本发明专利技术公开了一种基于叉丝分划板的三自由度自准直角度测量装置和方法，包括测头系统、靶镜系统和计算系统，测头系统用于向靶镜系统发射一束包含叉丝图像信息的准直光束；靶镜系统用于将包含叉丝图像信息的准直光束分离为两束平行于光轴的反射光束，每束反射光束包含叉丝图像信息；测头系统还用于接收两束平行于光轴的反射光束，并对两束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像进行成像；计算系统用于根据一束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像的初始坐标和当前坐标，计算待测目标的俯仰角和偏摆角，根据另一束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像的初始倾角和当前倾角，计算待测目标滚转角。本发明专利技术能实现远距离目标的快速高精度三自由度角度测量。高精度三自由度角度测量。高精度三自由度角度测量。
【技术实现步骤摘要】
基于叉丝分划板的三自由度自准直角度测量装置和方法
[0001]本专利技术属于精密测量
，具体涉及一种基于叉丝分划板的三自由度自准直角度测量装置和方法。
技术介绍
[0002]测量物体绕空间笛卡尔坐标系三个坐标轴旋转的三自由度角度(俯仰角、偏摆角、滚转角)是工业生产和精密测量领域的重要任务。例如，为了消除船体弯曲对舰载火炮系统对准性能的影响，以及为了远程监测石油管道、桥梁和房屋等大型设施的形变，通常需要测量相距较远的两个部件之间的三自由度角度。在众多光电测角方法中，自准直法具有非接触、结构简单、精度高的特点得到广泛应用。自准直仪是基于自准直法的角度测量仪器，在测量时，自准直仪发射的准直光束照射到与待测目标刚性连接的平面反射镜上，经过平面反射镜反射后返回自准直仪，并成像在位于物镜焦平面的光电探测器上。当平面反射镜产生俯仰角或偏摆角时，光电探测器上的图像产生位移；根据几何关系，可由位移计算出俯仰角和偏摆角。然而该方法无法测量平面反射镜绕光轴旋转产生的滚转角，因为光电探测器上的图像不会产生位移或旋转。因此，这种传统的自准直法无法同时测量三自由度角度。
[0003]针对上述问题，研究人员提出了多种解决方法，这些方法可根据靶镜产生的反射光束是否平行于光轴而分为两类。在第一类方法中，由特制靶镜(衍射光栅、多面体棱镜)产生的反射光束与光轴不平行，这极大缩短了待测目标的移动距离，使应用范围受到严重限制。在第二类方法中，由靶镜产生的反射光束与光轴平行，并在光电探测器上形成莫尔条纹，根据莫尔条纹的宽度变化计算出滚转角，但该方法的图像处理过程复杂、测量速度慢、测量精度低。总的来看，上述两类方法虽然具有同时测量三自由度角度的能力，但存在待测目标移动距离短、测量速度慢、测量精度低的问题。因此，如何基于自准直原理实现对远距离目标的快速高精度三自由度角度测量是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
[0004]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种基于叉丝分划板的三自由度自准直角度测量装置和方法，能够实现远距离目标的快速高精度三自由度角度测量。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术通过以下技术方案予以实现：
[0006]一种基于叉丝分划板的三自由度自准直角度测量装置，包括测头系统、靶镜系统和计算系统，所述测头系统用于向所述靶镜系统发射一束包含叉丝图像信息的准直光束；所述靶镜系统用于将所述包含叉丝图像信息的准直光束分离为两束平行于光轴的反射光束，每束所述反射光束包含所述叉丝图像信息；所述测头系统还用于接收所述两束平行于光轴的反射光束，并对所述两束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像进行成像；所述计算系统用于根据一束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像的初始坐标和当前坐标，计算待测目标的俯仰角和偏摆角，根据另一束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像的初始倾角和当前倾角，计算待测目标的滚转角。
[0007]进一步地，所述靶镜系统包括分光平片、第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述分光平片倾斜设置在所述包含叉丝图像信息的准直光束的传播路径上；所述第一平面反射镜垂直设置在所述包含叉丝图像信息的准直光束的传播路径上，并且位于所述分光平片后侧；所述第二平面反射镜与所述分光平片的法线互相垂直并且对称布置。
[0008]进一步地，所述测头系统包括激光二极管、叉丝分划板、聚光镜、分光棱镜、第一物镜、第一光电探测器、第二物镜和第二光电探测器，所述叉丝分划板、所述聚光镜和所述分光棱镜依次沿所述激光二极管的发射光束的传播路径布设，所述分光棱镜用于将所述激光二极管的发射光束改变为垂直射向所述第一平面反射镜的光束，所述第一物镜布设在所述分光棱镜和所述第一平面反射镜之间，所述第一光电探测器布设在所述第一平面反射镜的反射光束传播路径上，并且位于所述分光棱镜背离所述第一物镜的一侧；所述第二物镜和所述第二光电探测器依次布设在所述第二平面反射镜的反射光束传播路径上。
[0009]进一步地，所述测头系统还包括45
°
倾斜反射镜，所述叉丝分划板、所述聚光镜、所述45
°
倾斜反射镜和所述分光棱镜依次沿所述激光二极管的发射光束的传播路径布设，所述激光二极管设置为发射沿z轴方向的光束，所述45
°
倾斜反射镜用于将所述激光二极管发射的光束改变为射向所述分光棱镜的光束。
[0010]进一步地，所述根据另一束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像的初始倾角和当前倾角，计算待测目标的滚转角，具体如下：
[0011][0012]式中，γ为滚转角；θ
i1
为叉丝图像中第i条直线的初始倾角；θ
i2
为叉丝图像中第i条直线的当前倾角；n为叉丝图像中的直线数量。
[0013]一种基于叉丝分划板的三自由度自准直角度测量方法，采用所述的一种基于叉丝分划板的三自由度自准直角度测量装置，包括：
[0014]将所述靶镜系统与待测目标连接；
