CN107121073B - 一种基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量方法及装置，解决了运动物体的俯仰角、滚动角以及轴向位移三个自由度的实时测量问题。该装置包含高精度激光干涉测距仪、外反射角锥棱镜、平面反射镜、快门和控制及数据处理***。利用激光干涉测距仪、外反射角锥棱镜和快门测量运动物体不同坐标的三个点，再利用测量得到的三个距离信息及三个坐标的位置信息算出运动物体上三个点的坐标变化，最后利用本发明提供的构造理想平面的方法解算出目标的俯仰、滚动角和轴向位移量。本发明此方法具有精度高、结构简单、数据处理量小和实时性好的特点。
Description
技术领域
本发明属于精密测量领域，具体涉及一种基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量的方法及装置。
背景技术
测量是一切科学研究和工业生产的基础，在测量领域中，距离、位移、角度和角位移是基本测量物理量。随着技术的发展，出现了各种各样的测量方法，在高精度测量方面，光学方法具有可溯源和非接触的优势，飞行时间法和激光干涉测距是常用的长度测量手段，自准直法、激光干涉法、环形激光法和内反射法是常用的测角方法，这些方法一般使用在单一物理量的测量。随着技术的发展，单一物理量测量已经不能满足科学研究和工业生产的需求，这就要求测量仪器具有多自由度同时测量的能力。
多自由度的测量方法中，一般采用多种传感器和测量方法结合实现多维度测量，这样的测量***很复杂且由于增加测量设备而对测量目标产生不利影响，导致测量结果误差源增加。随着计算机的发展，激光散斑干涉测量、数字全息测量及计算机视觉在多自由度测量领域开始出现，但是这种基于图像处理的方法需要处理大量的图像信息而不能高速实时测量，并且其测量精度受限于图像传感器的像元大小。
针对现有技术的不足，采用激光干涉测量的方法能获得高精度距离信息，从而获得更加准确的坐标点信息，采用多反射面棱镜实现一个干涉仪用于多点测量的目的；结合理想平面构造法，把目标的运动信息转换为平面法向量之间的转动和平面的平移，从而获得高精度的三自由度运动信息。这方法具有结构简单和数据运算量小的优势，但在其他文献中尚未采用过此方法。
发明内容
本发明针对现有技术中结构复杂和测量精度不高的不足，设计了一种基于激光干涉仪的高精度三自由度测量方法和装置，具有精度高、结构简单、数据处理量小和实时性好的特点。
本发明采用的技术方案为：一种基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量的装置，包括：高精度激光测距仪、外反射角锥棱镜、直角屋脊棱镜、快门、控制及数据处理***、光的传输方向控制、快门控制信号接口、信号传输***和机构外壳；测量装置中高精度激光测距仪和外反射角锥棱镜为同轴安装，其中外反射角锥棱镜的镜面依次与直角屋脊棱镜的脊线平行并使直角屋脊棱镜的入射光与反射光互相垂直；处于同一平面内的三个直角屋脊棱镜之间以两两相距120°的位置固定在机构外壳上；控制及处理***接收由高精度激光测距仪所测的距离信息d1、d2和d3，对其进行运算得到三自由度运动信息，同时控制及处理***发出控制指令控制快门状态完成测量。
其中，外反射角锥棱镜将沿轴线的平行光束分成沿不同方向传播的三束光，这三束光的传播方向互为120°且垂直于轴线；外反射角锥棱镜结合三个位置互为120°的直角屋脊棱镜实现三个不同位置点距离d1、d2和d3的测量。
另外采用构造理想平面的方法实现俯仰、滚转的角位移和轴向活塞位移同时测量，具体测量方法包括以下步骤：
1、根据三个平面反射镜的位置确定参考平面的法线；
2、根据测量的距离信息计算待测物体反射面的法线；
3、利用坐标转换关系解出运动物体在俯仰角、滚转角和轴向位移的运动量。
本发明相比于现有技术的优点在于：
1.本发明提出了采用多面反射型棱镜(如外反射角锥棱镜)实现光束方向的控制，解决了现有技术中需要多个干涉仪进行多点测量的问题，使得测量装置的结构简单紧凑。
2.本发明提出的采用构造理想平面的方法实现俯仰、滚转的角位移和轴向活塞位移同时测量。
3.本发明此方法具有精度高、结构简单、数据处理量小和实时性好的特点。
附图说明
图1为本发明装置结构图；
图2为本发明测量方法流程图；
图3为角位移测量误差曲线图；
图4为活塞位移测量误差曲线图；
图中附图标记含义为：1为高精度激光干涉测距仪，2为外反射角锥棱镜，3为直角屋脊棱镜，4为快门，5为控制及数据处理***，6为光的传输方向控制，7为快门控制信号接口，8为信号传输***，9为机构外壳。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明了，一下结合具体实施实例，结合附图对本发明进一步说明。
首先结合图1介绍基于激光干涉仪的高精度三自由度测量装置。测量装置的主要部件有高精度激光干涉测距仪1、外反射角锥棱镜2、直角屋脊棱镜3、快门4、控制及数据处理***5、光的传输方向控制6、快门控制信号接口7、信号传输***8和机构外壳9；测量装置中高精度激光测距仪1和外反射角锥棱镜2为同轴安装，其中外反射角锥棱镜的镜面依次与直角屋脊棱镜3的脊线平行并使直角屋脊棱镜的入射光与反射光互相垂直；处于同一平面内的三个直角屋脊棱镜3之间以两两相距120°的位置固定在机构外壳上；外反射角锥棱镜轴线与反射镜之间的距离设为81.65mm；控制及数据处理***5接收由高精度激光测距仪1所测的距离信息d1、d2和d3，对其进行运算得到三自由度运动信息，同时控制及数据处理***5发出控制指令控制快门状态完成测量。
结合图2，本发明基于激光干涉仪的三自由度测量方法步骤如下：
