大尺寸空間的空間角度的測量裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種空間角度的測量裝置及測量方法，尤其是設(shè)及一種大尺寸空間的 空間角度的測量裝置及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)、國防等領(lǐng)域中，往往需要在大尺寸空間條件下對兩異面軸線夾角進(jìn)行現(xiàn) 場測量，例如在大型工件裝配過程中或者大間距多軸線一致性的校準(zhǔn)過程中都需要在現(xiàn)場 進(jìn)行空間角度的測量。在運(yùn)些現(xiàn)場的角度測量中，被測對象之間的距離可達(dá)幾米甚至上百 米，測量的公共基準(zhǔn)由于被測對象相距較遠(yuǎn)難W被建立，且由于被測對象的體積和重量都 比較大導(dǎo)致其在測量過程中不方便被移動(dòng)，增大了空間角的測量難度。
[0003] 目前，大尺寸空間內(nèi)的空間角測量通常是基于空間特征點(diǎn)坐標(biāo)測量，即通過測量 被測軸線上若干特征點(diǎn)的坐標(biāo)來求解其空間夾角，其測量方法包括坐標(biāo)測量機(jī)法、多經(jīng)締 儀法、激光跟蹤儀法、室內(nèi)定位法和視覺測量法等。其中，坐標(biāo)測量機(jī)法的測量效率較高，通 用性強(qiáng)，但是其測量系統(tǒng)價(jià)格昂貴，且只能在室內(nèi)測量，且不便于攜帶;經(jīng)締儀和激光跟蹤 儀的測量范圍大、精度高，但是其測量結(jié)果易受外界環(huán)境影響；室內(nèi)定位法的精度較高，但 是測量成本較昂貴;視覺測量法的測量精度較高、測量范圍廣，但是其成本較高。綜合W上 測量方法，它們很難同時(shí)滿足測量范圍大、測量精度高、便攜性好W及成本低的要求，只能 根據(jù)實(shí)際測量需求選擇合適的測量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的之一就是提供一種大尺寸空間的空間角度的測量裝置，W解決現(xiàn)有 的角度測量裝置不能同時(shí)滿足測量范圍大、測量精度高、便攜性好W及成本低的要求。
[0005] 本發(fā)明的目的之二就是提供一種大尺寸空間的空間角度的測量方法，W解決現(xiàn)有 的角度測量方法不能同時(shí)滿足測量范圍大、測量精度高、便攜性好W及成本低的要求。
[0006] 本發(fā)明的目的之一是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種大尺寸空間的空間角度的測量裝置，包括測量控制裝置和設(shè)置在待測軸上的 平面鏡適配器；
[000引所述測量控制裝置包括：
[0009] 祀標(biāo)收發(fā)器，與控制器的輸入端相連，可通過觀察其向待測軸投射已準(zhǔn)直的十字 分劃圖像后接收到的從待測軸反射回的十字分劃圖像與所述測量控制裝置的成像面幾何 中屯、重合與否來驗(yàn)證待測軸的軸線與所述測量控制裝置光軸平行與否；
[0010] 光軸調(diào)向器，與控制器相連，能夠調(diào)整所述測量控制裝置的光軸方向；
[0011] 姿態(tài)傳感器，與控制器相連，可測量所述測量控制裝置在測量參考坐標(biāo)系中的姿 態(tài)角；W及
[0012] 控制器，其輸入端分別與所述祀標(biāo)收發(fā)器的輸出端、所述姿態(tài)傳感器的輸出端和 所述光軸調(diào)向器的輸出端相連，其輸出端與所述光軸調(diào)向器的輸入端相連，根據(jù)所述祀標(biāo) 收發(fā)器所接收的圖像生成控制指令驅(qū)動(dòng)光軸調(diào)向器，同時(shí)可根據(jù)所述姿態(tài)傳感器與所述光 軸調(diào)向器傳輸?shù)臏y量數(shù)據(jù)計(jì)算待測軸的軸線在測量參考坐標(biāo)系中的空間向量坐標(biāo)。
[0013] 所述控制器包括：
[0014] 視頻處理模塊，與所述祀標(biāo)收發(fā)器相連，用于處理所述祀標(biāo)收發(fā)器接收的圖像；
[0015] 控制量計(jì)算模塊，連接在所述視頻處理模塊與所述光軸調(diào)向器之間，用于將所述 視頻處理模塊所傳遞的數(shù)據(jù)生成控制指令W驅(qū)動(dòng)所述光軸調(diào)向器;W及
[0016] 向量坐標(biāo)計(jì)算模塊，連接在所述姿態(tài)傳感器與所述光軸調(diào)向器之間，用于處理所 述姿態(tài)傳感器與所述光軸調(diào)向器中編碼器的測量數(shù)據(jù)W計(jì)算待測軸的空間向量坐標(biāo)。
