专利名称：刚性物体空间自由姿态测量装置及方法及数据分析方法
技术领域：
本发明涉及测量技术。
背景技术：
六自由度并联平台是各种设备如飞机、舰船及车载仪器等进行动态可靠性研究的重要模拟试验设备，其研究是一项精密而又复杂的工程科学，涉及机械、计算机控制、光电测量等技术。六自由度并联平台的姿态测量是一种典型的多自由度姿态测量，测量对象为空间移动量和绕空间轴的转动量，通过这些参数的测量并进行逆解可以获得平台正确的空间姿态参数，反馈回控制系统则可以对其进行控制，从而达到使其按照要求进行姿态变化的目的。针对空间物体的位置和姿态的六自由度测量方法有多种形式，如常用的激光干涉方法、基于多面阵CCD相机系统的视觉测量方法、基于位置敏感探测器(PSD)技术的测量方法等，这些方法存在不同的应用条件和背景，具有各自的特点。如激光干涉法具有测量精度高的优点，但检测过程繁杂、环境要求较高、对使用者的要求也较高，并且是单参数测量，无法满足六个自由度同时测量的要求；而多面阵CCD相机系统的视觉测量方法利用CCD作为接收器，对一特定制作的置于被测物体上的模型进行扫描，以获得模型上特征点的视觉信号，经过一定算法而获得被测物体的各个自由度的信息。该系统的特点是需要对多个按照严格要求排列的CCD相机进行标定，CCD相机的安装和调整比较困难，标定工作相当繁杂， 对使用者的要求也相当高，且整个系统对振动敏感，仪器结构复杂，成本高，不易小型化，精度与CCD摄像系统相关，精度与成本有极大的关系，而且原理上决定高度方向的位置测量和沿轴向的滚转角测量精度较低。而基于PSD的测量方法仅在中心很小的区域内具有较高的精度，当测量范围延伸出后，测量精度就会下降。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有高精度、使用和维护简便的刚性物体空间自由姿态测量装置及方法，以及数据分析方法。本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，刚性物体空间自由姿态测量装置， 包括平面正交四向光标发生装置和线阵(XD，所述线阵CXD具有数据输出接口。所述平面正交四向光标发生装置为平面正交四向十字光标发生装置，在外壳的四个方向设置有光标输出窗口。所述平面正交四向光标发生装置包括分光棱镜、水平方向扩束镜、水平方向柱面镜、垂直方向扩束镜、垂直方向柱面镜、反射镜组和分光棱镜组。所述线阵CXD包括分布在4个方向的4组CXD相机，每组包括互相垂直的两台相机。所述平面正交四向光标发生装置还包括激光器，激光器内置于平面正交四向光标发生装置。或者，激光器分离于平面正交四向光标发生装置的主体，通过光纤与平面正交四向光标发生装置的主体内部光路连接。
本发明的刚性物体空间自由姿态测量数据分析方法包括下述步骤A、进行线状激光光斑分布的数据采集；B、求出其质心位置Co和线状光斑的半高宽τ ；根据τ的情况确定M个合理的 τ j ；C、以Co为中心，根据τ的情况确定N个将来用于数据截断和获取的数据中心Ci ；D、以Ci为中心、τ j为数据半径从原始数据曲线中获取本次用于计算的各个数据值，以截取的这些数据为基础，按照重心法计算出一个质心位置Cji ；在相同的τ j、不同的 Ci下，计算获得一系列的Cji，Cji构成一条质心轨迹变化的扫描线Lj ；E、在不同的τ j下，重复上述计算过程，获得一系列的质心轨迹变化的扫描线Lj ；F、求解所有扫描线Lj的交汇点Co，将此Co作为本次测量的位置质心。本发明的刚性物体空间自由姿态测量方法，其特征在于，包括下述步骤将线阵CXD按水平位置的四个方向安装在地球坐标系中，位置固定；将平面正交四向光标发生装置安装在被测物体上并固定于其上，将其看作参考坐标系，并确定在初始状态时四束激光束可以照射在CCD表面上；线阵CCD的输出信号由计算机进行采集和数值化，通过预定算法进行位置关系逆解，最终获得被测量物体的姿态变化。本发明的有益效果是，利用多个线阵CCD构成位置探测器，解决了大面阵位置探测器的替代问题，可以简化测量装置，并保证在测量范围内达到一样高的测量精度。采用的数据处理方法可以在数据质量较差的情况下保证线状光线位置测量达到亚像元的水平，最终保证系统测量结果达到较高的水平。


