[发明专利]一种三维姿态角的测量方法和系统

说明书

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γ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。