多感测头协同三维测量的定基准二自由度旋转系统及方法

本发明涉及振动测量、仪器安装与调试，具体地，涉及一种多感测头协同三维测量的定基准二自由度旋转系统及方法。

背景技术：

1、在工程中，常需要使用各类检测仪器完成对目标的检测。检测类别包括雷达电磁波检测、相机视觉分析、激光检测等。仪器的非接触式检测是目标物力学强度校核、振动信息获取等技术领域的关键步骤。实际应用前，由于目标物体积庞大等客观因素，需要检测仪器向目标远程发射、感知信号。若仪器与目标不处于同一水平线，应调节仪器的俯仰角度并加以固定。实验准备阶段，以一定的间距和角度布置多部仪器实现三维检测是采集目标空间信息变化的有效方案。例如，三维测振是对目标实现精确振动检测的常用手段。实验时，各部仪器经角度调节使其发射信号波束更加聚焦；其相互协同配合，同时采集时域信号。当场景变化时，通过改变仪器角度以调整系统视场与待测区域。由于仪器相对目标的位置、角度相异，因此采集信号间将对应存在频率、相位等差异。通过对数据的提取，结合感测头位置信息等组合分析，可从中计算相关参数、完成对目标物的远程检测。下文中，以感测头代指仪器内信号传感模块。实验时各仪器感测头应组合在同一平面上，朝向目标。通常，仪器内感测头位于其内部靠近中央的特定位置。改变仪器朝向角度，各感测头仍应保持在该平面上以保证精度。三维测量的核心在于检测仪相互以确定的间距、角度为标准对目标进行检测，因此其测试精度受感测头的共面定位精度影响较为显著。搭建检测仪阵列，首先应拼接阵列的骨架，骨架可由连杆组装而成，在各连杆末端安装仪器后组成检测系统。例如，常搭建等边三角形骨架以形成等间距检测组合。当骨架已定型时，使用前应调节各仪器检测朝向，确保每部仪器均能完整接收采集信号。因此，在系统内各部检测仪常常需调节角度朝向以适应不同工况。由于骨架结构决定着仪器检测特点，如等间距排布，则仪器在调节时应规避过大的位置变动，以保持各感测头坐标稳定。

2、检测前，各部仪器需选择以采集面较广的姿态角安装并固定。目前，角度调节的方案采用在仪器机壳底面安装球铰型旋转基座实现。球铰一侧固定，另一侧与机壳连接；通过转动球铰调节仪器的朝向并固定。

3、目前的角度调节方案存在一定的限制。首先，需要选用连接口相匹配的外框、球铰基座，流程繁琐。其次，由于旋转中心位于机壳底部，调节位姿会引起多感测头中心不共面。因此，需设计能够减少因感测头位姿调节而产生多感测头不共面导致三维解算误差的新型角度调节装置。

4、现有技术存在以下缺点：

5、1、针对基于装配于仪器底面的旋转系统。在仪器调节过程中，底面球铰为固定点；因此仪器包含内部传感模块(或称感测头)将围绕球铰转动；因此，传感模块组间的距离发生偏移，且由于感测头具有一定的结构宽度，多感测头的中心会产生不共面的问题，进而，无法维持对目标物的定基准和坐标系测量，引起三维测量解算的较大误差。

6、2、针对一体式球铰型旋转系统，由于机壳表面存在无孔、孔径尺寸不一等情形，需要针对不同的型号选配基座及紧固件；存在成本较高，通用性差等问题。此外，装配于底面的旋转系统需承受仪器全部重力，通过单一紧固点依靠螺栓静摩擦力固定并承受倾转力矩难以稳定保持仪器的角度。因此该设计存在承受应力集中、承受过大弯矩等弊端。

7、专利文献cn113670190a公开了一种基于巨磁电阻芯片的角度传感器，其结构包括转轴、同步轮、操作箱，转轴上设有同步轮，同步轮与转轴相连接，操作箱上设有转轴，转轴与操作箱间隙配合，操作箱设有箱体、回旋轴、后盖、芯片、磁铁、稳定器，箱体内部设有回旋轴，回旋轴与箱体嵌合，回旋轴上安装有磁铁，磁铁与回旋轴相连接，稳定器安装在箱体上。但该发明没有解决调节时因旋转中心在底部而造成感测头的坐标偏移、引起数据误差问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多感测头协同三维测量的定基准二自由度旋转系统及方法。

