本發(fā)明屬于精密測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種基于激光干涉儀的高精度三自由度實(shí)時(shí)測(cè)量的方法及裝置。

背景技術(shù)：

測(cè)量是一切科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，在測(cè)量領(lǐng)域中，距離、位移、角度和角位移是基本測(cè)量物理量。隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的測(cè)量方法，在高精度測(cè)量方面，光學(xué)方法具有可溯源和非接觸的優(yōu)勢(shì)，飛行時(shí)間法和激光干涉測(cè)距是常用的長(zhǎng)度測(cè)量手段，自準(zhǔn)直法、激光干涉法、環(huán)形激光法和內(nèi)反射法是常用的測(cè)角方法，這些方法一般使用在單一物理量的測(cè)量。隨著技術(shù)的發(fā)展，單一物理量測(cè)量已經(jīng)不能滿足科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的需求，這就要求測(cè)量?jī)x器具有多自由度同時(shí)測(cè)量的能力。

多自由度的測(cè)量方法中，一般采用多種傳感器和測(cè)量方法結(jié)合實(shí)現(xiàn)多維度測(cè)量，這樣的測(cè)量系統(tǒng)很復(fù)雜且由于增加測(cè)量設(shè)備而對(duì)測(cè)量目標(biāo)產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差源增加。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，激光散斑干涉測(cè)量、數(shù)字全息測(cè)量及計(jì)算機(jī)視覺(jué)在多自由度測(cè)量領(lǐng)域開(kāi)始出現(xiàn)，但是這種基于圖像處理的方法需要處理大量的圖像信息而不能高速實(shí)時(shí)測(cè)量，并且其測(cè)量精度受限于圖像傳感器的像元大小。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用激光干涉測(cè)量的方法能獲得高精度距離信息，從而獲得更加準(zhǔn)確的坐標(biāo)點(diǎn)信息，采用多反射面棱鏡實(shí)現(xiàn)一個(gè)干涉儀用于多點(diǎn)測(cè)量的目的；結(jié)合理想平面構(gòu)造法，把目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)換為平面法向量之間的轉(zhuǎn)動(dòng)和平面的平移，從而獲得高精度的三自由度運(yùn)動(dòng)信息。這方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和數(shù)據(jù)運(yùn)算量小的優(yōu)勢(shì)，但在其他文獻(xiàn)中尚未采用過(guò)此方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜和測(cè)量精度不高的不足，設(shè)計(jì)了一種基于激光干涉儀的高精度三自由度測(cè)量方法和裝置，具有精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理量小和實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于激光干涉儀的高精度三自由度實(shí)時(shí)測(cè)量的裝置，包括：高精度激光測(cè)距儀、外反射角錐棱鏡、直角屋脊棱鏡、快門(mén)、控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、光的傳輸方向控制、快門(mén)控制信號(hào)接口、信號(hào)傳輸系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)外殼；測(cè)量裝置中高精度激光測(cè)距儀和外反射角錐棱鏡為同軸安裝，其中外反射角錐棱鏡的鏡面依次與直角屋脊棱鏡的脊線平行并使直角屋脊棱鏡的入射光與反射光互相垂直；處于同一平面內(nèi)的三個(gè)直角屋脊棱鏡之間以?xún)蓛上嗑?20°的位置固定在機(jī)構(gòu)外殼上；控制及處理系統(tǒng)接收由高精度激光測(cè)距儀所測(cè)的距離信息d1、d2和d3，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算得到三自由度運(yùn)動(dòng)信息，同時(shí)控制及處理系統(tǒng)發(fā)出控制指令控制快門(mén)狀態(tài)完成測(cè)量。

其中，外反射角錐棱鏡將沿軸線的平行光束分成沿不同方向傳播的三束光，這三束光的傳播方向互為120°且垂直于軸線；外反射角錐棱鏡結(jié)合三個(gè)位置互為120°的直角屋脊棱鏡實(shí)現(xiàn)三個(gè)不同位置點(diǎn)距離d1、d2和d3的測(cè)量。

另外采用構(gòu)造理想平面的方法實(shí)現(xiàn)俯仰、滾轉(zhuǎn)的角位移和軸向活塞位移同時(shí)測(cè)量，具體測(cè)量方法包括以下步驟：

1、根據(jù)三個(gè)平面反射鏡的位置確定參考平面的法線；

2、根據(jù)測(cè)量的距離信息計(jì)算待測(cè)物體反射面的法線；

3、利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系解出運(yùn)動(dòng)物體在俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和軸向位移的運(yùn)動(dòng)量。

本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：

1.本發(fā)明提出了采用多面反射型棱鏡(如外反射角錐棱鏡)實(shí)現(xiàn)光束方向的控制，解決了現(xiàn)有技術(shù)中需要多個(gè)干涉儀進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量的問(wèn)題，使得測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。

2.本發(fā)明提出的采用構(gòu)造理想平面的方法實(shí)現(xiàn)俯仰、滾轉(zhuǎn)的角位移和軸向活塞位移同時(shí)測(cè)量。

3.本發(fā)明此方法具有精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理量小和實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明測(cè)量方法流程圖；