步骤1)、根据测量装置的具体尺寸，计算出三个平面反射镜的中心位置坐标A0(x1,y1,z1)、B0(x2,y2,z2)、C0(x3,y3,z3)，并将其保存作为参考基准。根据装置具体参数并假设测量装置在三维笛卡尔坐标系的第一象限正方向，得到平面反射镜中心的特殊坐标为A0(100,0,0)、B0(0,100,0)、C0(0,0,100)，别对准三个次反射镜以测量距离信息d1、d2和d3。
步骤2)、代入d1、d2和d3计算出目标面上三个点的坐标A(x1,y1,z1)、B(x2,y2,z2)、C(x3,y3,z3)，根据A、B、C三点坐标确定目标面内的两个不共线的向量和由以下的表达式得到当前目标平面法线
步骤3)、重复步骤1和步骤2，获得运动后的目标平面法线
步骤4)、根据坐标变换关系两个方向的旋转角分别P和R，则两个方向都存在旋转时，变换矩阵T为：
计算得到：
其中，
步骤5)、根据求出的角位移P和R，代入到原坐标数据中获得只经过转动而没有活塞移动的目标状态坐标A1(x1,y1,z1)、B1(x2,y2,z2)、C1(x3,y3,z3)，并计算对应前后坐标点距离|A1-A|、|B1-B|和|C1-C|及它们的均值，用三个点的距离差近似代替活塞移动d。
步骤6)、将A(x1,y1,z1)、B(x2,y2,z2)、C(x3,y3,z3)存起来作为下一轮测量的原平面数据，按照步骤1)中顺序测量d1、d2和d3,并重复步骤2)步骤6)行测量。
当然在本实例中，对外反射角锥棱镜、干涉仪及平面反射镜的安装要求严格，如果安装中存在角度误差的情况下会对测量结果造成影响，因此要控制安装误差在一定的范围内以保证测量精度。图3和图4的计算机仿真计算可以看出，在工作距离为800mm的配置下0.01°的角位移测量误差和活塞位移误差分别为10-6°和10-14mm。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明的保护范围并不局限于此，尤其是外反射型棱锥、算法流程和光路通断装置快门，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解想到的变换或替换均涵盖在本发明包含的范围之内。
Claims (4)
1.一种基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量装置，其特征在于：包括高精度激光测距仪(1)、外反射角锥棱镜(2)、直角屋脊棱镜(3)、快门(4)、控制及数据处理***(5)、光的传输方向控制(6)、快门控制信号接口(7)、信号传输***(8)和机构外壳(9)；测量装置中高精度激光测距仪(1)和外反射角锥棱镜(2)为同轴安装，其中外反射角锥棱镜的镜面依次与直角屋脊棱镜(3)的脊线平行并使直角屋脊棱镜的入射光与反射光互相垂直；处于同一平面内的三个直角屋脊棱镜(3)之间以两两相距120°的位置固定在机构外壳上；控制及数据处理***(5)接收由高精度激光测距仪(1)所测的距离信息d1、d2和d3，对其进行运算得到三自由度运动信息，同时控制及数据处理***(5)发出控制指令控制快门通断状态完成测量。
2.根据权利要求1所述基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量装置，其特征在于：外反射角锥棱镜(2)将沿轴线的平行光束分成沿不同方向传播的三束光，这三束光的传播方向互为120°且垂直于轴线；外反射角锥棱镜(2)结合三个位置互为120°的直角屋脊棱镜实现三个不同位置点距离d1、d2和d3的测量。
3.一种基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量方法，利用权利要求1所述基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量装置，其特征在于：该测量方法包括以下步骤：
步骤1)、根据测量装置的具体尺寸，计算出三个次反射镜的中心位置坐标A0(x1,y1,z1)、B0(x2,y2,z2)、C0(x3,y3,z3)，控制及数据处理***(5)发出控制指令依次控制三个快门的通断，使得三束光依次通过快门测得测量距离信息d1、d2和d3；
步骤2)、代入d1、d2和d3计算出目标面上三个点的坐标A(x1,y1,z1)、B(x2,y2,z2)、C(x3,y3,z3)，根据A、B、C三点坐标确定目标面内的两个不共线的向量和由以下的表达式得到当前目标平面法线
步骤3)、重复步骤1)和步骤2)，获得运动后的目标平面法线
步骤4)、根据坐标变换关系两个方向的旋转角分别P和R，则两个方向都存在旋转时，变换矩阵T为：
计算得到：
其中，
步骤5)、根据求出的角位移P和R，代入到原坐标数据中获得只经过转动而没有活塞移动的目标状态坐标A1(x1,y1,z1)、B1(x2,y2,z2)、C1(x3,y3,z3)，并计算对应前后坐标点距离|A1-A|、|B1-B|和|C1-C|及它们的均值，用三个点的距离差近似代替活塞移动d；
步骤6)、将A(x1,y1,z1)、B(x2,y2,z2)、C(x3,y3,z3)存起来作为下一轮测量的原平面数据，按照步骤1)中顺序测量d1、d2和d3，并重复步骤2)-步骤6)进行测量。
4.根据权利要求3所述基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量方法，其特征在于：通过三个点确定一个理想平面，解算前后理想面之间的位置关系来获得目标在俯仰、滚转的角位移和轴向活塞位移运动。
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