[发明专利]基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置及测量方法

权利要求书

1.一种基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置，其特征在于，包括立方体棱镜(1)、两个激光准直仪(2)、仪表平台(3)、气浮球(4)、气浮轴承(5)、转台中环(6)、转台内环轴(7)、摄像机(8)、转台中环轴(9)、气浮台底座(10)、转台外环(11)、转台外环轴(12)、基座(13)、标志点(14)和转台内环(15)，所述转台外环轴(12)的下端与基座(13)转动连接，转台外环轴(12)的上端与转台外环(11)的下端固定连接，气浮台底座(10)的下端固定在转台外环(11)内的上端，气浮台底座(10)的上端固定有气浮轴承(5)，气浮轴承(5)的上部设有气浮球(4)，气浮球(4)的上部与仪表平台(3)的中间位置固定连接，仪表平台(3)的内壁上设有标志点(14)，仪表平台(3)的上方竖直放置一个立方体棱镜(1)，两个激光准直仪(2)垂直设置，当标志点(14)位于摄像机(8)的中心时，两个激光准直仪(2)分别正对立方体棱镜(1)的两个相邻面，转台中环(6)套设在气浮台底座(10)上，转台中环(6)的两端由转台中环轴(9)与转台外环(11)转动连接，转台内环(15)设置在气浮台底座(10)和转台中环(6)之间，转台内环(15)的两侧由转台内环轴(7)与转台中环(6)转动连接，摄像机(8)固定在转台内环(15)上。

2.根据权利要求1所述的基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置，其特征在于，所述标志点(14)为三个。

3.一种使用权利要求1所述的基于光电跟踪技术的三轴气浮台姿态测量装置的测量方法，其特征在于，

当气浮台产生一定的转动时，摄像机通过将当前标志点的图像进行去畸变，二值化，求质心处理，得到三个标志点的几何中心在摄像机成像面上的像素坐标；通过建立三维模型，由三个像素坐标得到三个标志点几何中心在世界坐标系中的空间三维坐标；

O_c为摄像机光心，测量光标记为A、B、C，O_cA，O_cB，O_cC之间的夹角分别为α,β,γ；已知|BC|＝a，|AC|＝b，|AB|＝c，由摄像机内参数计算得到α,β,γ的值，设A、B、C与光心O_c之间连线的长度分别记为x,y,z，则以下方程成立：

当A、B、C构成等腰三角形关系，且摄像机在某些特定区域时，方程组具有唯一解，形式如下：

AK垂直于AC，AJ垂直于AB，且AK，AJ都在平面ABC上，直线L过点A且垂直于平面ABC，直线L和射线AK构成平面π1，直线L和射线AJ构成平面π2，平面π1和平面π2所夹的空间区域称为V；当光心O_c出现在V区域时，对应解的形式为方程组一；同理，对应方程组二，光心O_c位于空间W处；

应用牛顿迭代法从上述方程组中解得A、B、C与光心O_c之间连线的长度x,y,z；利用相似三角形原理，得到A,B,C三点在摄像机坐标系下的坐标分别为：

其中，(A′_x,A′_y),(B′_x,B′_y),(C′_x,C′_y)分别三个像点的图像像素坐标，(u_o,v_o)是摄像机光轴O_cO与成像面交点O的坐标，f是摄像机焦距；将这三个坐标作为反馈信息传给三维转台的电机，使电机产生相应的转动，通过摄像机不断地测量和反馈，使得三维转台能够实时跟踪气浮台的转动，保证标志点与摄像机的相对位置始终不变；

激光准直仪发出的光经立方体棱镜反射，将微小的角度偏差扩大，沿Y轴水平放置的激光准直仪测量平台初始X方向和Z方向的偏角，沿X轴水平放置的激光准直仪测量平台Z方向和Y方向的偏角，通过两个激光准直仪的组合测量，矫正由于各种因素引起的测角误差。