一种六自由度空间坐标位置和姿态测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种六自由度空间坐标位置和姿态测量装置，包括激光跟踪仪、姿态识别单元和光学姿态标靶；其中，所述激光跟踪仪实现对空间中移动的安装有所述光学姿态标靶的目标进行快速跟踪并对准光学姿态标靶上的后向反射器，通过回射光束得到激光跟踪仪到目标的距离，同时根据角度测量装置得到方位角和俯仰角信息，从而得到目标的三维位置坐标。本发明专利技术的有益效果是：提高了目标的空间三维位置和三轴姿态角度的测量精度，并且，改善了六自由度激光跟踪仪的跟踪性能以及可靠性。激光跟踪仪的跟踪性能以及可靠性。激光跟踪仪的跟踪性能以及可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种六自由度空间坐标位置和姿态测量装置


[0001]本专利技术涉及测量装置，尤其涉及一种六自由度空间坐标位置和姿态测量装置。

技术介绍

[0002]激光跟踪仪是一种特殊类型的坐标测量设备，具有测量目标三维位置坐标的能力。其坐标测量基本原理是将一个合作目标(逆反射器)固定在被测点处，从干涉测距装置发出的测量光束到达目标逆反射镜上，然后被原路反射回来。当逆反射器移动时，控制系统发出信号自动调整光束方向，使光束始终对准逆反射器中心。返回的测量光束与参考光束进行干涉，得出到目标的距离量，激光跟踪仪的水平和俯仰角度编码器给出光束角度变化量，有了距离量和角度量就可计算出测量点的空间位置坐标。
[0003]随着工业技术的不断发展，许多工业测量领域已经不满足与三维坐标的测量，对于更高维度的测量有着提出了更多的需求，比如在工业机器人或关节臂的校准，需要高精密的六自由度坐标测量装置。利用激光跟踪仪来进行六个自由度测量的方法已有多种，这些方法的共同点就是都是利用激光跟踪仪进行位置相关的三维坐标测量，而另外三个取向自由度的测量方法各有不同。其一，通过使用外置的一个或多个照相机测量光学姿态标靶中的光点的位置来确定三个取向自由度。采用的是激光跟踪仪与相机分离的方式，配合具有后向反射器和多个规律布置的发光点的光学姿态标靶，通过相机坐标系和跟踪仪坐标系的转换，即可测得目标的六自由度参数。由于相机和激光跟踪仪的分离布置，相机的固定指向导致靶标只能在有限的视场活动测量，工程实用性较差，同时分离式布置还会导致相机坐标系与激光跟踪仪坐标系的对准也会更加困难，坐标系转换精度低等；其二，将测斜仪与“漏斗式”后向反射镜结合使用，以确定三个方向自由度。在辅助测头上的后向反射器的中心处切出一个小孔，使得测量光束的小部分光通过小孔，大部分光原路反射回到跟踪仪系统进行空间位置测量。经过小孔的光会直接由位置探测器接收，可以直接得到目标的俯仰角和偏航角。同时利用辅助测头上的倾斜传感器可以得到目标的横摆角，从而得到目标的六自由度信息。这种方法需要在后向反射器中心位置切孔，使得后向反射器的性能大大劣化，可能引入较大的坐标测量误差。其三，后向反射器上的光点标记由固定在激光跟踪仪上的摄像机成像来确定三个方向的自由度。采用激光跟踪仪和相机直接结合的方式，将相机内置在光学瞄准头内，与光束同步偏转，可以降低系统体积，但将相机内置在光学旋转瞄准单元内，也大大增加光学旋转头内部结构的复杂性，对光学系统施加了热漂移的影响。
[0004]尽管基于激光跟踪仪进行六自由度测量的方法有很多，但是每个方法或在成本控制或在灵活性或在测量范围上存在一些缺点。
[0005]现有技术缺点如下：
[0006]1、现有方法有采用空间摄影测量法对空间三维坐标进行测量，对设备场地要求较大，测量精度较低，并且无法测量目标的三轴姿态。
[0007]2、现有方法有采用激光跟踪仪与相机的分离组合进行六自由度测量的方式，存在视场受限，坐标系对准困难，坐标转换精度低，工程实用性差等不足。
[0008]3、现有方法有对姿态测量采用后向反射器中空的形式，会导致后向反射器的性能降低，返回光光束质量或偏振状态会有较大影响，对于激光跟踪仪系统的测距误差影响极大。