圖3為角位移測(cè)量誤差曲線圖；

圖4為活塞位移測(cè)量誤差曲線圖；

圖中附圖標(biāo)記含義為：1為高精度激光干涉測(cè)距儀，2為外反射角錐棱鏡，3為直角屋脊棱鏡，4為快門(mén)，5為控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，6為光的傳輸方向控制，7為快門(mén)控制信號(hào)接口，8為信號(hào)傳輸系統(tǒng)，9為機(jī)構(gòu)外殼。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清晰明了，一下結(jié)合具體實(shí)施實(shí)例，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

首先結(jié)合圖1介紹基于激光干涉儀的高精度三自由度測(cè)量裝置。測(cè)量裝置的主要部件有高精度激光干涉測(cè)距儀1、外反射角錐棱鏡2、直角屋脊棱鏡3、快門(mén)4、控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5、光的傳輸方向控制6、快門(mén)控制信號(hào)接口7、信號(hào)傳輸系統(tǒng)8和機(jī)構(gòu)外殼9；測(cè)量裝置中高精度激光測(cè)距儀1和外反射角錐棱鏡2為同軸安裝，其中外反射角錐棱鏡的鏡面依次與直角屋脊棱鏡3的脊線平行并使直角屋脊棱鏡的入射光與反射光互相垂直；處于同一平面內(nèi)的三個(gè)直角屋脊棱鏡3之間以?xún)蓛上嗑?20°的位置固定在機(jī)構(gòu)外殼上；外反射角錐棱鏡軸線與反射鏡之間的距離設(shè)為81.65mm；控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5接收由高精度激光測(cè)距儀1所測(cè)的距離信息d1、d2和d3，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算得到三自由度運(yùn)動(dòng)信息，同時(shí)控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5發(fā)出控制指令控制快門(mén)狀態(tài)完成測(cè)量。

結(jié)合圖2，本發(fā)明基于激光干涉儀的三自由度測(cè)量方法步驟如下：

步驟1)、根據(jù)測(cè)量裝置的具體尺寸，計(jì)算出三個(gè)平面反射鏡的中心位置坐標(biāo)a0(x1,y1,z1)、b0(x2,y2,z2)、c0(x3,y3,z3)，并將其保存作為參考基準(zhǔn)。根據(jù)裝置具體參數(shù)并假設(shè)測(cè)量裝置在三維笛卡爾坐標(biāo)系的第一象限正方向，得到平面反射鏡中心的特殊坐標(biāo)為a0(100,0,0)、b0(0,100,0)、c0(0,0,100)，別對(duì)準(zhǔn)三個(gè)次反射鏡以測(cè)量距離信息d1、d2和d3。

步驟2)、代入d1、d2和d3計(jì)算出目標(biāo)面上三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)a(x1,y1,z1)、b(x2,y2,z2)、c(x3,y3,z3)，根據(jù)a、b、c三點(diǎn)坐標(biāo)確定目標(biāo)面內(nèi)的兩個(gè)不共線的向量和由以下的表達(dá)式得到當(dāng)前目標(biāo)平面法線

步驟3)、重復(fù)步驟1和步驟2，獲得運(yùn)動(dòng)后的目標(biāo)平面法線

步驟4)、根據(jù)坐標(biāo)變換關(guān)系兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)角分別p和r，則兩個(gè)方向都存在旋轉(zhuǎn)時(shí)，變換矩陣t為：

計(jì)算得到：

其中，

步驟5)、根據(jù)求出的角位移p和r，代入到原坐標(biāo)數(shù)據(jù)中獲得只經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)而沒(méi)有活塞移動(dòng)的目標(biāo)狀態(tài)坐標(biāo)a1(x1,y1,z1)、b1(x2,y2,z2)、c1(x3,y3,z3)，并計(jì)算對(duì)應(yīng)前后坐標(biāo)點(diǎn)距離|a1-a|、|b1-b|和|c1-c|及它們的均值，用三個(gè)點(diǎn)的距離差近似代替活塞移動(dòng)d。

步驟6)、將a(x1,y1,z1)、b(x2,y2,z2)、c(x3,y3,z3)存起來(lái)作為下一輪測(cè)量的原平面數(shù)據(jù)，按照步驟1)中順序測(cè)量d1、d2和d3,并重復(fù)步驟2)步驟6)行測(cè)量。

當(dāng)然在本實(shí)例中，對(duì)外反射角錐棱鏡、干涉儀及平面反射鏡的安裝要求嚴(yán)格，如果安裝中存在角度誤差的情況下會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，因此要控制安裝誤差在一定的范圍內(nèi)以保證測(cè)量精度。圖3和圖4的計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算可以看出，在工作距離為800mm的配置下0.01°的角位移測(cè)量誤差和活塞位移誤差分別為10^-6°和10^-14mm。

盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，尤其是外反射型棱錐、算法流程和光路通斷裝置快門(mén)，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭示的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換均涵蓋在本發(fā)明包含的范圍之內(nèi)。