化，否则会影响到滚转角测量精度。
[0004] 偏振光测量方法是基于磁光调制原理，利用检测出的线偏振光偏振方向与检偏器 光轴夹角计算出滚转角，起偏器和检偏器需要分别处在两个单元设备中才能完成角度测 量。偏振光检测方法的光机系统设计复杂，且测量设备体积较大不利于安装在被测物体上， 存在一定的应用局限性。
[0005] 基于图像处理的测量方法，是在被测物体上安装合作目标，通过拍摄合作目标的 变化来实现滚转角测量。这种方法虽然比较容易实现，但拍摄相机所用的图像传感器分辨 率是限制其测量精度的瓶颈，测量精度难以提高。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种基于自准直测量技术来实现三维 转角测量的方法，利用本装置可以实现对三维转角的高精度测量。
[0007] 为解决现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案如下：
[0008] -种三维转角测量装置，其特殊之处在于：包括反射部件、第一自准直仪、第二自 准直仪，所述反射部件安装在被测物体上，所述反射部件包括正反射面和斜反射面，所述正 反射面和斜反射面的夹角为9，5° < 0 <20°，所述第一自准直仪与第二自准直仪的夹 角也为0，所述第一自准直仪正对正反射面且第一自准直仪的光轴与正反射面垂直，所述 第二自准直仪正对斜反射面且第二自准直仪的光轴与斜反射面垂直。
[0009] 上述第一自准直仪与第二自准直仪为二维自准直仪或一维自准直仪，
[0010] 当为一维自准直仪时，所述第一自准直仪的数量为2且并行设置，所述第二自准 直仪的数量为2且并行设置，
[0011] 当为二维自准直仪时，所述第一自准直仪的数量为1，所述第二自准直仪的数量为 1〇
[0012] 二维自准直仪中的光电探测器件为面阵CMOS图像传感器或面阵(XD，一维自准直 仪中的光电探测器件为线阵CCD。
[0013] 综合考虑发明装置的测量精度、设备体积及测量距离等因素，本发明中0的优选 范围为10° ±2'。
[0014] 利用上述装置进行三维转角测量的方法，其特殊之处在于：
[0015] 1)建立OXYZ坐标系、OAYA坐标系、0 2X2Y2Z2坐标系，OXYZ为被测物体测量坐标 系，OAYA为第一自准直仪测量坐标系，0 2X2Y2Z2为第二自准直仪测量坐标系，
[0016] 其中OXZ、OAZp02X2Z2均在水平面内，0Y轴、0A轴、02Y2轴与水平面垂直，坐标 系符合右手法则，坐标系0XYZ与坐标系OAYiZi重合，坐标系0 2X2Y2Z2为坐标系0iXJiZi绕 轴逆时针旋转0角度后得到，0值为反射部件两反射面的固定夹角；
[0017] 2)第一自准直仪对正反射面进行准直测量，得出两个测量角度值：a 1JP a ly，其 中alx为反射部件绕Y轴的转角变化量，即被测物体的偏摆角0 ;a1y为反射部件绕Z轴 的转角变化量，即被测物体的俯仰角《 ;
[0018] 3)第二自准直仪对斜反射面进行准直测量，得出两个测量角度值：a2JPa2y，其 中a2X为反射部件绕Y轴的转角变化量，与a1，值相同；a2y为第二自准直仪测得在像素 坐标系Y轴上的角度变化量，它包含了两种角度信息：滚转角分量a和aly分量《 ;
[0019] 4)根据步骤2)、3)测得的角度值a ly、a 2y及两反射面固定夹角0计算出被测 物体的滚转角。
[0020] 滚转角的计算公式与具体推导过程相对应，本发明中的滚转角计算公式为：
[0021]
【主权项】
1. 一种三维转角测量装置，其特征在于：包括反射部件、第一自准直仪、第二自准直 仪，所述反射部件安装在被测物体上，所述反射部件包括正反射面和斜反射面，所述正反射 面和斜反射面的夹角为9，5° < 0 <20°，所述第一自准直仪与第二自准直仪的夹角也 为9，所述第一自准直仪正对正反射面且第一自准直仪的光轴与正反射面垂直，所述第二 自准直仪正对斜反射面且第二自准直仪的光轴与斜反射面垂直。
2. 根据权利要求1所述的三维转角测量装置，其特征在于：所述第一自准直仪与第二 自准直仪为二维自准直仪或一维自准直仪， 当为一维自准直仪时，所述第一自准直仪的数量为2个且并行设置，所述第二自准直 仪的数量为2且并行设置， 当为二维自准直仪时，所述第一自准直仪的数量为1个。
3. 根据权利要求2所述的三维转角测量装置，其特征在于：二维自准直仪中的光电探 测器件为面阵CMOS图像传感器或面阵CCD，一维自准直仪中的光电探测器件为线阵CCD。
4. 根据权利要求1至3之一所述的三维转角测量装置，其特征在于：10° <0 <20°。
5. 根据权利要求4所述的三维转角测量装置，其特征在于：0 =10° ±2'。
6. 根据权利要求5所述的三维转角测量装置，其特征在于：所述第一自准直仪的光轴 与正反射面法线夹角、所述第一自准直仪光轴与斜反射面法线夹角误差均在±2'范围 内。
7. 根据权利要求1至6之一所述装置进行三维转角测量的方法，其特征在于： 1) 建立0XYZ坐标系、0AYA坐标系、02X2Y2Z2坐标系，0XYZ为被测物体测量坐标系， 0AYA为第一自准直仪测量坐标系，02X2Y2Z2为第二自准直仪测量坐标系， 其中OXZ、OAZi、02X2Z2均在水平面内，0Y轴、0A轴、02Y2轴与水平面垂直，坐标系符合 右手法则，坐标系0XYZ与坐标系0AY&重合，坐标系02X2Y2Z2为坐标系0 绕0 &轴 逆时针旋转9角度后得到，9值为反射部件两反射面的固定夹角； 2) 第一自准直仪对正反射面进行准直测量，得出两个测量角度值：a1JPaly，其中 alx为反射部件绕Y轴的转角变化量，即被测物体的偏摆角0;a1y为反射部件绕Z轴的 转角变化量，即被测物体的俯仰角《 ; 3) 第二自准直仪对斜反射面进行准直测量，得出两个测量角度值：a2JPa2 y，其中 a2x为反射部件绕Y轴的转角变化量，与a^值相同；a2y为第二自准直仪测得在像素坐 标系Y轴上的角度变化量，它包含了两种角度信息：滚转角分量a和aly分量《 ; 4) 根据步骤2)、3)测得的角度值aly、a2y及两反射面固定夹角0计算出被测物体 的滚转角。
8. 根据权利要求7所述的三维转角测量的方法，其特征在于：滚转角的计算公式为：
【专利摘要】本发明涉及一种三维转角测量方法及其装置，包括一个由两个二维自准直仪构成的测量装置本体和一个反射部件即合作目标)。测量时，测量装置中的第一自准直仪瞄准反射部件正反射面，通过光学自准直测量原理测量出反射部件正反射面的两维角度变化量；同理，第二自准直仪测量出反射部件斜反射面的两维角度变化量。三维测量装置的数据处理中心接收到这些角度信息后，根据公式即可解算出三维转角的角度值，实现了被测物体在空间的三维姿态变化量，具有实现方式简单、技术成熟可靠、安装操作方便的特点。
【IPC分类】G01B11-26
【公开号】CN104697472
【申请号】CN201510083944
【发明人】杨东来, 白建明, 胡晓东, 于芳苏, 赵小东, 孙国燕
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年2月17日