2、根据本发明提供的一种多感测头协同三维测量的定基准二自由度旋转系统，包括：

3、仪器夹持结构：用于夹持检测仪器或感测头，固定其空间位置，并设有调节俯仰角的轴孔；轴孔轴线与仪器感测头的水平分线共线；

4、俯仰向旋转调节结构：用于调节仪器或感测头的俯仰感知方向，由支撑部件和转轴组成。

5、水平向旋转调节结构：用于调节仪器或感测头的水平感知方向，与俯仰向旋转调节结构组成转动副。

6、优选地，在所述仪器夹持结构中：

7、仪器夹持结构依据仪器表面各功能区分布预留挖空处，调节角度时仪器保持与外界的通信与供电；根据仪器的外形特征，夹持结构能够包含且支撑仪器；夹持结构开设一个或多个镂空面，用以装入仪器、实现通电与通信功能；夹持结构设有仪器定位机构。在夹持结构侧面水平方向开设俯仰向旋转轴固定孔；

8、优选地，在所述俯仰向旋转调节结构中：

9、俯仰向旋转调节结构与仪器夹持结构相连接并实现支撑功能；俯仰向旋转调节结构的支撑臂上开设转轴孔，与仪器夹持结构的轴孔在装配时共线；在支撑臂上设有转轴定位机构；根据下述水平向旋转调节结构特点，在俯仰向旋转调节结构上开设数个连接孔；该机构与水平向旋转结构的连接中心应与水平向转动中轴线共线。

10、优选地，在所述水平向旋转调节结构中：

11、水平向旋转调节结构包含旋转结构与底部连接结构等。

12、所述旋转结构，指实现俯仰向旋转调节结构与底部连接结构相对转动的转动副；保持感测头中心位置与水平向旋转调节结构的旋转轴线同心；所述底部连接结构，其一端连接转动副部件且空间位置固定；各部检测仪器的连接结构并联至一体式骨架。

13、根据本发明提供的一种多感测头协同三维测量的定基准二自由度旋转方法，采用所述的多感测头协同三维测量的定基准二自由度旋转系统，执行包括：

14、步骤s1：基于二自由度旋转系统夹持感测头进行安装固定，使每个感测头的结构中心处于同一平面；

15、步骤s2：根据需要，进行二自由度的角度调节，使用以仪器夹持结构、俯仰向旋转调节结构、水平向旋转调节结构为主体的部件完成必要的角度调节并固定；

16、步骤s3：采集检测多感测头数据，通过三维解算重构目标三维运动信息。

17、优选地，在所述步骤s2中：

18、仪器在夹持结构中的装配方法为：

19、步骤s2.1.1：使用前，确认各仪器检测单元的空间位置，完成底部连接结构的配置，将仪器沿边线装入夹持结构中，信号发射或采集面朝向目标；

20、步骤s2.1.2：当仪器装配至位置后，使用包括顶丝压紧固定、周向摩擦固定在内的方式将检测仪器固定于该相对位置。

21、优选地，在所述步骤s2中：

22、仪器夹持结构与俯仰向旋转调节结构的连接、固定办法：

23、步骤s2.2.1：将仪器夹持结构两侧装配孔与俯仰向旋转调节结构轴孔中心线对齐，将转轴分别穿过俯仰向旋转调节结构轴孔与仪器夹持结构装配孔；

24、步骤s2.2.2：将转轴连接至仪器夹持结构处，使用工件将二者连接并紧固；所述转轴可通过开设螺孔、设置凸起等方式与仪器夹持结构相固接；

25、步骤s2.2.3：调整夹持结构与俯仰向旋转调节结构的相对俯仰角度，调节完成后在轴孔上使用包括顶丝压紧固定、螺丝旋紧间隙固定等方式将转轴紧固；

26、步骤s2.2.4：安装实现俯仰向旋转调节结构与底部连接结构相对转动的转动副；转动副可由旋转滑台等实现；装配中保持各转动副轴线与感测头同心；转动副可在角度调节完成后旋紧；

27、优选地，在所述步骤s3中：

28、使用安装固定完成的仪器向目标同时发射并采集信号；从采集信号中提取每部仪器各自的目标视线距离与位移信息，根据仪器间距与坐标设立无畸变的目标多维形变及位移参考坐标系；重构目标的多维运动情况。

29、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

30、1、本发明提供一种多感测头协同三维测量的、基准位固定的二自由度旋转系统装置，保持测试时感测头空间角度调节的必要自由度，同时实现多感测头结构中心间的距离不变，且使其处于同一平面，保证三维测量的解算坐标系的稳定，解决时解决调节时因旋转中心在底部而造成感测头的坐标偏移、多感测头不共面引起三维解算测量误差大，甚至失败的难题；

31、2、本发明提供一种制造成本低、稳定性好的支撑式旋转系统，解决现有球铰型底面旋转系统承受应力集中、弯曲力矩大的弊端；

32、3、本发明提供了一种固定基准(中心)的仪器姿态角调节仪，能够解决多感测头在实验调节时因旋转中心在底部而产生感测头坐标偏移问题，解决了采用底面球铰型调节器应力集中，承受过大力矩等影响耐用性、稳定性的问题；

33、4、本发明设计了一款能够实现双自由度调节下保持测量元件空间位置不变的旋转系统，实现了对仪器的均匀承力支撑臂设计。