本發(fā)明涉及三維角度測(cè)量，具體為一種基于組合反射鏡的三維測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

1、三維角度測(cè)量在多個(gè)工業(yè)和科技領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色，特別是在精密加工、航空航天和機(jī)械制造等領(lǐng)域。這些應(yīng)用依賴于精確的角度測(cè)定以保證機(jī)械部件的精確配合、正確的導(dǎo)航和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。高精度的角度測(cè)量不僅關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量、安全性和效率，也是優(yōu)化設(shè)計(jì)和增強(qiáng)功能的基礎(chǔ)。

2、然而，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)充滿挑戰(zhàn)。尤其是在非接觸式測(cè)量環(huán)境中，滾轉(zhuǎn)角的高精度測(cè)量尤為困難。由于技術(shù)限制，滾轉(zhuǎn)角測(cè)量往往容易受到偏航角和俯仰角的干擾，這種角度耦合現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差，從而降低整體測(cè)量精度。此外，這些測(cè)量往往需要在動(dòng)態(tài)環(huán)境下進(jìn)行，如在飛行中的航空器或高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械中，這進(jìn)一步增加了測(cè)量的復(fù)雜性。

3、傳統(tǒng)的三維角度測(cè)量技術(shù)往往依賴于復(fù)雜的傳感器系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)備，這些系統(tǒng)不僅成本高昂，而且其測(cè)量精度在高要求的應(yīng)用場(chǎng)景下仍有限。此外，這些系統(tǒng)的操作往往需要與被測(cè)對(duì)象的物理接觸，這在某些情況下是不可取或不可行的，例如在高溫、高壓或高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)境中。這些傳統(tǒng)方法也往往受到操作距離的限制，測(cè)量精度隨距離增加而降低。

4、針對(duì)以上問題，本發(fā)明提出了一種基于組合反射鏡的三維測(cè)量方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于組合反射鏡的三維測(cè)量方法，集成了光學(xué)自準(zhǔn)直原理，并采用簡(jiǎn)單的光學(xué)元件進(jìn)行實(shí)施。

2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種基于組合反射鏡的三維測(cè)量方法，包括以下步驟：

3、使用光源發(fā)出光束；

4、通過匯聚透鏡和準(zhǔn)直透鏡處理光束，形成平行光束；

5、使用第一分光棱鏡將平行光束分為至少兩束測(cè)量光束；

6、通過組合反射鏡中的第二分光棱鏡對(duì)測(cè)量光束進(jìn)行反射；

7、使用光電位置探測(cè)器檢測(cè)反射后的光束位置；

8、根據(jù)光束在光電位置探測(cè)器上的位置信息計(jì)算至少一個(gè)角度變化。

9、優(yōu)選的，所述光源為led點(diǎn)光源。

10、優(yōu)選的，所述光束通過光闌遮擋雜散光，通過匯聚透鏡和準(zhǔn)直透鏡形成平行光束。

11、優(yōu)選的，所述第二分光棱鏡鍍有半透半反膜，反射率和透射率均為50％。

12、優(yōu)選的，所述角度變化包括俯仰角、偏航角和滾轉(zhuǎn)角。

13、優(yōu)選的，所述第二分光棱鏡用于將平行光束分為第一測(cè)量光束i3和第二測(cè)量光束i5；進(jìn)一步包括：

14、通過光電位置探測(cè)器檢測(cè)第一反射測(cè)量光束i4和第三反射測(cè)量光束i7在光電位置探測(cè)器上的位移量δy1和δy2；

15、根據(jù)位移量計(jì)算滾轉(zhuǎn)角γ，使用以下公式：

16、

17、其中，d為光電位置探測(cè)器到激光器的距離。

18、本發(fā)明還提供一種基于組合反射鏡的三維測(cè)量裝置，包括：

19、光源，用于發(fā)出光束；

20、準(zhǔn)直透鏡和匯聚透鏡，用于處理光束形成平行光束，并通過匯聚透鏡壓縮成像；

21、光闌，設(shè)置在匯聚透鏡后，用于遮擋雜散光；

22、第一分光棱鏡，用于將平行光束分為至少兩束測(cè)量光束，所述第一分光棱鏡設(shè)置在準(zhǔn)直透鏡和匯聚透鏡之后；

23、組合反射鏡，用于反射測(cè)量光束，包括：

24、第二分光棱鏡，位于第一分光棱鏡的光路下游，用于將從第一分光棱鏡傳入的測(cè)量光束分為第一測(cè)量光束i3和第二測(cè)量光束i5，所述第二分光棱鏡鍍有半透半反膜，反射率和透射率均為50％；