[0015]所述测头系统向所述靶镜系统发射一束包含叉丝图像信息的准直光束；
[0016]所述靶镜系统将所述包含叉丝图像信息的准直光束分离为两束平行于光轴的反射光束，每束所述反射光束包含所述叉丝图像信息；
[0017]所述测头系统接收所述两束平行于光轴的反射光束，并对所述两束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像进行成像；
[0018]确定一束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像的初始坐标，确定另一束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像的初始倾角；
[0019]控制所述待测目标进行三自由度角度旋转；
[0020]确定一束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像的当前坐标，确定另一束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像的当前倾角；
[0021]所述计算系统根据一束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像的初始坐标和当前坐标，计算待测目标的俯仰角和偏摆角，根据另一束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像的初始倾角和当前倾角，计算待测目标的滚转角。
[0022]进一步地，所述确定另一束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像的初始倾角，
包括：
[0023]在所述待测目标未进行三自由度角度旋转之前，提取所述第二光电探测器的所有像素的灰度值，确定所述第二光电探测器上的叉丝图像中所有直线的方程，对所有直线方程的斜率取反正切得到所有直线的倾角，以所述直线的倾角作为第二光电探测器上叉丝图像的初始倾角；
[0024]所述确定另一束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像的当前倾角，包括：
[0025]在所述待测目标进行三自由度角度旋转之后，提取所述第二光电探测器的所有像素的灰度值，确定所述第二光电探测器上的叉丝图像中所有直线的方程，对所有直线方程的斜率取反正切得到所有直线的倾角，以所述直线的倾角作为第二光电探测器上叉丝图像的当前倾角。
[0026]进一步地，确定叉丝图像中所有直线的方程，包括：
[0027]判断所述直线的倾角是否大于45
°
，判断方法为：将所述直本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于叉丝分划板的三自由度自准直角度测量装置，其特征在于，包括测头系统(100)、靶镜系统(200)和计算系统(300)，所述测头系统(100)用于向所述靶镜系统(200)发射一束包含叉丝图像信息的准直光束；所述靶镜系统(200)用于将所述包含叉丝图像信息的准直光束分离为两束平行于光轴的反射光束，每束所述反射光束包含所述叉丝图像信息；所述测头系统(100)还用于接收所述两束平行于光轴的反射光束，并对所述两束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像进行成像；所述计算系统(300)用于根据一束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像的初始坐标和当前坐标，计算待测目标的俯仰角和偏摆角，根据另一束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像的初始倾角和当前倾角，计算待测目标的滚转角。2.根据权利要求1所述的一种基于叉丝分划板的三自由度自准直角度测量装置，其特征在于，所述靶镜系统(200)包括分光平片(8)、第一平面反射镜(9)和第二平面反射镜(10)，所述分光平片(8)倾斜设置在所述包含叉丝图像信息的准直光束的传播路径上；所述第一平面反射镜(9)垂直设置在所述包含叉丝图像信息的准直光束的传播路径上，并且位于所述分光平片(8)后侧；所述第二平面反射镜(10)与所述分光平片(8)的法线互相垂直并且对称布置。3.根据权利要求2所述的一种基于叉丝分划板的三自由度自准直角度测量装置，其特征在于，所述测头系统(100)包括激光二极管(1)、叉丝分划板(2)、聚光镜(3)、分光棱镜(5)、第一物镜(6)、第一光电探测器(7)、第二物镜(11)和第二光电探测器(12)，所述叉丝分划板(2)、所述聚光镜(3)和所述分光棱镜(5)依次沿所述激光二极管(1)的发射光束的传播路径布设，所述分光棱镜(5)用于将所述激光二极管(1)的发射光束改变为垂直射向所述第一平面反射镜(9)的光束，所述第一物镜(6)布设在所述分光棱镜(5)和所述第一平面反射镜(9)之间，所述第一光电探测器(7)布设在所述第一平面反射镜(9)的反射光束传播路径上，并且位于所述分光棱镜(5)背离所述第一物镜(6)的一侧；所述第二物镜(11)和所述第二光电探测器(12)依次布设在所述第二平面反射镜(10)的反射光束传播路径上。4.根据权利要求3所述的一种基于叉丝分划板的三自由度自准直角度测量装置，其特征在于，所述测头系统(100)还包括45
°
倾斜反射镜(4)，所述叉丝分划板(2)、所述聚光镜(3)、所述45
°
倾斜反射镜(4)和所述分光棱镜(5)依次沿所述激光二极管(1)的发射光束的传播路径布设，所述激光二极管(1)设置为发射沿z轴方向的光束，所述45
°
倾斜反射镜(4)用于将所述激光二极管(1)发射的光束改变为射向所述分光棱镜(5)的光束。5.根据权利要求1所述的一种基于叉丝分划板的三自由度自准直角度测量装置，其特征在于，所述根据另一束平行于光轴的反射光束对应的叉丝图像的初始倾角和当前倾角，计算待测目标的滚转角，具体如下：式中，γ为滚转角；θ
i1
为叉丝图像中...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭延，华灯鑫，闫庆，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：
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