专利名称：一种三维姿态角的测量方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及姿态角的测量技术，尤其涉及一种三维姿态角的测量方法和系统。
背景技术：
在机械制造、航空、航天、国防、建筑等部门中，姿态角是需要确定的重要物理量。 所谓姿态角，是指物体相对于参照物的空间方位角。在诸多姿态角测量方法中，以圆光栅法 和环形激光法为代表的光学测角方法虽然精度较高，但对硬件条件要求苛刻，且只限于一 维角度测量。目前的三维姿态角测量方法相对比较少，张之江等人基于双反射面自准直系 统的测量原理提出了一种三维小角度测量系统模型，如图1所示，反射面I与反射面II具 有设定的空间夹角，通过准直透镜将反射光线在CCD面上成像，这种基于双反射面自准直 系统的测量原理特点是它能分辨Y角的微小变动量，从而实现了对空间三维小角度的测 量。但是这种三维姿态角的测量缺点是量程较小，对系统的设计精度要求很高。

发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种三维姿态角的测量方法和系统，能够 使三维姿态角的测量达到大量程的测角范围。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的本发明提供的一种三维姿态角的测量方法，该方法包括将两路平行光线经针孔光阑在图像传感器上形成光斑图像；对所有光斑进行分组识别，根据两路平行光线各自对应的光斑质心坐标分别获得 对应的二维姿态角；根据两路平行光线各自对应的二维姿态角，基于双矢量定姿原理得到三维姿态 角。上述方案中，所述针孔光阑采用多个阵列小孔；所述两路平行光线具有不同的光照强度和固定的夹角，并以不同的入射角通过所 述针孔光阑。上述方案中，所述对所有光斑进行分组识别为计算各光斑的最大灰度值，根据各 光斑的最大灰度值的大小将所有光斑平均分成两组，光照强度大的平行光线对应最大灰度 值大的一组光斑，光照强度小的平行光线对应最大灰度值小的一组光斑。上述方案中，所述根据各光斑的最大灰度值的大小将所有光斑平均分成两组，为 将每个光斑的最大灰度值按照从大到小的顺序排列，将排列好的光斑从中间分为两组。上述方案中，该方法进一步包括在对所有光斑进行分组识别之后，根据针孔光阑 各小孔的位置关系及对应同一路平行光线的各光斑的质心坐标，将计算光斑质心坐标时得 到的质心标记和计算二维姿态角时所需的光斑标记进行一一对应。本发明提供的一种三维姿态角的测量系统，该系统包括成像单元、计算机处理单 元；其中；
成像单元，用于将两路平行光线经针孔光阑在图像传感器件上形成光斑图像，并 将各光斑的成像区域传送给计算机处理单元；计算机处理单元，用于对所有光斑进行分组识别，根据两路平行光线各自对应的 光斑的质心坐标分别获得对应的二维姿态角；之后根据所述二维姿态角，基于双矢量定姿 原理得到三 维姿态角。上述方案中，所述成像单元包括针孔光阑、图像传感器；其中，针孔光阑，有多个阵列小孔，用于在两路平行光线通过时，在图像传感器上形成多 个光斑；图像传感器，用于将各光斑成像区域的光信号转换为电信号，逐个传送给计算机
处理单元。上述方案中，所述计算机处理单元包括系统建模单元、质心计算单元、光斑分组 识别单元、二维姿态角计算单元、三维姿态角计算单元；其中，系统建模单元，用于对针孔光阑和图像传感器成像面进行系统建模；质心计算单元，用于根据各光斑的成像区域，计算各光斑的质心坐标；光斑分组识别单元，用于对所有光斑进行分组识别；二维姿态角计算单元，用于根据两路平行光线各自对应的光斑质心坐标，计算出 两路平行光线分别对应的二维姿态角；三维姿态角计算单元，用于根据两路平行光线各自对应的二维姿态角，基于双矢 量定姿原理得到三维姿态角。上述方案中，所述光斑分组识别单元，具体用于计算各光斑的最大灰度值，根据各 光斑的最大灰度值的大小将所有光斑平均分成两组，光照强度大的平行光线对应最大灰度 值大的一组光斑，光照强度小的平行光线对应最大灰度值小的一组光斑。上述方案中，所述光斑分组识别单元，还用于根据针孔光阑各小孔的位置关系及 对应同一路平行光线的各光斑的质心坐标，将计算光斑质心坐标时得到的质心标记和计算 二维姿态角时所需的光斑标记进行一一对应。本发明提供的一种三维姿态角的测量方法和系统，将两路平行光线经针孔光阑在 图像传感器上形成光斑图像；对所有光斑进行分组识别，根据两路平行光线各自对应的光 斑质心坐标分别获得对应的二维姿态角；之后根据两路平行光线各自对应的二维姿态角， 基于双矢量定姿原理得到三维姿态角；如此，使三维姿态角的测量能够达到大量程的测角 范围；并且，由于采用两路平行光线和针孔光阑作为光学系统，使系统的设计与工作距离无 关。