25、第一平面反射鏡，配置于第二分光棱鏡反射的路徑上，與第一測(cè)量光束i3形成45°角，用于反射該光束形成第一反射測(cè)量光束i4；

26、第二平面反射鏡，配置于第二分光棱鏡的透射路徑上，與第二測(cè)量光束i5形成45°角，用于反射該光束形成第二反射測(cè)量光束i6；

27、第三平面反射鏡，配置于第二平面反射鏡反射的光路上，與第二反射測(cè)量光束i6形成90°角，用于反射第二反射測(cè)量光束i6形成第三反射測(cè)量光束i7；

28、光電位置探測(cè)器，包括第一線陣ccd和第二線陣ccd，分別用于檢測(cè)第一反射測(cè)量光束i4和第三反射測(cè)量光束i7在y軸方向上的位置變化；

29、控制單元，用于基于光束在光電位置探測(cè)器上的位置信息計(jì)算俯仰角、偏航角和滾轉(zhuǎn)角的變化。

30、本發(fā)明提供了一種基于組合反射鏡的三維測(cè)量方法。具備以下有益效果：

31、1、本發(fā)明基于組合反射鏡的三維測(cè)量方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角三個(gè)角度的測(cè)量；采用的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易搭建，測(cè)量分辨率和精度高；通過雙向差分測(cè)量的原理測(cè)得滾轉(zhuǎn)角，消除其他角度帶來的耦合誤差，抗干擾能力強(qiáng)。

32、2、本發(fā)明基于組合反射鏡的三維測(cè)量方案，結(jié)合光學(xué)自準(zhǔn)直原理，設(shè)計(jì)了一種消除角度耦合誤差的三維角度測(cè)量裝置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角三個(gè)角度的測(cè)量。滾轉(zhuǎn)角的測(cè)量采用了分光棱鏡得到兩束出射光束，平行度好，方法簡(jiǎn)單，可行性高；通過雙向差分測(cè)量的原理測(cè)得滾轉(zhuǎn)角，消除其他角度帶來的耦合誤差，抗干擾能力強(qiáng)。

33、3、本發(fā)明采用的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，非接觸式測(cè)量，與距離無關(guān)，分辨率和精度高，測(cè)量單元與接收裝置分離開，避免測(cè)量單元發(fā)生微小角度變化帶來誤差。

技術(shù)特征：

1.一種基于組合反射鏡的三維測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于組合反射鏡的三維測(cè)量方法，其特征在于，所述光源為led點(diǎn)光源。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于組合反射鏡的三維測(cè)量方法，其特征在于，所述光束通過光闌遮擋雜散光，通過匯聚透鏡和準(zhǔn)直透鏡形成平行光束。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于組合反射鏡的三維測(cè)量方法，其特征在于，所述第二分光棱鏡鍍有半透半反膜，反射率和透射率均為50％。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于組合反射鏡的三維測(cè)量方法，其特征在于，所述角度變化包括俯仰角、偏航角和滾轉(zhuǎn)角。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于組合反射鏡的三維測(cè)量方法，其特征在于，所述第二分光棱鏡用于將平行光束分為第一測(cè)量光束i3和第二測(cè)量光束i5；進(jìn)一步包括：

7.一種基于組合反射鏡的三維測(cè)量裝置，用于實(shí)施權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及三維角度測(cè)量領(lǐng)域，公開了一種基于組合反射鏡的三維測(cè)量方法，包括以下步驟：S1、使用光源發(fā)出光束；S2、通過匯聚透鏡和準(zhǔn)直透鏡處理光束，形成平行光束；S3、使用第一分光棱鏡將平行光束分為至少兩束測(cè)量光束；S4、通過組合反射鏡中的第二分光棱鏡對(duì)測(cè)量光束進(jìn)行反射；S5、使用光電位置探測(cè)器檢測(cè)反射后的光束位置；S6、根據(jù)光束在光電位置探測(cè)器上的位置信息計(jì)算至少一個(gè)角度變化。本發(fā)明基于組合反射鏡的三維測(cè)量方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角三個(gè)角度的測(cè)量；采用的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易搭建，測(cè)量分辨率和精度高；通過雙向差分測(cè)量的原理測(cè)得滾轉(zhuǎn)角，消除其他角度帶來的耦合誤差，抗干擾能力強(qiáng)。

技術(shù)研發(fā)人員：黃銀國(guó),王宏遠(yuǎn),紀(jì)鵬宇,王志文,鄭葉龍,趙美蓉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/24