本實(shí)用新型涉及光學(xué)測量裝置領(lǐng)域，具體涉及一種位姿測算光學(xué)儀器。

背景技術(shù)：

隨著空間光學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，空間載荷也在不斷的創(chuàng)新，近幾年不斷涌現(xiàn)出多種類型的新型載荷，其中包括大型機(jī)械手臂等通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動達(dá)到任務(wù)要求的設(shè)備。這種設(shè)備在使用時(shí)，由于空間環(huán)境、人手及人眼無法接觸或近距離觀察設(shè)備等不利因素影響，導(dǎo)致此類設(shè)備必須通過某種測量手段來精確計(jì)算出設(shè)備的實(shí)時(shí)位置及姿態(tài)，即需要對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)位姿測算。

空間環(huán)境具有失重、溫度交變顯著等特點(diǎn)，這對設(shè)備的實(shí)時(shí)位姿測算提出了更加嚴(yán)苛的要求。位姿測量儀器必須在復(fù)雜的空間環(huán)境載荷下，保證測量精度，還要承受火箭發(fā)射、星箭分離時(shí)大量級的振動及沖擊等嚴(yán)酷的力學(xué)載荷，現(xiàn)有的位姿測算光學(xué)儀器測算數(shù)據(jù)可信度低，不能夠承受嚴(yán)酷的力學(xué)和熱學(xué)環(huán)境。同時(shí)，由于發(fā)射成本、使用效率等方面因素的制約，位姿測算儀器必須滿足重量輕，可靠性高等一系列條件，此外，現(xiàn)有的位姿測算光學(xué)儀器調(diào)試過程復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的問題是提出一種既能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又可以保證測量精度的位姿測算儀器。

本實(shí)用新型解決上述問題的技術(shù)方案是：一種位姿測算光學(xué)儀器，包括光學(xué)相機(jī)、多個(gè)激光器組件和光學(xué)鏡頭；所述激光器組件和光學(xué)鏡頭均設(shè)置于光學(xué)相機(jī)的同一平面上；所述光學(xué)相機(jī)設(shè)置有圖像探測器和圖像數(shù)據(jù)處理電路；所述光學(xué)鏡頭的光軸與圖像探測器的視軸重合，光學(xué)鏡頭的光軸與圖像探測器感光面垂直，光學(xué)鏡頭中心與圖像探測器中心為同軸設(shè)置；所述激光器組件包括激光器和調(diào)整墊，調(diào)整墊設(shè)置于激光器與光學(xué)相機(jī)之間，多個(gè)激光器組件以光學(xué)鏡頭的光軸為中心沿圓周方向均布，所述激光器的光軸與光學(xué)鏡頭的光軸形成一定的夾角。

所述激光器組件數(shù)量優(yōu)選為4個(gè)，設(shè)置在光學(xué)相機(jī)表面四個(gè)象限45°夾角線上。

所述激光器光軸與光學(xué)鏡頭光軸的優(yōu)選夾角A＝2°±1′。

位姿測算光學(xué)儀器調(diào)試方法，所述位姿測算光學(xué)儀器包括光學(xué)相機(jī)、安裝在光學(xué)相機(jī)上的多個(gè)激光器組件和一個(gè)光學(xué)鏡頭，所述的調(diào)試方法包括以下步驟：

1)通過測量光學(xué)相機(jī)、光學(xué)鏡頭和激光器組件的外部包絡(luò)尺寸確定數(shù)值l₂，同時(shí)確定與l₂相關(guān)的數(shù)值L，L的數(shù)值是l₂的200倍以上，其中，l₂為激光器發(fā)光點(diǎn)中心到光學(xué)鏡頭光軸的垂直距離，L為激光器發(fā)光點(diǎn)在光學(xué)鏡頭光軸上的投影與目標(biāo)靶板圓形標(biāo)識在光學(xué)鏡頭光軸上的投影間的距離；

