[发明专利]一种三维姿态测量方法

说明书

本发明公开了一种三维姿态测量方法，通过构建虚拟单维高分辨成像元件，显著提高了光斑斜率测量的精度，进而实现高精度的滚转角测量，使一次测量过程能够同时实现秒级三维高精度姿态测量。

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种三维姿态测量方法。

背景技术

光电自准直仪是一种利用光的自准直原理测量小角度的仪器。现有技术中，在对待测量目标进行姿态测量时，利用光电自准直仪可有效实现方位、俯仰二维角度的秒级精度测量。关于滚转角测量，公开号CN1335483A等专利提出了偏振相位法测量方案，但是上述方法都无法同时实现高精度三维姿态测量。在现有技术中，也有技术提出了基于自准直仪的三维姿态测量方法，该方法中方位、俯仰角度测量具有常规自准直仪的高精度，但滚转角测量精度受限于目前的CMOS成像元件的分辨率，最高只能达到约10″量级。具体分析如下：

当前CMOS成像元件分辨率为千万像素级别，例如4800万像素，单维像素约为几千，例如4800万像素分别率即为8000×6000(4：3)。根据现有技术中滚转角的测量原理，需对成像进行斜率计算。如图2所示，十字光斑斜率a＝y/L，因此滚转角测量精度取决于y的测量精度与L的最大值。不考虑算法优化y测量精度为1个像素，L最大值为成像元件的单维像素。按照前述4800万像素成像元件的分辨率计算，其斜率测量精度为1/8000＝25.8〞，由于从原理上讲滚转角为斜率变化的1/2，因此滚转角测量精度约13〞。

总之，现有技术中采用光电自准直仪测量目标三维姿态的方法，仍然存在滚转角测量精度不高的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种三维姿态测量方法，能够解决当前成像元件分辨率不足的问题，实现对测量目标的秒级三维姿态测量。

本发明提供的一种三维姿态测量方法，包括以下步骤：

步骤1、将待测量目标与反射面组合体固定；

步骤2、将光电自准直仪中测量滚转角的光电传感器替换为虚拟单维高分辨成像元件；所述虚拟单维高分辨成像元件包括基底和两个CMOS成像元件，所述两个CMOS成像元件分别固定于所述基底的同侧两端，所述基底的长度大于10倍的所述CMOS成像元件的尺寸；

步骤3、采用公式(1)统一所述两个CMOS成像元件的坐标系：

其中，(x,y)、(x′,y′)分别为两个CMOS成像元件的坐标系中的坐标，θ、x₀、y₀均为坐标系变换参数；

θ的计算过程为：将待测量目标任意旋转一个滚转角度，在两个CMOS成像元件的坐标系中分别采用公式(2)和公式(3)拟合求得滚转角，计算两个坐标系下滚转角的差值θ₁-θ′₁即为θ的取值，即θ＝θ₁-θ′₁，其中，b₁及b′₁均为拟合参数；

y＝tanθ₁*x+b₁ (2)

y′＝tanθ′₁*x′+b′₁ (3)

采用公式(4)计算x₀、y₀的取值：

步骤4、采用步骤3得到的统一坐标系，分别计算CMOS1和CMOS2上的光强质心，由质心连线即可计算得到光斑斜率。

进一步地，所述基底的材料为熔融石英。

有益效果：