基于光学自准直原理的球形转子空间二维转角检测方法技术

本发明专利技术公开了基于光学自准直原理的球形转子空间二维转角检测方法。目前球形转子的多维回转角度检测技术还不成熟，传统的单自由度角位移检测方法难以直接应用。本发明专利技术的步骤：构造球形转子；球形转子的赤道面外围均布三个光电自准直仪测量装置组，每个光电自准直仪测量装置组均包括上、下光电自准直仪测量单元；光源发出的平行光经上平行光管或下平行光管透过透明壳体，照射到多面体上，反射光随球形转子的偏转而偏转，并经上平行光管或下平行光管成像到对应的高速线阵CCD相机上；通过三个光电自准直仪测量装置组获得球形转子相对竖直轴正向偏转的角度，计算出球形转子的偏转角和方位角。本发明专利技术基于光学自准直原理，具有高分辨率和测量精度。

【技术实现步骤摘要】
基于光学自准直原理的球形转子空间二维转角检测方法
本专利技术属于测量
，具体涉及一种基于光学自准直原理的球形转子空间二维转角检测方法。
技术介绍
传统的角度测量以单自由度运动对象为主，通常有机械式测角、电磁式测角和光学测角等方法。其中，光学测量技术的研究与应用得到较快发展，由于测角方法不同导致检测仪器种类多样，如光电编码器法、圆光栅法、激光干涉法、环形激光法等，大多数应用于小角度的精密测量中，可以获得较高的分辨率和测量精度，然而对于360°整周角度测量还需作适当的改进。例如，哈尔滨工业大学贾倩等提出一种基于光学自准直原理和高速线阵CCD相结合的方法实现转台转角的动态测量，采用多面棱体与被测转台同轴安装的结构形式对其回转角度进行细分并构建光学系统，满足高精度、大范围的连续测量要求。球形转子具有结构紧凑和运动灵活等特点，广泛应用于球形电机、球铰链、控制摇杆等领域。在实际应用中，球形转子受到相对约束的限制，通常具有二个或三个自由度的转动。目前，球形转子的多维回转角度检测技术还不成熟，并且传统的单自由度角位移检测方法难以直接应用。国内外部分学者对球形转子的多维回转角度检测技术开展了相关研究。例如，日本多摩川精机株式会社滨信治提出球体绝对角度的测量方法，其中球体由透明材料或能够透射可被图像识别装置识别的电磁波材料制成，可在球体表面上喷涂图案为QR二维或一维条形码，在编码中记录位置等信息。通过球体外部设置图像识别装置，对于检测到的图案进行处理后获得球体角度信息，然而该测量方法在实际应用场合中尚未发现。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于光学自准直原理的球形转子空间二维转角检测方法，实现球形转子相对于固定约束的偏转角和方位角的测量。本专利技术的具体步骤如下：步骤一、构造球形转子。所述的球形转子包括旋转体和透明壳体；所述的旋转体为正n边形绕中心转轴回转180°形成的多面体；透明壳体为内部中空的球体，套置在旋转体外。步骤二、在球形转子的赤道面外围沿圆周均布三个光电自准直仪测量装置组，其中，每个光电自准直仪测量装置组又包括两个测量单元：上光电自准直仪测量单元和下光电自准直仪测量单元；所述的上光电自准直仪测量单元包括上平行光管、光源、上高速线阵CCD相机和图像采集卡；所述的下光电自准直仪测量单元包括下平行光管、光源、下高速线阵CCD相机和图像采集卡；所述下平行光管和下高速线阵CCD相机的轴心线在球形转子的赤道面上，上平行光管和上高速线阵CCD相机的轴心线所在平面为赤道面向上偏转180°/n；下平行光管和上平行光管的测量范围均为180°/n。步骤三、光源发出的平行光经上平行光管或下平行光管透过透明壳体，照射到多面体上，反射光随球形转子的偏转而偏转，并经上平行光管成像到上高速线阵CCD相机上，或经下平行光管成像到下高速线阵CCD相机上。上高速线阵CCD相机和下高速线阵CCD相机将光像位置的位移信息转换成电信号，通过图像采集卡采集并传输给计算机。步骤四、通过三个光电自准直仪测量装置组获得球形转子相对竖直轴正向偏转的角度，然后由计算机计算出球形转子相对于固定约束的偏转角和方位角，其中，竖直轴的正向竖直向上。在球形转子不发生转动的初始位置，光源发出的光线照射在多面体上能反射到下平行光管的反射点分别记为A1、B1和C1。当球形转子偏转到偏转角为θ、方位角为对应的位置时，反射点A1、B1和C1随着球形转子赤道面的偏转分别移至点A2、B2和C2。三个光电自准直仪测量装置组检测到球形转子偏转的角度分别为θ1、θ2和θ3，其中，θ1、θ2和θ3的正负号规定：球形转子偏向竖直轴正向为正，偏向竖直轴负向为负。设透明壳体的半径为r，点A2、B2和C2的坐标值可分别设为(x1，y1，rsinθ1)，(x2，y2，rsinθ2)，(x3，y3，rsinθ3)。