图1是本发明的测量装置系统结构原理图。图2是一组线阵CXD的详细安装方式示意图。图3是激光光源产生十字形指示光线的原理图。图4是多线扫描法的数据处理流程图。 图5是多线扫描法的计算过程示意图。 图6是多线扫描法的计算结果曲线图。
图7是不同的本底数据模拟结果示意图，其中，a为5%的本底模拟结果示意图，b 为10%的本底模拟结果示意图，c为15%的本底模拟结果示意图。 图8为参考坐标系的示意图。 图9为参考坐标系旋转示意图。 图中标号1.平面正交四向光标发生装置，2.光线输出窗口，3.激光器，4.光纤，5.十字形指示光线，6.被测量物体，7.参考坐标系，8.线阵(XD，9.地球坐标系，10.计算机， 11.数据采集线，12.电子元件，13.电路板，14.入射激光，15.分光棱镜，16.反射镜，17.扩束镜，18.分光棱镜组，19.水平方向柱面镜。
具体实施例方式参见图1 3。十字形指示光线5的产生在图3中，由激光器3产生的激光束由传输光纤4输入到光学系统中。首先由分光棱镜15分为相互垂直的两束激光，其中一束经扩束镜17扩束为要求宽度的激光束，然后再由相应的柱面镜19聚焦为垂直方向上的线状光线，经分光棱镜组18及反射镜后输出，获得平面内四个方向上的垂直方向上的线状光线。其次，另一个方向上的激光束经扩束镜(图中未示出)扩束后，再经相应的柱面镜(图中未示出)聚焦为水平方向上的线状光线，由反射镜16输入到分光棱镜组18中进行光线合成，获得平面内四个方向上的水平方向上的线状光线。最终在工作平面内的线阵CCD8表面上获得十字形指示光线5。经反射镜16的光路与经过扩束镜17的光路原理相同，该光路的光处理为垂直方向上的线状光线，与经过扩束镜17的光路的线状光线共同形成十字形光线。线阵CCD8的安装方式特点如图2所示，采用离线式驱动线路，实现电路功能的电子元件12安装在线阵CCD8的背面，防止其对CCD的安装产生影响。线阵CCD8采用焊接的方式直接焊接在电路板上以保证不产生微小的位移而对结果产生影响，同时保持两片CCD 的垂直角度。在图1中，多个线阵CCD8按照要求安装在地球坐标系9中，位置固定。将十字形指示光源安装在被测物体上并固定于其上，将其看作参考坐标系7，并保证在初始状态时四束激光束可以照射在CCD表面上。线阵CCD的输出信号由计算机10进行采集和数值化，再通过一定的算法进行位置关系逆解，最终获得被测量物体的姿态变化。通过模拟高斯分布的线状光线质心位置的研究计算，获得了不同于常规质心计算方法的一种新的计算方式，本发明称为多线扫描法。该方法不是从单次计算结果来得到质心准确位置，而是通过一系列的计算结果所反映的过程来判断质心准确位置，从而避开了一般方法需要对数据进行本底扣除的处理要求或尽量低噪声的要求以及数据截断所产生的问题，大大地降低了对数据质量的要求，对数据的预处理要求很低，完全解决了从单次计算结果判断线状光线准确位置的诸多弊端，该方法具有简单、无需利用全部原始数据、对噪声不敏感的特点，具有较强的适用性。总体上，即使数据具有较大的噪声、本底和无关的背景，该方法也可以获得低于像素级的计算精度。为了将多线扫描法的技术特点及原理更进一步说明，下面对工作过程及算法原理作具体的阐述。图4是比较完整的数据处理流程图。系统启动后，首先进行线状激光光斑分布的数据采集，用简单的平均法求出其质心位置Co和线状光斑的半高宽τ ；根据τ的情况确定M个合理的τ」用于下面的数据处理。然后，以Co为中心，根据τ的情况确定N 个将来用于数据截断和获取的数据中心Ci。以Ci为中心、为数据半径从原始数据曲线中获取本次用于计算的各个数据值，以截取的这些数据为基础，按照重心法计算出一个质心位置Cji ；在相同的τ j、不同的Ci下，可以计算获得一系列的Cji，这些Cji构成一条质心轨迹变化的扫描线Lj (不一定是直线)。再在不同的τ」_下，重复上述计算过程，可以获得一系列的质心轨迹变化的扫描线Lj。求解所有扫描线Lj的交汇点Co (由于噪声、数据本底、数据中心选取的影响，Lj并不一定在某一点确定相交，此处所述的交汇点是指该点离所有的这些扫描线最近的)，将此Co作为本次测量的位置质心。再循环上述工作过程，直到关机。本发明的多线扫描法原理1、模拟研究。对于类似线状光斑剖面线的一维数据，传统光斑质心的计算方法如下式所示
