[发明专利]一种光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统及方法

说明书

本发明提供了一种光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统及方法，包括：合作目标、单目视觉测量单元、激光跟踪测量单元以及计算单元；其中，所述合作目标固定设置在被测物上，所述单目视觉测量单元和所述激光跟踪测量单元分别固定设置在预设位置；通过将合作目标中四个特征靶标点分别设置在特定位置，在测量时利用单目视觉测量单元获取其中三个处于1/4圆弧上的特征靶标点的纵向投影比，进而根据该纵向投影比获取合作目标的滚动角度，最终计算得到合作目标相对于三维测量系统对应的第三坐标系的姿态角，即得到被测物的姿态角，该滚动角测量方法克服了现有技术中存在横滚角测量响应慢、更新率低等问题，提高了整个测量系统的动态测量性能。

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，更具体地，涉及一种光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统及方法。

背景技术

现代生产及建设中的位姿测量包含空间位置测量以及姿态测量，随着测量技术的发展，高精度、实时性姿态测量越来越普遍的应用于大型建造工程以及高精密设备制造领域，在工程建设及制造中对于提高生产效率、制造精度、施工合理性以及建设安全性有着重要影响。

激光跟踪靶标法在长期的研究进程中取得了迅猛的发展，于国内外都有经典的工程实施应用。Leica公司基于激光跟踪仪开发的T系列六自由度测量装置，由固定于激光跟踪仪上部的高速相机配合目标单元上多个红外发光二极管完成姿态角测量；英国ZED仪器公司基于全站仪开发的自动导向系统，其姿态角测量依靠标靶内置的双轴倾角仪以及全站仪上额外安装的准直激光器；国内华中科技大学、上海交通大学、天津大学等利用全站仪配合由针孔棱镜、倾角传感器和CCD相机组成的激光靶标实现盾构机姿态测量。

现阶段基于激光跟踪靶标法实现姿态角的测量，其中以针孔棱镜、倾角传感器和CCD相机配合全站仪的测量方法替代了基于视觉的激光跟踪仪姿态测量法，提高了系统对俯仰角和方位角的测量灵敏度。采用单/双轴倾角仪测量横滚角(滚动角度)时，单/双轴倾角仪将随合作目标旋转一定角度，其内含加速度计输出的是重力加速度在其敏感轴方向上的分量，经信号调理送入控制单元单片机中输出合作目标横滚角，但是该横滚角测量方法存在响应速度慢、测量更新率低等问题，严重制约了整个系统的动态测量性能。

发明内容

本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统及方法。

一方面本发明实施例提供了一种光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统，包括：合作目标、单目视觉测量单元、激光跟踪测量单元以及计算单元；其中，

所述合作目标固定设置在被测物上，所述单目视觉测量单元和所述激光跟踪测量单元分别固定设置在预设位置；

所述合作目标包括二维PSD模块、角锥棱镜以及四个特征靶标点；所述二维PSD模块包括二维PSD和数据处理子模块，所述角锥棱镜的透光面与所述二维PSD的感光面平行，且所述角锥棱镜的顶点与所述二维PSD的感光面相距预设距离设置，所述角锥棱镜的顶点处开有透光孔，所述激光跟踪测量单元发射的激光束经所述角锥棱镜的透光面后再通过所述透光孔打在所述二维PSD的感光面上形成光斑，所述四个特征靶标点构成的平面与所述二维PSD的感光面平行，所述四个特征靶标点分为第一特征靶标点、第二特征靶标点、第三特征靶标点以及第四特征靶标点，所述第一特征靶标点和所述第三特征靶标点分别设置在预设1/4圆弧的两个端点，所述第二特征靶标点设置在所述预设1/4圆弧的中点，所述第一特征靶标点到所述第三特征靶标点之间连线的长度与所述第二特征靶标点到所述第四特征靶标点之间连线的长度的比值为预设值；

所述数据处理子模块用于获取所述光斑在第一坐标系中的坐标；其中，所述第一坐标系为处在所述感光面上的二维坐标系；