[發明專利]基于雙折射晶體視場效應的姿態角實時測量方法及裝置

有效

• 申請號: 202010219763.0
• 申請日: 2020-03-25
• 公開（公告）號: CN111380501B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 江浩;張松;谷洪剛;劉世元
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01C1/00
• 分類號: G01C1/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 孔娜;李智

本發明屬于光學測量相關技術領域，其公開了一種基于雙折射晶視場效應的姿態角實時測量方法及裝置，裝置包括相連接的高速偏振測量模塊及物體姿態調整模塊，高速偏振測量模塊包括分別位于物體姿態調整模塊相背的兩側的起偏單元及實時檢偏單元；物體姿態調整模塊包括姿態角控制器、分別連接于姿態角控制器的滾轉角調節單元、俯仰角調節單元、偏航角調節單元、高度調節單元及雙折射晶體。所述測量方法包括根據高速偏振測量模塊測得光學參數進行物體姿態角實時提取算法，以及姿態角測量誤差補償方法。本發明適用性強，能夠實現對附有雙折射晶體的物體的姿態角大范圍高精度實時原位測量。

技術領域

本發明屬于光學測量相關技術領域，更具體地，涉及一種基于雙折射晶體視場效應的姿態角實時測量方法及裝置。

背景技術

姿態角是描述物體運動的重要參數，通常由偏航角俯仰角θ及滾轉角ф組成。在精密制造，機器人控制，飛行器導航等領域，對姿態角大范圍實時精確測量十分重要。傳統的姿態角測量方法都是需整合多個傳感器測量到的信息才能實現全姿態角測量。常用的姿態角傳感器有陀螺儀、加速度計等。由于陀螺儀測量的是角速度而不是角度，因此在使用陀螺儀獲取姿態角時需要考慮到積分誤差等問題；而加速度計則容易受到振動的影響。因此，為了精確地測量物體地姿態角，這些測量系統往往通常需要配備多個陀螺儀和加速度計，這會增加整個系統的成本，也會增加系統的復雜程度。

近些年來，由于非接觸、系統靈活，成本低，精度高和靈敏度高等優點，光學測量方法在姿態角測量中具有很大的潛力。目前基于光學測量姿態角的方法主要有：一種是基于磁性石榴石單晶偏振效應的滾轉角測量方法，其能在較大范圍內對滾轉角進行測量；第二種是基于多芯光纖的光纖型布拉格光柵應變傳感器，其能在滾轉角在±2°、俯仰角在±15°方位內對物體姿態角進行測量；最后一種是基于激光自準直的方法，其能實現全姿態角測量，同時其分辨率為0.01弧秒，精度為0.5弧秒，但測量范圍僅為60弧秒。目前已有的基于光學的姿態角測量方法一方面不能實現全姿態角實時測量，一方面對姿態角的測量范圍太小。相應地，本領域亟待提出一種能夠大范圍實時原位全姿態角測量的裝置及方法。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于雙折射晶體視場效應的姿態角實時測量方法及裝置，其結合了原位實時大范圍高精度姿態角測量的測量需求，相應地設計了一種能夠對任意姿態下的物體的姿態角進行測量與提取的裝置及方法，該裝置主要組件有能夠大范圍調整物體姿態的姿態調節模塊，以及能夠實時原位測量物體姿態變化的高速偏振實時測量模塊。同時結合傾斜入射情況下，雙折射晶體的穆勒矩陣形式的光學表征模型，及特殊測量配置下雙折射晶體光學參數提取算法，以及視場角與姿態角對應關系，可以完成任意姿態下的附著有雙折射晶體的物體的姿態角的大范圍原位實時的高精度測量。此外，結合所測量到的任意時刻下的姿態角，還可以求得各姿態角變化的角速度及角加速度。同時，本發明能夠適用于各種類型物體的姿態角測量，該測量方法不僅僅局限于透射式測量，也適用于反射式測量。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于雙折射晶體視場效應的姿態角實時測量裝置，所述裝置包括相連接的高速偏振測量模塊及物體姿態調整模塊，所述高速偏振測量模塊包括起偏單元及實時檢偏單元，所述起偏單元及所述實時檢偏單元分別位于所述物體姿態調整模塊相背的兩側，且所述高速偏振測量模塊安裝在旋轉底板上，所述旋轉底板用于調節高速偏振測量模塊的入射角，以實現反射和透射模式測量；

所述物體姿態調整模塊包括滾轉角調節單元、俯仰角調節單元、偏航角調節單元、高度調節單元、姿態角控制器，俯仰角實時測量單元及雙折射晶體，所述俯仰角調節單元、所述偏航角調節單元及所述高度調節單元分別連接于所述姿態角控制器，所述滾轉角調節單元設置在所述俯仰角調節單元上，所述俯仰角調節單元設置在所述偏航角調節單元上，所述偏航角調節單元設置在所述高度調節單元上；所述滾轉角調節單元用于承載物體及雙折射晶體，工作時，所述雙折射晶體以及俯仰角實時測量單元附著于物體上；