图1为现有技术中一种三维小角度测量系统模型的示意图；图2为本发明实现三维姿态角的测量方法的流程示意图；图3为本发明对针孔光阑和图像传感器的成像面进行系统建模的示意图；图4为本发明中对两路平行光线通过针孔光阑形成的六个光斑进行分组识别及 将光斑标记和质心标记进行一一对应的示意图；图5为本发明中通过双矢量定姿原理得到三维姿态角的原理示意图6为本发实现三维姿态角的测量系统的结构示意图。
具体实施例方式本发明的基本思想是将两路平行光线经针孔光阑在图像传感器上形成光斑图 像；对所有光斑进行分组识别，根据两路平行光线各自对应的光斑质心坐标分别获得对应 的二维姿态角；之后根据两路平行光线各自对应的二维姿态角，基于双矢量定姿原理得到 三维姿态角。下面通过附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。 本发明实现三维姿态角的测量方法，如图2所示，该方法包括以下几个步骤步骤201 将两路平行光线经针孔光阑在图像传感器成像面上形成光斑图像；本步骤中，所述针孔光阑，一般采用微电子机械系统(MEMS)技术在硅基片上镀膜 蚀刻阵列小孔来实现，小孔直径为100 μ m，孔间距600 μ m ；针孔光阑设计成多个阵列小孔， 在本发明的实施例中针孔光阑模式是采用三个阵列小孔，其分布如图3中针孔光阑模式所 示；所述两路平行光线具有不同的光照强度和固定的夹角，并以不同的入射角通过所 述针孔光阑；图3中F表示系统焦距，系统焦距一般是根据图像传感器成像面的大小和所要达 到的测角范围进行设定的。步骤202 对所有光斑进行分组识别，根据两路平行光线各自对应的光斑的质心 坐标分别获得对应的二维姿态角；具体的，对针孔光阑和图像传感器的成像面进行系统建模，如图3所示，在成像面 建立一平面直角坐标系作为传感器的像空间坐标系，取针孔光阑中心Om到成像面的垂直 点0c，作为像空间坐标系的原点；根据各光斑的成像区域，通过一阶矩质心算法计算各光 斑的质心坐标，并对所有光斑进行分组识别，确定两路平行光线各自对应的光斑，通过三角 几何的方法计算出两路平行光线分别对应的二维姿态角；所述对所有光斑进行分组识别为计算各光斑的最大灰度值，根据各光斑的最大 灰度值的大小将所有光斑平均分成两组，光照强度大的平行光线对应最大灰度值大的一组 光斑，光照强度小的平行光线对应最大灰度值小的一组光斑；具体的，两路平行光线的光照强度不一致，设置平行光线1的光照强度为I，平行 光线2的光照强度为0. 51，两路平行光线在图像传感器的成像面上的成像光斑的最大灰度 值不同，根据最大灰度值的大小将光斑分为两组，包括设max_pix (i)代表第i个光斑的最大灰度值，将每个光斑的maX_piX (i)按照从 大到小的顺序排列，将排列好的光斑从中间分为两组，平行光线1对应最大灰度值大的一 组光斑，平行光线2对应最大灰度值小的一组光斑，如图3中的针孔光阑形成的六个光斑， 将六个光斑的maX_piX(i)按照从大到小的顺序排列，取排在前三位的光斑为第一组，如 max_pix(l)、max_pix(2)、max_pix(3)排在前三位，则为第一组，对应光线 1 ；max_pix(4)、 max_pix(5),max_pix(6)排在后三位，则为第二组，对应光线2 ；进一步的，在对所有光斑进行分组识别之后，本步骤还包括根据针孔光阑各小孔 的位置关系及对应同一路平行光线的各光斑的质心坐标，将光斑标记和质心标记进行一一对应；所述质心标记为计算光斑的质心坐标时得到的光斑质心的一个标记，该标记值表示 以图像横纵坐标为基准的光斑的质心顺序，以六个光斑为例，带有质心标记的质心坐标依
次为(X1, Y1)、(χ2, ι2).......(χ6, y6)；所述光斑标记为对每路平行光线所对应的光斑的标
记，以下标1、2区分两路平行光线所成的六个光斑的光斑标记为A” BpCpAyByQ。所述根据针孔光阑各小孔的位置关系及对应同一路平行光线的各光斑的质心坐 标，将光斑标记和质心标记进行一一对应，具体为以图3中的针孔光阑为例，在安装针孔光阑时将光阑直角边与成像面直角坐标对 应，对于对应同一平行光线的三个光斑，永远是光斑A和光斑B的纵坐标相似，光斑B和光 斑C的横坐标相似。定义集合L(dx)和L(dy)，分别表示每两个质心横坐标之间的距离集合 以及每两个质心纵坐标之间的距离集合，距离最小的两个坐标最相似，如公式(1)所示
