[发明专利]一种基于光学的空间物体姿态测量装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种测量空间物体姿态角的装置及方法。

背景技术

在机械制造、航空、航天、国防、建筑等部门中，姿态角是需要确定的重要物理量。所谓姿态角，是指物体相对于参照物的空间方位角。在航空工业中，空间物体的支脚与导轨存在的间隙、传动机构存在的转动误差、安装支脚与基准的偏差直接影响空间物体的初始偏差角，进而影响空间物体的运动精度。同时为了满足实际需求的实时性与快速性，缩短初始阶段的准备时间必须尽快的获得空间物体初始姿态信息，其测量精度关乎到整个运动过程的成败。因此空间物体相对于基准的初始三维姿态信息，对于空间物体后续精准快速的运作是不可或缺的参数。因而研究空间物体的初始姿态信息具有重大的实用价值和现实意义。

在测量空间物体姿态时，由于目标所处的环境是复杂多变的，甚至有可能十分恶劣，因此用传感器测量等一般的测量方法，对测量设备的抗干扰能力要求将十分苛刻，并且将测量设备放在空间物体上不仅会影响目标的结构和重量等固有属性参数，而且在空间物体丢失或坠毁等情况下会造成测量设备的资源浪费。随着光电技术的发展，传统光学方法与光电接收器件相结合的光电测角方法以其高精度、高可靠性、实现简单、体积小、重量轻、可维护性好等优点在测角领域中得到了广泛的应用。由于光学测量是非接触测量，而且是全场测量，所以相对于传感器测量等其它的测量技术而言，光学测量技术具有简单、方便、可靠、价格低廉等优势。

在对空间物体的光学测量工作中，利用高速摄像机、经纬仪及远距离照相机等光学设备进行运动目标的测量是一种常用的测量手段。随着数字图像处理技术的迅速发展，图像处理速度越来越快，从而使得数字化的图像测量技术成为光测图像的必然发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供克服传统上用传感器检测精度低，易受外界干扰等问题的一种基于光学的空间物体姿态测量装置及其测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于光学的空间物体姿态测量装置，其特征是：包括光阑、分光棱镜、反射镜和接收器，所述的光阑、分光棱镜、反射镜和接收器按照如下方式布置：平行准直光线经光阑达到分光棱镜上，之后的光线分成两路，第一路直接到达接收器中，第二路经过与空间物体固连的反射镜上折射到接收器中。

本发明一种基于光学的空间物体姿态测量方法，其特征是：

当反射镜面随被检测物体绕X、Z、Y轴旋转ω(γ),β角后，镜面法向量也随之改变，并且其对应着反射面的三维转角的变化，同时接收器成像面上接受到的两十字位置也将发生变化，通过光学的自准直测量原理先解算出二维角度变化量：

假设反射镜平面的法向量I＝(1,0,0)^T,旋转之后向量:

其中：Rot_y＝β、Rot_z＝γ、Rot_x＝α分别绕OX轴、OY轴、OZ轴旋转α，β，γ角的坐标变换矩阵；

定义旋转后的向量I'与平面XOZ的夹角变化量为δ_y与平面XOY的夹角的变化量为δ_z，由I'的坐标可得：

设成像面接受十字光标的水平和竖直方向上的偏移量S_y，S_z，通过测量得到，设焦距为f，由自准直测量原理可得十字光标的位移量与反射面的偏摆角δ_1z和俯仰角δ_1y的关系如下：

S_z＝ftan(2δ_z),

S_y＝f tan(2δ_y).

由于分化板在反射镜面在接收器之间，分化板只随反射镜的X轴转动，可以检测横滚角的变化；

γ＝arctan((k₂-k₁)/(1+k₂k₁))

其中，γ为滚动角，k₁表示基准十字靶标的横轴或竖轴的斜率，k₂表示旋转之后的十字靶标的横轴或者竖轴的斜率；

从而，通过图像对光标的检测获得被测物体的三维姿态角。

本发明的优势在于：

(1)采用由于光学测量是非接触测量，而且是全场测量，所以相对于传感器测量等其它的测量技术而言，光学测量技术具有简单、方便、可靠、价格低廉等优势。