2)根據(jù)確定的l₂值、L值以及給定的夾角值A(chǔ),通過公式A＝tan^-1(|l₁-l₂|/L)確定目標(biāo)靶板圓形標(biāo)識中心到目標(biāo)靶板十字形標(biāo)識中心的距離l₁；其中，A為激光器光軸與光學(xué)鏡頭光軸的夾角；

3)根據(jù)計(jì)算得到的l₁值制作目標(biāo)靶板；

4)位姿測算光學(xué)儀器開機(jī)，將位姿測算光學(xué)儀器和目標(biāo)靶板固定在氣浮平臺，目標(biāo)靶板安裝在光學(xué)鏡頭的前端，且與圖像探測器視軸垂直，調(diào)整目標(biāo)靶板的姿態(tài)，直到目標(biāo)靶板十字標(biāo)識通過光學(xué)相機(jī)成像后與光學(xué)相機(jī)的虛擬十字型參考標(biāo)識重合，在光學(xué)鏡頭光軸方向上移動目標(biāo)靶板，根據(jù)確定的L值對目標(biāo)靶板進(jìn)行固定；

5)光學(xué)相機(jī)對目標(biāo)靶板的十字形標(biāo)識、圓形標(biāo)識及激光器在目標(biāo)靶板上照亮的激光光斑成像并采集圖像，測量得到目標(biāo)靶板圓形標(biāo)識中心與激光器照亮在目標(biāo)靶板上的圓形光斑中心的距離Δl₁，根據(jù)所得到的Δl₁，通過公式Δl₁＝L·[tanA₁-tanA],得到A₁值，若A₁與A差值在±1′之內(nèi)，當(dāng)前狀態(tài)下激光器的安裝角度A₁符合要求，位姿測算光學(xué)儀器調(diào)試完成；否則，進(jìn)行步驟6)：

6)修正激光器組件調(diào)整墊的厚度,對激光器組件的位置及指向進(jìn)行微調(diào)，重新測量得到目標(biāo)靶板圓形標(biāo)識中心與激光器照亮在目標(biāo)靶板上的圓形光斑中心的距離Δl₁′，通過公式Δl₁′＝L·[tanA₁′-tanA],得到A₁′值，若A₁′與A差值在±1′之內(nèi)，當(dāng)前狀態(tài)下激光器的安裝角度A₁′符合要求，位姿測算光學(xué)儀器調(diào)試完成；否則，重復(fù)步驟6)，直到激光器的安裝角度符合要求，位姿測算光學(xué)儀器調(diào)試完成。

所述目標(biāo)靶板中心設(shè)有十字狀標(biāo)識和圓形標(biāo)識，所述十字標(biāo)識線優(yōu)選設(shè)置為寬＜0.1mm、線長20mm，所述四個(gè)圓形標(biāo)識以十字中心為圓心沿圓周方向均布，且位于十字型標(biāo)識四個(gè)象限45°夾角線上，所述圓形標(biāo)識的直徑與激光器光斑直徑相同。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)為：通過光學(xué)成像等比例放大的方式解決了現(xiàn)有微型結(jié)構(gòu)光照明激光器高精度安裝的問題；本位姿測算光學(xué)儀器采用光學(xué)成像方法進(jìn)行工作，其重量輕、空間占用包絡(luò)尺寸小、裝調(diào)簡單便捷、加工難度低、工作穩(wěn)定可靠、測算數(shù)據(jù)可信度高，同時(shí)能夠承受嚴(yán)酷的力學(xué)和熱學(xué)環(huán)境。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例位姿測算光學(xué)儀器的安裝調(diào)試結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例位姿測算光學(xué)儀器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例位姿測算光學(xué)儀器剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例激光器組件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例目標(biāo)靶板結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例位姿測算光學(xué)儀器調(diào)試原理示意圖；

圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例激光器組件安裝位置示意圖；

圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例目標(biāo)靶板標(biāo)識示意圖。

附圖標(biāo)記：1-光學(xué)相機(jī)，2-激光器組件，21-激光器，22-固定螺釘，23-調(diào)整墊，3-光學(xué)鏡頭，4-目標(biāo)靶板，5-激光器光線

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型的內(nèi)容作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：

如圖1、圖2、圖3所示的位姿測算光學(xué)儀器，包括光學(xué)相機(jī)1、四個(gè)激光器組件2和光學(xué)鏡頭3；激光器組件2和光學(xué)鏡頭3均設(shè)置于光學(xué)相機(jī)1上，且安裝表面為同一平面；光學(xué)鏡頭3為滿足位姿測算技術(shù)要求的大視場光學(xué)鏡頭，其通過螺釘與光學(xué)相機(jī)1固連。光學(xué)相機(jī)1設(shè)置有圖像探測器和圖像數(shù)據(jù)處理電路；光學(xué)鏡頭3的光軸與圖像探測器的視軸重合，光學(xué)鏡頭3的光軸與圖像探測器感光面垂直，光學(xué)鏡頭3中心與圖像探測器中心同軸設(shè)置。

如圖4所示，激光器組件2由一個(gè)激光器21、三個(gè)固定螺釘22和三個(gè)調(diào)整墊23組成，激光器21可發(fā)射橫截面為圓形的單束照明激光，激光器組件2通過三個(gè)固定螺釘22與光學(xué)相機(jī)1固連，三個(gè)調(diào)整墊置于激光器21與光學(xué)相機(jī)1配合面之間，通過減少或增加調(diào)整墊的厚度微量調(diào)整激光器21與儀器主體的角度，激光器組件2以光學(xué)鏡頭3的光軸為中心按半徑為l₂的圓均布在光學(xué)相機(jī)1上，分別設(shè)置在光學(xué)相機(jī)1表面四個(gè)象限45°夾角線上，微型激光器光線5(即激光器光軸)與光學(xué)儀器的視軸成A＝2°±1′夾角，在儀器的裝調(diào)中通過調(diào)整激光器組件2中的調(diào)整墊厚度實(shí)現(xiàn)激光器21指向角度A(即激光器21的光軸與光學(xué)鏡頭3的光軸夾角)的微量調(diào)整。調(diào)整墊23為鋁片，在調(diào)整的過程中，通過加工研磨來減少調(diào)整墊23的厚度。

位姿測算光學(xué)儀器調(diào)試方法，包括以下步驟：

1)通過測量光學(xué)相機(jī)1、光學(xué)鏡頭3和激光器組件2的外部包絡(luò)尺寸確定數(shù)值l₂，同時(shí)確定與l₂相關(guān)的數(shù)值L，L的數(shù)值是l₂的200倍以上，其中，l₂為激光器21發(fā)光點(diǎn)中心到光學(xué)鏡頭3光軸的垂直距離，L為激光器發(fā)光點(diǎn)在光學(xué)鏡頭光軸上的投影與目標(biāo)靶板圓形標(biāo)識在光學(xué)鏡頭光軸上的投影間的距離；

2)根據(jù)得到的l₂值、L值以及給定的夾角值A(chǔ),通過公式A＝tan^-1(|l₁-l₂|/L)確定目標(biāo)靶板圓形標(biāo)識中心到目標(biāo)靶板十字形標(biāo)識中心的距離l₁；其中，A為激光器光軸與光學(xué)鏡頭光軸的夾角；

3)根據(jù)得到的l₁值制作目標(biāo)靶板4；所述目標(biāo)靶板4中心設(shè)有一個(gè)十字狀標(biāo)識，十字標(biāo)識線寬控制在0.1mm以內(nèi)、線長20mm，并涂抹與靶板背景對比度較大的顏色，以十字中心為原點(diǎn)按半徑為l₁的圓周上均布四個(gè)圓形標(biāo)識，圓形標(biāo)識大小直徑與激光器21的光束橫截面直徑大小相同，四個(gè)圓形標(biāo)識設(shè)置在十字型標(biāo)識四個(gè)象限45°夾角線上；