点A2、B2和C2相互之间对应的圆心角为120°，则可得：根据公式(1)，可解出x1、x2、x3、y1、y2和y3的值，即获得点A2、B2和C2的坐标。以分别表示x、y、z轴正向的单位向量，因此，球形转子的输出中心轴线法向量为：为了便于表示，记球形转子中心线的法向量其中：则偏转角θ和方位角为：所述的旋转体采用反光材料，所述的透明壳体采用耐磨材料。所述的光源采用高性能LED。对下高速线阵CCD相机和上高速线阵CCD相机采集的数据进行周期计数和角度累加处理，实现球形转子偏转过程中连续的动态角度测试。所述的下平行光管和上平行光管均包括聚光镜、分划板、分光棱镜和物镜；光源的平行光经聚光镜、分划板、分光棱镜和物镜照射到球形转子的多面体上。球形转子偏转时，平行光经过多面体的某一个面反射后经物镜和分光棱镜射到下高速线阵CCD相机或上高速线阵CCD相机上。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术通过布置三个相同的光电自准直仪测量装置组，根据高速线阵CCD接收的光信号位置变化转成相应的角度变化，利用检测的三个转角值，可解算出球形转子相对于固定约束的空间二维转角，即偏转角和方位角。2、本专利技术基于光学自准直原理，实现非接触测量，可以获得较高的分辨率和测量精度；此外，数据处理简单，可实现连续的动态角度测量。附图说明图1为本专利技术中球形转子的多面体结构立体图；图2为本专利技术中三个光电自准直仪测量装置组的分布示意图；图3为本专利技术中上光电自准直仪测量单元及下光电自准直仪测量单元与球形转子的相对位置示意图；图4为本专利技术中下平行光管及上平行光管的工作原理简图；图5为本专利技术测量球形转子的偏转角和方位角的原理图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明。基于光学自准直原理的球形转子空间二维转角检测方法，具体步骤如下：步骤一、构造球形转子。如图1所示，球形转子包括旋转体和透明壳体；旋转体为正多边形绕中心转轴回转180°形成的多面体1，旋转体采用反光材料；透明壳体为内部中空的球体，套置在旋转体外，采用耐磨材料，使球形转子具有良好的硬度和耐磨性。图1中以正十八边形为例，每个棱面对应的圆心角为20°。正多边形的边数越多，每个棱面对应的圆心角越小，相应地分辨率和精度也越高。步骤二、如图2和3所示，在球形转子的赤道面外围沿圆周均布三个光电自准直仪测量装置组2，光电自准直仪测量装置组2包括上光电自准直仪测量单元D2和下光电自准直仪测量单元D1；上光电自准直仪测量单元D2包括上平行光管3-2、光源4、上高速线阵CCD相机5-2和图像采集卡；光源4采用高性能LED；下光电自准直仪测量单元D1包括下平行光管3-1、光源4、下高速线阵CCD相机5-1和图像采集卡；下平行光管3-1和下高速线阵CCD相机5-1的轴心线在球形转子的赤道面上，上平行光管3-2和上高速线阵CCD相机5-2的轴心线所在平面为赤道面向上偏转10°；下平行光管3-1和上平行光管3-2的测量范围均为10°，两者结合可实现多面体1每一个面的全方位测角。步骤三、如图3所示，光源4发出的平行光经上平行光管3-2或下平行光管3-1透过透明壳体，照射到多面体1上，反射光随球形转子的偏转而偏转，并经上平行光管3-2成像到上高速线阵CCD相机5-2上，或经下平行光管3-1成像到下高速线阵CCD相机5-1上。上高速线阵CCD相机5-2和下高速线阵CCD相机5-1将光像位置的本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于光学自准直原理的球形转子空间二维转角检测方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：步骤一、构造球形转子；所述的球形转子包括旋转体和透明壳体；所述的旋转体为正n边形绕中心转轴回转180°形成的多面体；透明壳体为内部中空的球体，套置在旋转体外；步骤二、在球形转子的赤道面外围沿圆周均布三个光电自准直仪测量装置组，其中，每个光电自准直仪测量装置组又包括两个测量单元：上光电自准直仪测量单元和下光电自准直仪测量单元；所述的上光电自准直仪测量单元包括上平行光管、光源、上高速线阵CCD相机和图像采集卡；所述的下光电自准直仪测量单元包括下平行光管、光源、下高速线阵CCD相机和图像采集卡；所述下平行光管和下高速线阵CCD相机的轴心线在球形转子的赤道面上，上平行光管和上高速线阵CCD相机的轴心线所在平面为赤道面向上偏转180°/n；下平行光管和上