[发明专利]低动态水平/方位角在线测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间角度的实时测量装置及测量方法，具体地说是一种低动态水平/方位角在线测量装置及测量方法。

背景技术

空间角度的测量是工程测量的重要组成部分。随着科学和生产的不断发展，空间角度测量越来越广泛地应用于机械、建筑、航空、航天、航海等各个领域。目前空间角度测量主要凭借陀螺仪来完成。然而使用陀螺仪进行角度测量时，其测量误差的积分效应会使测量精度越来越低，所以在使用一段时间后需要对其测量装置进行校准以消除累计误差。消除累计误差的方法有很多种，其中直接给定高精度角度基准(积分初始角)是一种较为便捷的方法。

除了利用陀螺仪测量空间角度外，在低动态条件下还有利用重力测量角度的各种倾斜检测仪器，例如倾角传感器、电子水平仪以及光学自准直水平测量装置，这些测量装置的成本随着测量精度的提高而大幅度增加，且这类方法只能对水平角进行测量，要测量竖直角则需要再加入罗盘等测量仪器，这样又增加了测量装置的体积质量和成本。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种低动态水平/方位角在线测量装置，以解决用陀螺仪测量空间角度存在误差较大的问题。

本发明的目的之二就是提供一种低动态水平/方位角在线测量方法，以实时监测被测对象空间角度的变化，且可以为陀螺仪累计误差的消除提供基准。

本发明的目的之一是这样实现的：一种低动态水平/方位角在线测量装置，包括有：对水平/方位角进行探测和成像的探测成像单元，用于对所述探测成像单元的成像信息进行图像采集和图像处理以求解水平/方位角的信息处理单元；用于显示水平/方位角测量结果的显示器，以及用于进行控制和信息输入的键盘。

所述探测成像单元包括有：

稳定靶标单元，用于在低动态条件下保持空间角度的稳定；

靶标成像单元，设置在所述稳定靶标单元的正上方，用于拍摄所述稳定靶标单元的探测状态信息；以及

连接件，将所述稳定靶标单元和所述靶标成像单元固定连接在一起。

所述稳定靶标单元包括：开设有半球形内腔的靶标座，放置在所述靶标座内腔中的中空半球形浮体，内置于所述半球形浮体底部的平面光源，设置在所述半球形浮体顶面的靶板，以及设置在所述半球形浮体顶面的条形磁铁。

在所述靶标座的内腔中充有悬浮液，在所述靶板的板面上开有若干条状透光孔，所述条状透光孔构成相互交叉的线条图案。

所述信息处理单元是包含有图像采集模块、图像处理模块和角度求解模块的嵌入式分析控制系统。

所述靶标成像单元是内设有可进行角度测量和垂直度测量的准直系统的CCD感光元件。

所述靶板的板面与所述CCD感光元件的光轴相垂直。

本发明测量装置采用稳定靶标加光学摄影的方式在线测量水平/方位角信息，利用地球重力和磁场力的作用，设计一个在低动态条件下相对世界坐标系稳定不变的靶标；利用CCD感光元件对靶标上的透光图案成像，再通过对靶标图像进行图像处理来求解被测对象水平/方位角变化。稳定靶标单元利用悬浮液对靶板的浮力作用，使靶板始终与大地水平面保持平行；在靶板下方嵌入条形磁铁，利用地球磁场力对条形磁铁的作用，使靶板的方位保持稳定。靶标内部自带光源，以保证能在光照条件不好的环境中使用。

本发明测量装置具有体积质量小、成本造价低、精度有保证的特点，采用光学摄影装置和稳定靶标作为基本平台，并利用稳定靶标单元为水平/方位角的测量提供基准，将光学摄影测量技术与稳定靶标技术有机结合在一起，解决低动态条件下物体水平/方位角状态变化监测、大型结构变形测量以及外场环境下快速消除陀螺仪累计误差等方面的难题。

本发明的目的之二是这样实现的：一种低动态空间角度的实时测量方法，包括以下步骤：

a、设置如权利要求1所述的低动态水平/方位角在线测量装置；

b、将探测成像单元水平放置，并将信息处理单元与靶标成像单元通过数据线相接，观察显示器所显示的数值，调整靶标成像单元中的CCD感光元件的光轴与靶板的位置，保证CCD感光元件的光轴与靶板的板面相垂直；

c、将探测成像单元固定在被测设备上，开启半球形浮体内部的光源，在被测设备的空间角度发生变化时，CCD感光元件的光轴也随着被测设备发生空间角度的变化，半球形浮体在悬浮液的浮力作用下，一直与大地水平面保持平行，CCD感光元件的光轴与半球形浮体顶面的靶板之间的角度发生变化，利用CCD感光元件对靶板上的透光孔的图案成像，通过对靶板透光孔的成像进行图像采集和图像处理；