一种绝对式六自由度位姿传感器制造技术

一种绝对式六自由度位姿传感器，其中，平行光入射模块穿过第一分光棱镜的第一束光照射在一维光栅，产生不同级的三束衍射光又分别经过第一分光棱镜照射在四自由度探测模组上，得到所探测目标的四自由度绝对位姿变化；平行光由第一分光棱镜所分的第二束光进入第二分光棱镜后又分为两束光，其中一束光依次经过Y方向角锥棱镜的两个斜面反射后由Y方向探测器检测所探测目标在Y方向的平移，其中另一束光进入第三分光棱镜后又分为两束，其中一束依次经过X方向角锥棱镜的两个斜面反射后由X方向探测器检测所探测目标在X方向的平移。本发明专利技术能够实现绝对式六自由度位姿检测，光路结构和后端算法简单，结构紧凑，利于小型化和产业化推广。推广。推广。

【技术实现步骤摘要】
一种绝对式六自由度位姿传感器


[0001]本专利技术涉及位姿测量技术，特别是涉及一种绝对式六自由度位姿传感器。

技术介绍

[0002]科学仪器望远镜是目前人类探索宇宙的重要手段之一，无论何种望远镜，比如射电望远镜、光学望远镜，其主要性能参数之一是分辨率，分辨率和其口径大小相关，但单块大口径望远镜镜面难以制作，目前主要采用的子镜拼装的方式合成大口径抛物面镜，所以其观测性能受限于其子镜的拼接精度，同时由于重力载荷、温度变化、湿度变化等环境因素的影响，安装完成的子镜间相对位姿会产生微小变化，这会直接导致主镜产生较大的面形误差。目前的位姿测量方案对环境稳定性要求较高，长期使用且矫正下仍然出现面型误差，因此急需一种更稳定、更高精度的，能够对位姿进行绝对测量的设备。
[0003]随着望远镜的使用，误差累计将导致其观测性能大幅下降，例如南非大望远镜由于湿度影响造成观测性能下降，霍比埃伯利望远镜由于温度影响而产生的观测性能下降。在即将建成的大麦哲伦望远镜中，也对子镜位姿测量极为关注。由中国参与，多国合作研究的30m口径望远镜，其主镜由492块六边形子镜拼接而成，预计2027年完工后会成为世界首座极端巨大望远镜。因而，子镜的空间位姿检测需求十分急切，不仅在安装时需要检测绝对位姿，并且需要在后续使用过程中测量并反馈，从而调节子镜的位姿，进而主动控制子镜使主镜面形满足需求。如何对子镜位姿进行高精度测量，为实现子镜共焦和共相的调整提供依据，是用于天文观测的大口径光学系统研究的核心技术。
[0004]关于位姿测量主要有电磁式位移测量和光学位移测量两种，其中电磁式测量方法中，电容式传感器的精度可达纳米级别，由多个电容传感器组成的多自由度测量系统。目前已用于凯克和加纳利大型望远镜的子镜位姿的实时检测，其有较高的准确性和稳定性，但是由电容传感器组成的测量系统不仅复杂，并且对温度和湿度非常敏感，影响测量精度。
[0005]而用其他的光学测量方案实现绝对式六自由度测量的结构都较为复杂，例如通过光频梳，或者通过激光干涉仪和光栅干涉仪，一般都采用低自由度组合，形成数据冗余进而实现多自由度至最高六自由度的测量，但容易产生阿贝误差，整个系统复杂且庞大，调试比较麻烦，需要的基础知识门槛较高，不利于工人现场调试和推广。后端算法和信号处理单元的成本和难度较高。
[0006]需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0007]本专利技术的主要目的在于克服上述
技术介绍
的缺陷，提供一种绝对式六自由度位姿传感器。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种绝对式六自由度位姿传感器，包括平行光入射模块、第一至第三分光棱镜、一
维光栅、四自由度探测模组、Y方向角锥棱镜、Y方向探测器、X方向角锥棱镜和X方向探测器，其中，所述平行光入射模块穿过第一分光棱镜的第一束光照射在所述一维光栅，产生不同级的三束衍射光又分别经过所述第一分光棱镜照射在所述四自由度探测模组上，得到所探测目标的四自由度绝对位姿变化，即Z方向的平移、以及绕X轴旋转的角度θ
x
、绕Y轴旋转的角度θ
y
、绕Z轴旋转的角度θ
z
的变化；所述平行光由所述第一分光棱镜所分的第二束光进入第二分光棱镜后又分为两束光，其中一束光依次经过所述Y方向角锥棱镜的两个斜面反射后由所述Y方向探测器检测所探测目标在Y方向的平移，其中另一束光进入第三分光棱镜后又分为两束，其中一束依次经过所述X方向角锥棱镜的两个斜面反射后由所述X方向探测器检测所探测目标在X方向的平移。
[0010]进一步地：
[0011]所述不同级的三束衍射光为0级、+1级、
‑
1级衍射光。
[0012]所述四自由度探测模组包括三组位置探测器(PSD)或者三组四象限光电探测器(QPD)或三组电荷耦合器件探测器(CCD)。
[0013]所述平行光入射模块包括激光器和准直透镜组，所述激光器产生的激光经过所述准直透镜组形成所述平行光。