平行光管的测量范围均为180°/n；步骤三、光源发出的平行光经上平行光管或下平行光管透过透明壳体，照射到多面体上，反射光随球形转子的偏转而偏转，并经上平行光管成像到上高速线阵CCD相机上，或经下平行光管成像到下高速线阵CCD相机上；上高速线阵CCD相机和下高速线阵CCD相机将光像位置的位移信息转换成电信号，通过图像采集卡采集并传输给计算机；步骤四、通过三个光电自准直仪测量装置组获得球形转子相对竖直轴正向偏转的角度，然后由计算机计算出球形转子相对于固定约束的偏转角和方位角，其中，竖直轴的正向竖直向上；在球形转子不发生转动的初始位置，光源发出的光线照射在多面体上能反射到下平行光管的反射点分别记为A1、B1和C1；当球形转子偏转到偏转角为θ、方位角为对应的位置时，反射点A1、B1和C1随着球形转子赤道面的偏转分别移至点A2、B2和C2；三个光电自准直仪测量装置组检测到球形转子偏转的角度分别为θ1、θ2和θ3，其中，θ1、θ2和θ3的正负号规定：球形转子偏向竖直轴正向为正，偏向竖直轴负向为负；设透明壳体的半径为r，点A2、B2和C2的坐标值可分别设为(x1，y1，rsinθ1)，(x2，y2，rsinθ2)，(x3，y3，rsinθ3)；点A2、B2和C2相互之间对应的圆心角为120°，则可得：xs2+ys2+(rsinθs)2=r2(s=1,2,3)|A2B2|=|B2C2|=|A2C2|=3r---(1)]]>根据公式(1)，可解出x1、x2、x3、y1、y2和y3的值，即获得点A2、B2和C2的坐标；以分别表示x、y、z轴正向的单位向量，因此，球形转子的输出中心轴线法向量为：为了便于表示，记球形转子中心线的法向量其中：x0=(y2-y1)(rsinθ3-rsinθ1)-(y3-y1)(rsinθ2-rsinθ1)y0=(x1-x2)(rsinθ3-rsinθ1)+(x3-x1)(rsinθ2-rsinθ1)z0=(x2-x1)(y3-y1)-(x3-x1)(y2-y1),]]>则偏转角θ和方位角为：θ=arccos(z0x02+y02+z02)---(3)]]>...

【技术特征摘要】
1.基于光学自准直原理的球形转子空间二维转角检测方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：步骤一、构造球形转子；所述的球形转子包括旋转体和透明壳体；所述的旋转体为正n边形绕中心转轴回转180°形成的多面体；透明壳体为内部中空的球体，套置在旋转体外；步骤二、在球形转子的赤道面外围沿圆周均布三个光电自准直仪测量装置组，其中，每个光电自准直仪测量装置组又包括两个测量单元：上光电自准直仪测量单元和下光电自准直仪测量单元；所述的上光电自准直仪测量单元包括上平行光管、光源、上高速线阵CCD相机和图像采集卡；所述的下光电自准直仪测量单元包括下平行光管、光源、下高速线阵CCD相机和图像采集卡；所述下平行光管和下高速线阵CCD相机的轴心线在球形转子的赤道面上，上平行光管和上高速线阵CCD相机的轴心线所在平面为赤道面向上偏转180°/n；下平行光管和上平行光管的测量范围均为180°/n；步骤三、光源发出的平行光经上平行光管或下平行光管透过透明壳体，照射到多面体上，反射光随球形转子的偏转而偏转，并经上平行光管成像到上高速线阵CCD相机上，或经下平行光管成像到下高速线阵CCD相机上；上高速线阵CCD相机和下高速线阵CCD相机将光像位置的位移信息转换成电信号，通过图像采集卡采集并传输给计算机；步骤四、通过三个光电自准直仪测量装置组获得球形转子相对竖直轴正向偏转的角度，然后由计算机计算出球形转子相对于固定约束的偏转角和方位角，其中，竖直轴的正向竖直向上；在球形转子不发生转动的初始位置，光源发出的光线照射在多面体上能反射到下平行光管的反射点分别记为A1、B1和C1；当球形转子偏转到偏转角为θ、方位角为对应的位置时，反射点A1、B1和C1随着球形转子赤道面的偏转分别移至点A2、B2和C2；三个光电自准直仪测量装置组检测到球形转子偏转的角度分别为θ1、θ2和θ3，其中，θ1、θ2和θ3的正负号规定：球形转子偏向竖直轴正向为正，偏向竖直轴负向为负；设透明壳体的半径为r，点A2、B2和C2的坐标值可分别设为(x1，y1，rsinθ1)，(x2，y2，rsinθ2)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文，张敏，卢科青，时光，范宗尉，袁科杰，程林，赵鼎成，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33