[0017] 所述平面鏡適配器包括：
[0018] 平面反射鏡；W及
[0019] 安裝座，用于連接所述平面反射鏡和待測軸；
[0020] 所述安裝座的與所述待測軸的連接面與所述平面反射鏡的鏡面平行。
[0021] 本發(fā)明包括測量控制裝置和設(shè)置在待測軸上的平面鏡適配器，將平面鏡適配器安 裝在待測軸的端面上，在測量空間角度前通過測量控制裝置與平面適配鏡共同作用保證了 測量控制裝置的光軸與待測軸的軸線處于平行狀態(tài)，提高了測量的精度，減小了測量誤差。 測量控制裝置包括祀標(biāo)收發(fā)器、光軸調(diào)向器、姿態(tài)傳感器和控制器，在測量前，控制器可對 祀標(biāo)收發(fā)器所接收的圖像進(jìn)行處理，并根據(jù)其對圖像的處理數(shù)據(jù)生成控制指令驅(qū)動(dòng)光軸調(diào) 向器W將測量控制裝置的光軸與待測軸的軸線調(diào)整為平行狀態(tài)。在進(jìn)行空間角的測量時(shí)， 控制器能夠快速處理姿態(tài)傳感器與光軸調(diào)向器中編碼器的測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)姿態(tài)傳感器與 光軸調(diào)向器所傳遞測量數(shù)據(jù)計(jì)算待測軸的軸線在測量參考坐標(biāo)系的空間向量坐標(biāo)。
[0022] 本發(fā)明的空間角測量裝置具有體積小、質(zhì)量輕、易于攜帶的優(yōu)勢，該測量裝置中在 平面鏡適配器、光軸調(diào)向器和控制器的共同配合下保證了測量精度，減小了測量誤差，極大 地方便了測量人員在外場測量中使用。由于其同時(shí)兼顧了測量范圍大、測量效率高和便攜 性等方面的性能，并且成本較低，適合在外場測量中推廣使用。
[0023] 本發(fā)明的目的之二是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：
[0024] -種大尺寸空間的空間角度的測量方法，包括W下步驟：
[00巧]a、建立測量參考坐標(biāo)系：
[0026] 對于兩個(gè)或者多個(gè)待測軸，任意選擇其中一個(gè)待測軸作為參考軸，其余待測軸作 為被測軸，W參考軸的指向?yàn)榛鶞?zhǔn)建立慣性坐標(biāo)系并作為整個(gè)測量的參考坐標(biāo)系，測量參 考坐標(biāo)系的X軸指向、y軸指向和Z軸指向滿足右手定則，得到參考軸單位向量在測量參考坐 標(biāo)系中的坐標(biāo)為：i；!=[l00]T;
[0027] b、校準(zhǔn)測量控制裝置：
[0028] 在參考軸的端面上安裝平面鏡適配器，測量人員手持測量控制裝置移動(dòng)至參考軸 的安裝有平面適配鏡端的前方，調(diào)整測量控制裝置中的光軸指向，使測量控制裝置的光軸 與參考軸平行，然后校準(zhǔn)測量裝置的測量輸出，使測量控制裝置輸出的參考軸的單位向量 測量值為
[0029] C、測量被測軸的向量坐標(biāo)：
[0030] 在被測軸的端面上安裝平面鏡適配器，測量人員手持測量控制裝置移動(dòng)至被測軸 的安裝有平面適配鏡端的前方，調(diào)整測量控制裝置的光軸指向，使測量控制裝置的光軸與 被測軸平行;然后測量測量控制裝置的光軸相對測量控制裝置固定基準(zhǔn)面的偏轉(zhuǎn)角和測量 控制裝置相對測量參考坐標(biāo)系的姿態(tài)角，控制器根據(jù)測量結(jié)果和坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變換理論計(jì)算 出各被測軸單位向量在測量參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)< ;
[0031] d、計(jì)算空間角：
[0032] 測量控制裝置中的控制器根據(jù)向量空間角計(jì)算公式，利用測量控制裝置測得的參 考軸在測量參考坐標(biāo)系中的單位向量和被測軸在測量參考坐標(biāo)系中的單位向量即可求解 出參考軸與被測軸的空間夾角0，向量空間角計(jì)算公式為：
[003；3 ] 0 := arccos(r;，r;" )，0 G t爐」80°J。
[0034] 被測軸在測量參考坐標(biāo)系中單位向量坐標(biāo)的求解步驟如下：
[0035] 第一步，將測量控制裝置的光軸與參考軸調(diào)整為平行狀態(tài)，此時(shí)被測軸在測量參 考坐標(biāo)系中單位向量的坐標(biāo)等于測量控制裝置的光軸在測量參考坐標(biāo)系中單位向量的坐 標(biāo)；
[0036] 第二步，建立測量控制裝置