CN103900603B - 平面或曲面内无导轨二维运动物体的位移和姿态的非接触测量方法 - Google Patents

平面或曲面内无导轨二维运动物体的位移和姿态的非接触测量方法 Download PDF

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Abstract

平面或曲面内无导轨二维运动物体的位移和姿态的非接触测量方法，属于二维运动物体的位移和姿态测量方法领域。解决了现有非接触式测量方法中被测设备上安装设备多、安装复杂、测量方法复杂和跟踪速度受限的问题。本发明将两个光电位置敏感器固定在待测运动物体表面，在待测运动物体在静止时，在相对运动平面或曲面内建立水平平面直角坐标系，确定两个光电位置敏感器的初始位置，使待测运动物体进行二维运动，光电位置敏感器用于实时采集相对运动平面或曲面的图像信息，每个光电位置敏感器均通过比较连续两幅或多幅图像信息，对两个光电位置敏感器的获得的位移的变化量进行积分，再根据初始位置获得运动物体的位移和姿态信息。它应用在测量领域。

Description

平面或曲面内无导轨二维运动物体的位移和姿态的非接触测量方法
技术领域
本发明属于二维运动物体的位移和姿态测量方法领域。
背景技术
针对平面或曲面内无导轨二维运动的特点，一般的线性测量仪器如光栅、码盘等有固定的测量方向和测量范围，不适于平面或曲面内运动方向任意，运动范围大的位置测量。对于一些要求无干扰***物***姿和姿态的精确的测量，接触式测量方法的仪器会影响运动物体的运动状态，不适于应用于这类运动物体的测量。目前，非接触测量主要有视觉相机测量、室内GPS、惯导、激光跟踪仪等等。视觉相机、室内GPS和激光跟踪仪两种测量手段需要在被测设备安装标志器、接收器或反射器，同时在被测设备外还需要安装专门的测量相机、发射器或激光跟踪仪等测量设备。标志器、接收器或反射器只能安装在被测设备表面，体积较大，不利于设备的小型化和集成化。外部的专门的测量设备也增加了测量***的复杂程度和成本。同时这几种测量方式，由于动态跟踪速度有限，不适合于高速运动物***置和姿态的测量。采用惯性导航设备虽然测量范围不受限制，但该设备只能直接测量物体的加速度或角速度，通过积分得出物体的位移和转角，测量精度有限，，若要保证测量精度势必增加成本和体积。这些测量设备安装在运动物体上的部分体积相对较大，不适于应用于小型运动物体测量实验。
发明内容
本发明是为了解决现有非接触式测量方法中被测设备上安装设备多、安装复杂、测量方法复杂和跟踪速度受限的问题，本发明提供了一种平面或曲面内无导轨二维运动物体的位移和姿态的非接触测量方法。
平面或曲面内无导轨二维运动物体的位移和姿态的非接触测量方法，该方法的具体过程为，
步骤一，将两个光电位置敏感器固定在待测运动物体表面，且光电位置敏感器的信号输入端与相对运动平面或曲面相对设置，并与相对运动平面或曲面保留一定距离，保证两个光电位置敏感器与相对运动平面或曲面之间的垂直距离均大于0且小于1cm，光电位置敏感器的信号输出端通过有线或无线传输的方式与计算机的数据信号输入端连接；所述的两个光电位置敏感器分别为1号光电位置敏感器和2号光电位置敏感器，
步骤二，待测运动物体在静止时，在相对运动平面或曲面内建立水平平面直角坐标系，以待测运动物体上1号光电位置敏感器在t0时刻的初始位置（x1(t0)、y1(t0)）作为在相对运动平面或曲面内原点，以1号光电位置敏感器指向2号光电位置敏感器的方向作为在相对运动平面或曲面内建立的水平平面直角坐标系的x轴方向，在垂直x轴的方向建立y轴，待测运动物体在静止时，2号光电位置敏感器在t0时刻的初始位置为（x2(t0)、y2(t0)），所述的相对运动平面或曲面作为基准面；
步骤三，使待测运动物体进行二维运动，光电位置敏感器用于实时采集相对运动平面或曲面的图像信息，每个光电位置敏感器均通过比较连续两幅或多幅图像信息，得出两个光电位置敏感器的位移的变化量△x1(k)、△y1(k)、△x2(k)和△y2(k)，并将两个光电位置敏感器位移的变化量发送至计算机，所述的k为正整数，
其中，变化量△x1(k)表示1号光电位置敏感器的测量基点在基准面内沿x轴方向的位移变化量，
变化量△y1(k)表示1号光电位置敏感器的测量基点在基准面内沿y轴方向的位移变化量，
△x2(k)表示2号光电位置敏感器的测量基点在基准面内沿x轴方向的位移变化量，
△y2(k)表示2号光电位置敏感器的测量基点在基准面内沿y轴方向的位移变化量，
步骤四，计算机通过公式一和公式二对位移的变化量△x1(k)和△y1(k)分别进行积分处理，得到1号光电位置敏感器在基准面中的实时位置坐标（x1、y1），所述的x1和y1为无导轨二维运动物体相对运动平面或曲面的位移量，其中，
x1=x1(t0)+∑△x1(k)（公式一）、
y1=y1(t0)+∑△y1(k)（公式二）；
计算机通过公式三和公式四对位移的变化量△x2(k)和△y2(k)分别进行积分处理，获得2号光电位置敏感器在基准面中的实时位置坐标（x2、y2），其中，
x2=x2(t0)+∑△x2(k)（公式三）、
y2=y2(t0)+∑△y2(k)（公式四）；
步骤五，将实时位置坐标（x1、y1）和实时位置坐标（x2、y2）的两点连线与基准面内水平平面直角坐标系x轴之间的夹角θ为：
