[发明专利]目标空间位置及姿态激光跟踪测量系统及其测量

说明书

本发明属于激光精密测量技术领域，特别涉及激光跟踪运动目标空间位置与姿态测量的方法与系统设计。

工业中位置坐标测量仪器主要有三坐标测量机(CMM)、电子经纬仪跟踪站、全站仪极坐标测量系统以及数字摄像测量系统。它们的坐标计算原理分别为：CMM采用测长系统直接输出，电子经纬仪跟踪站采用空间三角法，全站仪极坐标测量系统采用极坐标法，数字摄象系统采用视觉变换和坐标变换。但CMM的测量范围有限(一般不超过2m)，电子经纬仪工作站的测量精度随测量距离增加而下降，全站仪在近距离时测量精度低，而数字摄象系统的测量精度受背景光及光源位置的影响。而且上述各方法均为静态或极低速的测量。因此，近年来国内外的几何量计量测试工作者积极研究激光跟踪测量系统以测量运动目标的位置坐标。目前通常采用激光干涉法和三角法测量技术。该方法采用激光作为光源，在被测目标上安置光学反射镜，通过激光束不间断地跟踪反射镜来实时测量被测目标的位置坐标。

对于工业领域内运动目标姿态测量的研究，目前基本上仅限于标定机器人终端执行器的姿态，而且传统的姿态测量手段要求机器人处于静态或较低速的运动状态下，采用多个测长传感器(千分表)静态标定机器人手臂的姿态，近来有人采用视觉CCD主动摄象方法测量运动目标的姿态，采用一个跟踪站，使用角隅棱镜作为目标反射镜，并通过CCD摄象器件测量角隅棱镜的三个棱之间的夹角计算目标的姿态。由于角隅棱镜的有效工作角小于±20°，CCD器件的转换速率较低，因此只能适用于小范围内、较低速低精度的姿态测量。

本发明的目的在于为克服传统位置及姿态测量装置的不足之处，提出一种目标空间位置及姿态激光跟踪测量系统及其测量方法，采用多站纯距离法和单站角度距离法分别跟踪测量了三维运动目标的空间坐标。使得测量对象的范围扩大(大于120°)，并可以实现快速运动对象空间位置、速度、加速度以及全姿态的实时测量。

本发明提出一种运动目标空间位置与姿态的激光跟踪测量系统，包括目标反射镜、由二维伺服跟踪系统、光电检测系统、反馈控制跟踪系统所组成的跟踪站及安装其上的激光测距系统、以及与跟踪站相连的计算机控制与数据采集处理系统；其特征在于，所说的目标反射镜由固定于被测的运动目标之上的一个以上反射镜组成的组合目标反射镜组，各反射镜按适合于姿态测量的一定空间位置关系分布；所说的跟踪站为由一个以上跟踪站构成的跟踪站群；所说的计算机控制与数据采集处理系统包括计算机及其接口及转换电路，以及存储在所说的计算机中的跟踪控制算法软件、被测目标参数的计算软件。

本发明所说的组合目标反射镜组可由平面反射镜、实心角隅棱镜、空心角隅棱镜或“猫眼”反射镜等类型的逆反射镜的一种或多种组合。

所说的激光测距系统可以是激光双频长度测量干涉仪、激光测距仪、绝对距离激光测距仪之一种；其出射光线与入射光线同路或有固定偏移量。

所说的二维伺服跟踪系统，可包括跟踪轴架、跟踪镜以及驱动执行元件；跟踪轴架两轴垂直、正交或不正交；轴上安装有实时地测量出轴的转角的编码器；驱动执行元件可为直流伺服电机、交流伺服电机、步进伺服电机或其它类型的揉性机构之一种，所说的跟踪镜安装在两轴旋转跟踪架上，由跟踪架带动跟踪镜作二维旋转运动，所说的驱动执行元件，装在跟踪轴架上，驱动跟踪轴架旋转。

所说的光电检测系统，可包括光学分束器件、光电探测器与光电转换电路；该光电探测器采用CCD、四象限光电池或PSD器件之一种；由目标镜返回的部分光束经光学元件后由光电探测器接收并由光电转换电路转换成电信号。该光学分束器件的透过率和反射率可具有各种透反比。

所说的反馈控制跟踪系统，可包括经电路连接的硬件的控制电路、功率放大电路及其保护电路；该硬件的控制电路可包括测速反馈、位置反馈以及电流反馈电路，或者它们的组合；光电探测器输出信号，经放大处理送入反馈控制跟踪系统，产生偏差信号和驱动信号，通过接口驱动电机等驱动执行元件做二维旋转运动。

所说的接口及转换电路可包括并行或串行的硬件接口电路、A/D转换器和D/A转换器。

所说的跟踪控制算法软件可采用传统的模拟或数字PID控制算法、自适应预测控制算法或模糊逻辑控制算法编制而成。

本发明提出一种采用上述系统的测量方法，其特征在于包括：目标的跟踪以及目标姿态的测量两部分，所说目标跟踪由以下步骤所组成：

(1)将目标反射镜组刚性固定于被测对象上，并由被测对象带动作相应的运动；