权利要求
1.一种三维姿态角的测量方法，其特征在于，该方法包括 将两路平行光线经针孔光阑在图像传感器上形成光斑图像；对所有光斑进行分组识别，根据两路平行光线各自对应的光斑质心坐标分别获得对应 的二维姿态角；根据两路平行光线各自对应的二维姿态角，基于双矢量定姿原理得到三维姿态角。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述针孔光阑采用多个阵列小孔； 所述两路平行光线具有不同的光照强度和固定的夹角，并以不同的入射角通过所述针孔光阑。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述对所有光斑进行分组识别为计 算各光斑的最大灰度值，根据各光斑的最大灰度值的大小将所有光斑平均分成两组，光照 强度大的平行光线对应最大灰度值大的一组光斑，光照强度小的平行光线对应最大灰度值 小的一组光斑。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述根据各光斑的最大灰度值的大 小将所有光斑平均分成两组，为将每个光斑的最大灰度值按照从大到小的顺序排列，将排 列好的光斑从中间分为两组。
5.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，该方法进一步包括在对所有光斑 进行分组识别之后，根据针孔光阑各小孔的位置关系及对应同一路平行光线的各光斑的质 心坐标，将计算光斑质心坐标时得到的质心标记和计算二维姿态角时所需的光斑标记进行 --对应。
6.一种三维姿态角的测量系统，其特征在于，该系统包括成像单元、计算机处理单 元；其中；成像单元，用于将两路平行光线经针孔光阑在图像传感器件上形成光斑图像，并将各 光斑的成像区域传送给计算机处理单元；计算机处理单元，用于对所有光斑进行分组识别，根据两路平行光线各自对应的光斑 的质心坐标分别获得对应的二维姿态角；之后根据所述二维姿态角，基于双矢量定姿原理 得到三维姿态角。
7.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述成像单元包括针孔光阑、图像 传感器；其中，针孔光阑，有多个阵列小孔，用于在两路平行光线通过时，在图像传感器上形成多个光斑；图像传感器，用于将各光斑成像区域的光信号转换为电信号，逐个传送给计算机处理 单元。
8.根据权利要求6或7所述的测量系统，其特征在于，所述计算机处理单元包括系统 建模单元、质心计算单元、光斑分组识别单元、二维姿态角计算单元、三维姿态角计算单元； 其中，系统建模单元，用于对针孔光阑和图像传感器成像面进行系统建模； 质心计算单元，用于根据各光斑的成像区域，计算各光斑的质心坐标； 光斑分组识别单元，用于对所有光斑进行分组识别；二维姿态角计算单元，用于根据两路平行光线各自对应的光斑质心坐标，计算出两路平行光线分别对应的二维姿态角；三维姿态角计算单元，用于根据两路平行光线各自对应的二维姿态角，基于双矢量定 姿原理得到三维姿态角。
9.根据权利要求8所述的测量系统，其特征在于，所述光斑分组识别单元，具体用于计 算各光斑的最大灰度值，根据各光斑的最大灰度值的大小将所有光斑平均分成两组，光照 强度大的平行光线对应最大灰度值大的一组光斑，光照强度小的平行光线对应最大灰度值 小的一组光斑。
10.根据权利要求9所述的测量系统，其特征在于，所述光斑分组识别单元，还用于根 据针孔光阑各小孔的位置关系及对应同一路平行光线的各光斑的质心坐标，将计算光斑质 心坐标时得到的质心标记和计算二维姿态角时所需的光斑标记进行一一对应。
全文摘要
本发明公开了一种三维姿态角的测量方法，将两路平行光线经针孔光阑在图像传感器上形成光斑图像；对所有光斑进行分组识别，根据两路平行光线各自对应的光斑质心坐标分别获得对应的二维姿态角；之后根据两路平行光线各自对应的二维姿态角，基于双矢量定姿原理得到三维姿态角；本发明同时还公开了一种三维姿态角的测量系统，通过本发明的方案，使三维姿态角的测量能够达到大量程的测角范围；并且，由于采用两路平行光线和针孔光阑作为光学系统，使系统的设计与工作距离无关。
文档编号G01C1/00GK102135421SQ20101060650
公开日2011年7月27日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者张广军, 江洁, 王昊予, 王英雷 申请人:北京航空航天大学