θ = arctan y 2 - y 1 x 2 - x 1 （公式五），
所述的夹角θ为平面或曲面内无导轨二维运动物体的姿态。
本发明带来的有益效果是，传统的非接触测量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体表面的情况下，得到物体表面参数信息的测量方法，而本发明所述的平面或曲面内无导轨二维运动物体的位移和姿态的非接触测量方法中，所述的非接触是指测量用的光电位置敏感器与相对运动平面或曲面的非接触，不影响待测运动物体与平面或曲面之间的相对运动，且本测量方法简单，安装部件少，两个光电位置敏感器与运动物体一起运动，跟踪速度不受影响。
1、采用本发明非接触的测量方式，对一些要求无干扰测量的运动物体不会产生干扰力或力矩。
2、测量方式属于无导轨测量，测量物体可以在平面或曲面内任意运动或转动。
3、测量***供电简单，体积小，可用于较小目标的平面或曲面内的无导轨二维运动位置和姿态的测量。
4、光电位置敏感器与计算机之间无线或有线（USB总线等）传输方法，传输速度快，可扩展性强，抗干扰能力强，兼容性强。
5、只根据与相对运动平面移动量计算位置和姿态信息，避免了其他测量设备需要安装靶标（视觉测量相机）、接收器（室内GPS）、反射器（激光跟踪仪）等机构，整个测量***集成于运动物体上，并且对相对运动平面的表面粗糙度要求低。
附图说明
图1为具体实施方式一中所述的光电位置敏感器与待测运动物体之间的一种位置关系示意图；其中，附图标记1表示待测运动物体，附图标记2表示相对运动平面或曲面，附图标记3表示光电位置敏感器，附图标记4表示光电位置敏感器的信号输出端；
图2为具体实施方式一所述的光电位置敏感器与待测运动物体之间的另一种位置关系示意图；
图3为两个光电位置敏感器在相对运动平面或曲面的直角坐标系内的位置关系示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1、2和3说明本实施方式，本实施方式所述的平面或曲面内无导轨二维运动物体的位移和姿态的非接触测量方法，该方法的具体过程为，
步骤一，将两个光电位置敏感器固定在待测运动物体表面，且光电位置敏感器的信号输入端与相对运动平面或曲面相对设置，并与相对运动平面或曲面保留一定距离，保证两个光电位置敏感器与相对运动平面或曲面之间的垂直距离均大于0且小于1cm，光电位置敏感器的信号输出端通过有线或无线传输的方式与计算机的数据信号输入端连接；所述的两个光电位置敏感器分别为1号光电位置敏感器和2号光电位置敏感器，
步骤二，待测运动物体在静止时，在相对运动平面或曲面内建立水平平面直角坐标系，以待测运动物体上1号光电位置敏感器在t0时刻的初始位置（x1(t0)、y1(t0)）作为在相对运动平面或曲面内原点，以1号光电位置敏感器指向2号光电位置敏感器的方向作为在相对运动平面或曲面内建立的水平平面直角坐标系的x轴方向，在垂直x轴的方向建立y轴，待测运动物体在静止时，2号光电位置敏感器在t0时刻的初始位置为（x2(t0)、y2(t0)），所述的相对运动平面或曲面作为基准面；
步骤三，使待测运动物体进行二维运动，光电位置敏感器用于实时采集相对运动平面或曲面的图像信息，每个光电位置敏感器均通过比较连续两幅或多幅图像信息，得出两个光电位置敏感器的位移的变化量△x1(k)、△y1(k)、△x2(k)和△y2(k)，并将两个光电位置敏感器位移的变化量发送至计算机，所述的k为正整数，
其中，变化量△x1(k)表示1号光电位置敏感器的测量基点在基准面内沿x轴方向的位移变化量，
变化量△y1(k)表示1号光电位置敏感器的测量基点在基准面内沿y轴方向的位移变化量，
△x2(k)表示2号光电位置敏感器的测量基点在基准面内沿x轴方向的位移变化量，
△y2(k)表示2号光电位置敏感器的测量基点在基准面内沿y轴方向的位移变化量，
步骤四，计算机通过公式一和公式二对位移的变化量△x1(k)和△y1(k)分别进行积分处理，得到1号光电位置敏感器在基准面中的实时位置坐标（x1、y1），所述的x1和y1为无导轨二维运动物体相对运动平面或曲面的位移量，其中，
x1=x1(t0)+∑△x1(k)（公式一）、
y1=y1(t0)+∑△y1(k)（公式二）；
计算机通过公式三和公式四对位移的变化量△x2(k)和△y2(k)分别进行积分处理，获得2号光电位置敏感器在基准面中的实时位置坐标（x2、y2），其中，
x2=x2(t0)+∑△x2(k)（公式三）、
y2=y2(t0)+∑△y2(k)（公式四）；
步骤五，将实时位置坐标（x1、y1）和实时位置坐标（x2、y2）的两点连线与基准面内水平平面直角坐标系x轴之间的夹角θ为：
θ = arctan y 2 - y 1 x 2 - x 1 （公式五），
所述的夹角θ为平面或曲面内无导轨二维运动物体的姿态。本实施方式中，两个光电位置敏感器可以嵌入式固定在待测运动物体表面，具体参见图2，两个光电位置敏感器还可以支撑安装在待测运动物体表面，具体参见图1。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的平面或曲面内无导轨二维运动物体的位移和姿态的非接触测量方法的区别在于，所述的两个光电位置敏感器与相对运动平面或曲面之间的垂直距离均大于0且小于0.5cm。