4)位姿測算光學(xué)儀器開機(jī)，將位姿測算光學(xué)儀器和目標(biāo)靶板4固定在氣浮平臺，目標(biāo)靶板4安裝在光學(xué)鏡頭3的前端，目標(biāo)靶板標(biāo)識面與光學(xué)鏡頭3面對面安裝，且與圖像探測器視軸垂直，光學(xué)相機(jī)1內(nèi)嵌圖像處理程序，在相機(jī)采集圖像的中心形成虛擬的十字型參考標(biāo)識；調(diào)整目標(biāo)靶板4的姿態(tài)，直到目標(biāo)靶板十字標(biāo)識通過光學(xué)相機(jī)成像后與光學(xué)相機(jī)的虛擬十字型參考標(biāo)識重合，在光學(xué)鏡頭光軸方向上移動目標(biāo)靶板4，根據(jù)確定的L值對目標(biāo)靶板4進(jìn)行固定；

5)光學(xué)相機(jī)對目標(biāo)靶板的十字形標(biāo)識、圓形標(biāo)識及激光器在目標(biāo)靶板上照亮的激光光斑成像并采集圖像，通過圖像數(shù)據(jù)處理程序分析計(jì)算出圖像中互相對應(yīng)的圓形標(biāo)識及光斑的中心位置，測量得到目標(biāo)靶板圓形標(biāo)識中心與激光器照亮在目標(biāo)靶板上的圓形光斑中心的距離Δl₁，根據(jù)所得到的Δl₁，通過公式Δl₁＝L·[tanA₁-tanA],得到A₁值，若A₁與A差值在±1′之內(nèi)，當(dāng)前狀態(tài)下激光器的安裝角度A₁符合要求，位姿測算光學(xué)儀器調(diào)試完成；否則，進(jìn)行步驟6)：

6)在實(shí)際裝調(diào)時(shí)，無法保證每個(gè)激光器21在目標(biāo)靶上照亮的光斑與目標(biāo)靶上相對應(yīng)的圓形標(biāo)識完全重合，所以需要修正激光器組件調(diào)整墊的厚度。修正激光器組件調(diào)整墊23的厚度,對激光器組件2的位置及指向進(jìn)行微調(diào)，重新測量得到目標(biāo)靶板圓形標(biāo)識中心與激光器21照亮在目標(biāo)靶板4上的圓形光斑中心的距離Δl₁′，通過公式Δl₁′＝L·[tanA₁′-tanA],得到A₁′值，若A₁′與A差值在±1′之內(nèi)，當(dāng)前狀態(tài)下激光器的安裝角度A₁′符合要求，位姿測算光學(xué)儀器調(diào)試完成；否則，重復(fù)步驟6)，直到激光器的安裝角度符合要求，位姿測算光學(xué)儀器調(diào)試完成。

本實(shí)用新型涉及的位姿測算光學(xué)儀器高精度安裝方式原理如下：

假設(shè)目標(biāo)靶板4十字標(biāo)識的中心與位姿測算光學(xué)儀器視軸重合，同時(shí)靶板十字標(biāo)識面與視軸垂直，四個(gè)激光器21發(fā)光點(diǎn)與目標(biāo)靶板4圓形標(biāo)識在光學(xué)儀器光軸方向上的投影距離為L，四個(gè)激光器21在目標(biāo)靶上照亮的四個(gè)光斑與目標(biāo)靶的四個(gè)圓形標(biāo)識完全重合，通過公式A＝tan^-1(|l₁-l₂|/L)計(jì)算得到四個(gè)激光器21與光學(xué)儀器視軸的精確角度。在A值確定的情況下，根據(jù)實(shí)際條件設(shè)計(jì)以上公式中的l₁、l₂及L三個(gè)數(shù)值可以計(jì)算出精確的A值。