权利要求
1.刚性物体空间自由姿态测量装置，其特征在于，包括平面正交四向光标发生装置 (1)和线阵CCD(S)，所述线阵CCD具有数据输出接口。
2.如权利要求1所述的刚性物体空间自由姿态测量装置，其特征在于，所述平面正交四向光标发生装置(1)为平面正交四向十字光标发生装置，在外壳的四个方向设置有光标输出窗口。
3.如权利要求1所述的刚性物体空间自由姿态测量装置，其特征在于，所述平面正交四向光标发生装置(1)包括分光棱镜(15)、水平方向扩束镜(17)、水平方向柱面镜(19)、垂直方向扩束镜、垂直方向柱面镜、反射镜组(16)和分光棱镜组(18)。
4.如权利要求3所述的刚性物体空间自由姿态测量装置，其特征在于，所述平面正交四向光标发生装置(1)还包括激光器(3)，激光器(3)内置于平面正交四向光标发生装置 ⑴。
5.如权利要求3所述的刚性物体空间自由姿态测量装置，其特征在于，所述平面正交四向光标发生装置(1)还包括激光器(3)，激光器C3)分离于平面正交四向光标发生装置 (1)的主体，通过光纤与平面正交四向光标发生装置(1)的主体内部光路连接。
6.如权利要求1所述的刚性物体空间自由姿态测量装置，其特征在于，所述线阵CCD包括分布在4个方向的4组CXD相机，每组包括互相垂直的两台相机。
7.刚性物体空间自由姿态测量数据分析方法，其特征在于，包括下述步骤A、进行线状激光光斑分布的数据采集；B、求出其质心位置Co和线状光斑的半高宽τ；根据τ的情况确定M个合理的τ」·；C、以Co为中心，根据τ的情况确定N个将来用于数据截断和获取的数据中心Ci；D、以Ci为中心、τj为数据半径从原始数据曲线中获取本次用于计算的各个数据值， 以截取的这些数据为基础，按照重心法计算出一个质心位置Cji ；在相同的τ j、不同的Ci 下，计算获得一系列的Cji，Cji构成一条质心轨迹变化的扫描线Lj ；E、在不同的τj下，重复上述计算过程，获得一系列的质心轨迹变化的扫描线Lj ；F、求解所有扫描线Lj的交汇点Co，将此Co作为本次测量的位置质心。
8.刚性物体空间自由姿态测量方法，其特征在于，包括下述步骤将线阵CXD按水平位置的四个方向安装在地球坐标系(9)中，位置固定；将平面正交四向光标发生装置安装在被测物体上并固定于其上，将其看作参考坐标系(7)，并确定在初始状态时四束激光束可以照射在CCD表面上；线阵CCD的输出信号由计算机(10)进行采集和数值化，通过预定算法进行位置关系逆解，最终获得被测量物体的姿态变化。全文摘要
刚性物体空间自由姿态测量装置及方法及数据分析方法，涉及测量技术。本发明包括平面正交四向光标发生装置和线阵CCD，所述线阵CCD具有数据输出接口。本发明利用多个线阵CCD构成位置探测器，解决了大面阵位置探测器的替代问题，可以简化测量装置，并保证在测量范围内达到一样高的测量精度。采用的数据处理方法可以在数据质量较差的情况下保证线状光线位置测量达到亚像元的水平，最终保证系统测量结果达到较高的水平。
文档编号G01B11/00GK102162718SQ20101060090
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月22日 优先权日2009年12月31日
发明者张开志, 文龙, 李劲, 李洪, 杨兴林, 江孝国, 王远, 石金水 申请人:中国工程物理研究院流体物理研究所