Claims (2)

1.平面或曲面内无导轨二维运动物体的位移和姿态的非接触测量方法，其特征在于，该方法的具体过程为，
步骤一，将两个光电位置敏感器固定在待测运动物体表面，且两个光电位置敏感器的信号输入端均与相对运动平面或曲面相对设置，并与相对运动平面或曲面保留一定距离，保证两个光电位置敏感器与相对运动平面或曲面之间的垂直距离均大于0且小于1cm，两个光电位置敏感器的信号输出端均通过有线或无线传输的方式与计算机的数据信号输入端连接；所述的两个光电位置敏感器分别为1号光电位置敏感器和2号光电位置敏感器，
步骤二，待测运动物体在静止时，在相对运动平面或曲面内建立水平平面直角坐标系，以待测运动物体上1号光电位置敏感器在t0时刻的初始位置(x1(t0)、y1(t0))作为在相对运动平面或曲面内原点，以1号光电位置敏感器指向2号光电位置敏感器的方向作为在相对运动平面或曲面内建立的水平平面直角坐标系的x轴方向，在垂直x轴的方向建立y轴，待测运动物体在静止时，2号光电位置敏感器在t0时刻的初始位置为(x2(t0)、y2(t0))，所述的相对运动平面或曲面作为基准面；
步骤三，使待测运动物体进行二维运动，光电位置敏感器用于实时采集相对运动平面或曲面的图像信息，每个光电位置敏感器均通过比较连续两幅或多幅图像信息，得出两个光电位置敏感器的位移的变化量Δx1(k)、Δy1(k)、Δx2(k)和Δy2(k)，并将两个光电位置敏感器位移的变化量发送至计算机，所述的k为正整数，
其中，变化量Δx1(k)表示1号光电位置敏感器的测量基点在基准面内沿x轴方向的位移变化量，
变化量Δy1(k)表示1号光电位置敏感器的测量基点在基准面内沿y轴方向的位移变化量，
Δx2(k)表示2号光电位置敏感器的测量基点在基准面内沿x轴方向的位移变化量，
Δy2(k)表示2号光电位置敏感器的测量基点在基准面内沿y轴方向的位移变化量，
步骤四，计算机通过公式一和公式二对位移的变化量Δx1(k)和Δy1(k)分别进行积分处理，得到1号光电位置敏感器在基准面中的实时位置坐标(x1、y1)，所述的x1和y1为无导轨二维运动物体相对运动平面或曲面的位移量，其中，
x1＝x1(t0)+∑Δx1(k)(公式一)、
y1＝y1(t0)+∑Δy1(k)(公式二)；
计算机通过公式三和公式四对位移的变化量Δx2(k)和Δy2(k)分别进行积分处理，获得2号光电位置敏感器在基准面中的实时位置坐标(x2、y2)，其中，
x2＝x2(t0)+∑Δx2(k)(公式三)、
y2＝y2(t0)+∑Δy2(k)(公式四)；
步骤五，将实时位置坐标(x1、y1)和实时位置坐标(x2、y2)的两点连线与基准面内水平平面直角坐标系x轴之间的夹角θ为：
θ = arctan y 2 - y 1 x 2 - x 1 (公式五)，
所述的夹角θ为平面或曲面内无导轨二维运动物体的姿态。
2.根据权利要求1所述的平面或曲面内无导轨二维运动物体的位移和姿态的非接触测量方法，其特征在于，所述的两个光电位置敏感器与相对运动平面或曲面之间的垂直距离均大于0且小于0.5cm。
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