[發(fā)明專利]一種三維姿態(tài)測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011248011.3
• 申請(qǐng)日: 2020-11-10
• 公開（公告）號(hào): CN112697073B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王春;張士濤;楊宗元;王亞波;羅橋波;石佳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所）
• 主分類號(hào): G01B11/26
• 分類號(hào): G01B11/26;G01B11/00
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 代麗

本發(fā)明公開了一種三維姿態(tài)測(cè)量方法，通過(guò)構(gòu)建虛擬單維高分辨成像元件，顯著提高了光斑斜率測(cè)量的精度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量，使一次測(cè)量過(guò)程能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)秒級(jí)三維高精度姿態(tài)測(cè)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三維姿態(tài)測(cè)量方法。

背景技術(shù)

光電自準(zhǔn)直儀是一種利用光的自準(zhǔn)直原理測(cè)量小角度的儀器。現(xiàn)有技術(shù)中，在對(duì)待測(cè)量目標(biāo)進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量時(shí)，利用光電自準(zhǔn)直儀可有效實(shí)現(xiàn)方位、俯仰二維角度的秒級(jí)精度測(cè)量。關(guān)于滾轉(zhuǎn)角測(cè)量，公開號(hào)CN1335483A等專利提出了偏振相位法測(cè)量方案，但是上述方法都無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度三維姿態(tài)測(cè)量。在現(xiàn)有技術(shù)中，也有技術(shù)提出了基于自準(zhǔn)直儀的三維姿態(tài)測(cè)量方法，該方法中方位、俯仰角度測(cè)量具有常規(guī)自準(zhǔn)直儀的高精度，但滾轉(zhuǎn)角測(cè)量精度受限于目前的CMOS成像元件的分辨率，最高只能達(dá)到約10″量級(jí)。具體分析如下：

當(dāng)前CMOS成像元件分辨率為千萬(wàn)像素級(jí)別，例如4800萬(wàn)像素，單維像素約為幾千，例如4800萬(wàn)像素分別率即為8000×6000(4：3)。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中滾轉(zhuǎn)角的測(cè)量原理，需對(duì)成像進(jìn)行斜率計(jì)算。如圖2所示，十字光斑斜率a＝y(tǒng)/L，因此滾轉(zhuǎn)角測(cè)量精度取決于y的測(cè)量精度與L的最大值。不考慮算法優(yōu)化y測(cè)量精度為1個(gè)像素，L最大值為成像元件的單維像素。按照前述4800萬(wàn)像素成像元件的分辨率計(jì)算，其斜率測(cè)量精度為1/8000＝25.8〞，由于從原理上講滾轉(zhuǎn)角為斜率變化的1/2，因此滾轉(zhuǎn)角測(cè)量精度約13〞。

總之，現(xiàn)有技術(shù)中采用光電自準(zhǔn)直儀測(cè)量目標(biāo)三維姿態(tài)的方法，仍然存在滾轉(zhuǎn)角測(cè)量精度不高的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種三維姿態(tài)測(cè)量方法，能夠解決當(dāng)前成像元件分辨率不足的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量目標(biāo)的秒級(jí)三維姿態(tài)測(cè)量。

本發(fā)明提供的一種三維姿態(tài)測(cè)量方法，包括以下步驟：

步驟1、將待測(cè)量目標(biāo)與反射面組合體固定；

步驟2、將光電自準(zhǔn)直儀中測(cè)量滾轉(zhuǎn)角的光電傳感器替換為虛擬單維高分辨成像元件；所述虛擬單維高分辨成像元件包括基底和兩個(gè)CMOS成像元件，所述兩個(gè)CMOS成像元件分別固定于所述基底的同側(cè)兩端，所述基底的長(zhǎng)度大于10倍的所述CMOS成像元件的尺寸；

步驟3、采用公式(1)統(tǒng)一所述兩個(gè)CMOS成像元件的坐標(biāo)系：

其中，(x,y)、(x′,y′)分別為兩個(gè)CMOS成像元件的坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，θ、x₀、y₀均為坐標(biāo)系變換參數(shù)；

θ的計(jì)算過(guò)程為：將待測(cè)量目標(biāo)任意旋轉(zhuǎn)一個(gè)滾轉(zhuǎn)角度，在兩個(gè)CMOS成像元件的坐標(biāo)系中分別采用公式(2)和公式(3)擬合求得滾轉(zhuǎn)角，計(jì)算兩個(gè)坐標(biāo)系下滾轉(zhuǎn)角的差值θ₁-θ′₁即為θ的取值，即θ＝θ₁-θ′₁，其中，b₁及b′₁均為擬合參數(shù)；

y＝tanθ₁*x+b₁ (2)

y′＝tanθ′₁*x′+b′₁ (3)

采用公式(4)計(jì)算x₀、y₀的取值：

步驟4、采用步驟3得到的統(tǒng)一坐標(biāo)系，分別計(jì)算CMOS1和CMOS2上的光強(qiáng)質(zhì)心，由質(zhì)心連線即可計(jì)算得到光斑斜率。

進(jìn)一步地，所述基底的材料為熔融石英。

有益效果：