技术实现思路

[0009]为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种六自由度空间坐标位置和姿态测量装置。
[0010]本专利技术提供了一种六自由度空间坐标位置和姿态测量装置，包括激光跟踪仪、姿态识别单元和光学姿态标靶；
[0011]其中，
[0012]所述激光跟踪仪实现对空间中移动的安装有所述光学姿态标靶的目标进行快速跟踪并对准光学姿态标靶上的后向反射器，通过回射光束得到激光跟踪仪到目标的距离，同时根据角度测量装置得到方位角和俯仰角信息，从而得到目标的三维位置坐标；
[0013]所述激光跟踪仪包括具有水平旋转轴的水平角跟踪测量单元、具有俯仰旋转轴的俯仰角跟踪测量单元和光学瞄准单元；
[0014]所述俯仰角跟踪测量单元固定在所述水平角跟踪测量单元上，并可以跟随水平角跟踪测量单元自由旋转；
[0015]所述光学瞄准单元固定在所述俯仰角跟踪测量单元的俯仰旋转轴上并跟随俯仰旋转轴自由旋转，所述光学瞄准单元和俯仰旋转轴又同时绕俯仰旋转轴的中心轴线旋转，以瞄准三维空间中测量体积内的任意目标点；
[0016]所述姿态识别单元安装在所述激光跟踪仪的水平角跟踪测量单元上，并可以跟随所述激光跟踪仪的水平角跟踪测量单元的水平旋转轴旋转；
[0017]所述姿态识别单元包括自动变焦变倍摄像模组和用于同步激光跟踪仪进行跟踪控制的旋转装置，所述自动变焦变倍摄像模组安装在所述旋转装置上；
[0018]所述自动变焦摄像模组可以实现自动对焦和自动变倍功能，使得目标在全量程测量范围可以实现相同成像视场大小；
[0019]所述姿态识别单元具有与所述激光跟踪仪实时通信的功能，可以根据激光跟踪仪的俯仰偏摆信息反馈姿态识别单元的旋转装置同步偏摆，而姿态识别单元得到的姿态信息实时传送至激光跟踪仪进行快速六自由度测量；
[0020]所述光学姿态标靶具有一个后向反射器和至少两个发光光源以及一个测头；
[0021]所述后向反射器用于与激光跟踪仪配合测量三维坐标信息；
[0022]所述多个发光光源的空间位置规律分布，并由三坐标系统进行出厂标定后，可确定发光光源与后向反射器的空间坐标关系，为目标姿态的测算提供约束依据。所述测头可以是接触式或非接触式的，测头接触球的空间位置与后向反射器的空间坐标关系亦可标定确定，因此可以借助测头进行测量更多的位置，尤其在一些隐藏点或者较小空间位置点。
[0023]作为本专利技术的进一步改进，所述光学测距装置采用光纤传输系统，可以进一步提高光束指向稳定性以及光束合束一致性和稳定性。
[0024]作为本专利技术的进一步改进，所述激光跟踪仪还配置有固定底座，可以是重型三脚架或轻型三脚架或便携式底座，用于固定放置激光跟踪仪主机。
[0025]作为本专利技术的进一步改进，所述水平角跟踪测量单元上设置有读出水平旋转轴自由旋转的偏转角度的水平角编码器和监测激光跟踪仪的水平状态的电子水平仪装置，所述俯仰角跟踪测量单元上设置有读出俯仰旋转轴自由旋转的偏转角度的俯仰角编码器，所述光学瞄准单元上设置有测量到目标的距离的光学测距装置、快速跟踪运动中的目标的位置探测系统和快速粗略识别目标位置并结合位置探测系统进行精确目标跟踪控制的自动目标识别系统。
[0026]作为本专利技术的进一步改进，所述位置探测系统具有快速跟踪运动中的目标的功能，位置探测系统被设置在光学瞄准单元中，经过目标反射的光部分通过位置探测光学系统并最终由位置灵敏探测器(PSD)进行接收，根据接收光斑的质心与PSD零点的差异进行反馈跟踪控制。