[0014]所述Y方向角锥棱镜的包含有三角形部分的侧面垂直于YOZ平面，所述X方向角锥棱镜的包含有三角形部分的侧面垂直于XOZ平面。
[0015]在所述四自由度探测模组、所述Y方向探测器、所述X方向探测器中的一者或多者前设置有对应焦距的聚焦透镜或者扩束器。
[0016]所述四自由度探测模组的各组探测器上光斑的位置x
A
，y
A
，x
B
，y
B
，x
C
，y
C
根据后端电路读取，或根据后端光电流信息进行计算获得：
[0017][0018][0019]其中k1和k2为比例系数，α＝A,B,C；
[0020]光栅的三束衍射光斑在三组探测器的位置分别为(x1.y1)、(x0,y0)、(x
‑1,y
‑1)；
[0021]当一个自由度变化时，光栅绝对位姿解算结果为：
[0022]z＝Δx
A
·
k
z
[0023][0024][0025][0026]式中的k
z
，k
θx
，k
θy
和k
θz
均为测定参数，f为各组探测器的前凸透镜焦距，L是各组探测器之间的等效距离；
[0027]当四个自由度同时变化时，光栅绝对位姿解算结果为：
[0028][0029][0030][0031][0032]式中的k
θxz1
和k
θxz
‑1是运动期间θ
x
对+1和
‑
1阶光斑y方向位置的非对称影响系数，k
θydz1
和k
θydz
‑1是运动期间θ
y
对+1和
‑
1阶光斑x方向位置的非对称影响系数。
[0033]一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序由处理器执行时，实现所述的绝对式六自由度位姿传感器的探测器上光斑位置的计算和光栅绝对位姿解算。
[0034]一种绝对式六自由度位姿测量装置，包括所述的绝对式六自由度位姿传感器、处理器和所述的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储的计算机程序由所述处理器执行时，实现所述绝对式六自由度位姿传感器的探测器上光斑位置的计算和光栅绝对位姿解算。
[0035]本专利技术具有如下有益效果：
[0036]本专利技术设计了一种基于光斑位置监测的绝对式六自由度位姿传感器，利用角锥棱镜和衍射光栅组合形成六自由度位姿测量方案，基于光栅实现四自由度的绝对位姿监测，同时借助角锥棱镜，实现X和Y方向的绝对位姿监测。本专利技术中加入角锥棱镜后，可以简化衍射干涉光路，将其转化为单纯的光斑位置监测，减少误差来源，可以直接读取本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种绝对式六自由度位姿传感器，其特征在于，包括平行光入射模块、第一至第三分光棱镜、一维光栅、四自由度探测模组、Y方向角锥棱镜、Y方向探测器、X方向角锥棱镜和X方向探测器，其中，所述平行光入射模块穿过第一分光棱镜的第一束光照射在所述一维光栅，产生不同级的三束衍射光又分别经过所述第一分光棱镜照射在所述四自由度探测模组上，得到所探测目标的四自由度绝对位姿变化，即Z方向的平移、以及绕X轴旋转的角度θ
x
、绕Y轴旋转的角度θ
y
、绕Z轴旋转的角度θ
z
的变化；所述平行光由所述第一分光棱镜所分的第二束光进入第二分光棱镜后又分为两束光，其中一束光依次经过所述Y方向角锥棱镜的两个斜面反射后由所述Y方向探测器检测所探测目标在Y方向的平移，其中另一束光进入第三分光棱镜后又分为两束，其中一束依次经过所述X方向角锥棱镜的两个斜面反射后由所述X方向探测器检测所探测目标在X方向的平移。2.如权利要求1所述的绝对式六自由度位姿传感器，其特征在于，所述不同级的三束衍射光为0级、+1级、
‑
1级衍射光。3.如权利要求1或2所述的绝对式六自由度位姿传感器，其特征在于，所述四自由度探测模组包括三组位置探测器(PSD)或者三组四象限光电探测器(QPD)或三组电荷耦合器件探测器(CCD)。4.如权利要求1至3任一项所述的绝对式六自由度位姿传感器，其特征在于，所述平行光入射模块包括激光器和准直透镜组，所述激光器产生的激光经过所述准直透镜组形成所述平行光。5.如权利要求1至4任一项所述的绝对式六自由度位姿传感器，其特征在于，所述Y方向角锥棱镜的包含有三角形部分的侧面垂直于YOZ平面，所述X方向角锥棱镜的包含有三角形部分的侧面垂直于XOZ平面。6.如权利要求1至5任一项所述的绝对式六自由度位姿传感器，其特征在于，在所述四自由度探测模组、所述Y方向探测器、所述X方向探测器中的一者或多者前设置有对应焦距的聚焦透镜或者扩束器。7.如权利要求1至6任一项所述的绝对式六自由度位姿传感器，其特征在于，所述四自由度探测模组的各组探测器上光斑的位置x
A

【专利技术属性】
技术研发人员：李星辉，汪盛通，骆林斌，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：