[发明专利]三维转角测量方法及其装置

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

为解决现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案如下：

一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θ，5°≤θ≤20°，所述第一自准直仪与第二自准直仪的夹角也为θ，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。

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，

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，

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。

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。

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θ的优选范围为10°±2′。

利用上述装置进行三维转角测量的方法，其特殊之处在于：

1)建立OXYZ坐标系、O₁X₁Y₁Z₁坐标系、O₂X₂Y₂Z₂坐标系，OXYZ为被测物体测量坐标系，O₁X₁Y₁Z₁为第一自准直仪测量坐标系，O ₂X₂Y₂Z₂为第二自准直仪测量坐标系，

其中OXZ、O₁X₁Z₁、O₂X₂Z₂均在水平面内，OY轴、O₁Y₁轴、O₂Y₂轴与水平面垂直，坐标系符合右手法则，坐标系OXYZ与坐标系O₁X₁Y₁Z₁重合，坐标系O₂X₂Y₂Z₂为坐标系O₁X₁Y₁Z₁绕O₁Y₁轴逆时针旋转θ角度后得到，θ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：α1_x和α1_y，其中α1_x为反射部件绕Y轴的转角变化量，即被测物体的偏摆角β；α1_y为反射部件绕Z轴的转角变化量，即被测物体的俯仰角ω；