[0027]作为本专利技术的进一步改进，所述自动目标识别(ATR，Auto Target Recognition)系统，主要包括区别于测距光源波长的光源、摄远物镜和图像获取单元CMOS本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种六自由度空间坐标位置和姿态测量装置，其特征在于：包括激光跟踪仪、姿态识别单元和光学姿态标靶；其中，所述激光跟踪仪实现对空间中移动的安装有所述光学姿态标靶的目标进行快速跟踪并对准光学姿态标靶上的后向反射器，通过回射光束得到激光跟踪仪到目标的距离，同时根据角度测量装置得到方位角和俯仰角信息，从而得到目标的三维位置坐标；所述激光跟踪仪包括具有水平旋转轴的水平角跟踪测量单元、具有俯仰旋转轴的俯仰角跟踪测量单元和光学瞄准单元；所述俯仰角跟踪测量单元固定在所述水平角跟踪测量单元上，并可以跟随水平角跟踪测量单元自由旋转；所述光学瞄准单元固定在所述俯仰角跟踪测量单元的俯仰旋转轴上并跟随俯仰旋转轴自由旋转，所述光学瞄准单元和俯仰旋转轴又同时绕俯仰旋转轴的中心轴线旋转，以瞄准三维空间中测量体积内的任意目标点；所述姿态识别单元安装在所述激光跟踪仪的水平角跟踪测量单元上，并可以跟随所述激光跟踪仪的水平角跟踪测量单元的水平旋转轴旋转；所述姿态识别单元包括自动变焦变倍摄像模组和用于同步激光跟踪仪进行跟踪控制的旋转装置，所述自动变焦变倍摄像模组安装在所述旋转装置上；所述自动变焦摄像模组可以实现自动对焦和自动变倍功能，使得目标在全量程测量范围可以实现相同成像视场大小；所述姿态识别单元具有与所述激光跟踪仪实时通信的功能，可以根据激光跟踪仪的俯仰偏摆信息反馈姿态识别单元的旋转装置同步偏摆，而姿态识别单元得到的姿态信息实时传送至激光跟踪仪进行快速六自由度测量；所述光学姿态标靶具有一个后向反射器和至少两个发光光源以及一个测头；所述后向反射器用于与激光跟踪仪配合测量三维坐标信息；所述发光光源的空间位置的布置用于确定发光光源与后向反射器的空间坐标关系，为目标姿态的测算提供约束依据。2.根据权利要求1所述的六自由度空间坐标位置和姿态测量装置，其特征在于：所述水平角跟踪测量单元上设置有读出水平旋转轴自由旋转的偏转角度的水平角编码器和监测激光跟踪仪的水平状态的电子水平仪装置，所述俯仰角跟踪测量单元上设置有读出俯仰旋转轴自由旋转的偏转角度的俯仰角编码器，所述光学瞄准单元上设置有测量到目标的距离的光学测距装置、快速跟踪运动中的目标的位置探测系统和快速粗略识别目标位置并结合位置探测系统进行精确目标跟踪控制的自动目标识别系统。3.根据权利要求2所述的六自由度空间坐标位置和姿态测量装置，其特征在于：所述六自由度空间坐标位置和姿态测量装置还包括支撑底座装置和顶部支架，所述水平角跟踪测量单元安装在所述支撑底座装置上，所述顶部支架安装所述俯仰角跟踪测量单元，所述姿态识别单元安装在所述顶部支架上。4.根据权利要求3所述的六自由度空间坐标位置和姿态测量装置，其特征在于：所述顶部支架与所述俯仰...

【专利技术属性】
技术研发人员：张和君，冯福荣，陈源，廖学文，吴兴发，梁志明，张琥杰，章智伟，
申请(专利权)人：深圳市中图仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：