1 长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
在机载光电转台、多自由度摇摆台等系统中，对于一些运动体与基座间没有确定的回转轴的柔性支撑、并联支撑平台，需要考虑非接触三轴角度测量方法，目前大部分的光电非接触三轴角度测量方案系统复杂，占用空间大，无法适用于如机载、星载等载荷对体积、质量敏感的场景。为此，文中提出了基于双位置敏感探测器（PSD）的非接触三轴角度测量方案，使用准直镜头汇聚、双面反射光楔反射，将光源在两片PSD上汇聚成像，利用PSD上的光斑位置坐标反解出三轴角度。描述了其工作原理以及传感器构成，分析了因两片PSD的相对位置偏移产生的误差，提出了对应补偿方法以减少焊装产生的PSD位置偏移对测量精度的影响。主要对采集的PSD模拟信号值的抖动噪声进行FIR滤波处理，分析了滤波器的相频响应特性，并在MCU中测量相位滞后时间以及滤波器的响应带宽，验证了该数字滤波器在系统内拥有较好的实时传输特性。自准直测量单元总质量为230 g，尺寸为50 mm×50 mm×50 mm。实验结果表明，34阶FIR滤波器将角度测量的误差减小至60%，在±2°测量范围内单轴测量时，方位角、俯仰角、横滚角的误差均方根分别为0.003°、0.007°、0.017°，组合测量时分别为0.006°、0.009°、0.021°，文中所提出的三维测角传感器精度较高，满足机载等场景的使用要求。
三轴姿态角度测量 非接触测量 位置敏感探测器 滤波带宽 响应频率 three-axis attitude angle measurement non-contact measurement position sensitive detector filter bandwidth response frequency 红外与激光工程
2024, 53(2): 20230543
1 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
基于二维自准直仪和坐标系旋转变换矩阵, 提出一种高精度、高稳定性三维姿态角(偏摆角、俯仰角和滚转角)测量方法, 并设计了一种三维测角装置。介绍了该装置的工作原理和结构组成。建立了三维测角模型, 根据自准直测角原理和坐标旋转矩阵推导了理论算法。基于测量要求设计了光学系统, 采用现场可编程门阵列(FPGA)单芯片实现了实时双CMOS图像传感器的驱动成像、像点识别与细分定位、三维转角计算及与USB的快速通信。提出了三维测角装置的标定方法, 保证了实际设备参数与理论设计数据的统一。最后对提出的滚转角测量算法进行了实验验证, 并分析了影响测角精度的因素及其影响程度。标定和试验结果表明: 在±20′的视场范围内, 三维测角装置的偏摆角、俯仰角和滚转角的测量精度分别达到了2.2″, 2.5″和8.7″。该结果验证了设计的装置结构简单、稳定可靠、精度高, 且易工程实现三维姿态角的测量。
三维姿态角测量 角度测量装置 二维自准直仪 滚转角 俯仰角 偏摆角 标定 three-dimensional attitude angle measurement angle measuring device two-axis autocollimator roll angle pitch angle yaw angle calibration
中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
针对适用于双圆锥扫描红外地平仪地面检测体积相对较大的地球模拟器, 使用两台电子经纬仪建立三维坐标测量系统, 采用全测角的方法计算并实时显示被测点的三维坐标值, 可以大大提高光学校准精度。基于坐标值的计算以及地球模拟器的模拟原理, 首先对地球模拟器进行精密校准, 然后基于误差传递公式计算直角坐标的校准测试误差, 对光学校准精度进行分析, 最终实现红外地球敏感器姿态角测量的误差分析。计算与实际测量结果表明, 通过使用实时三维测量系统对地球模拟器进行精密校准后, 双圆锥扫描红外地平仪的姿态角模拟测试误差可降低到0.01°以下。验证了该测量系统在大型航天地面检测设备中的有效性与实用性。
三维坐标实时测量系统 光学校准精度 姿态角测量 real-time three-dimensional coordinate measurement optical calibration accuracy the attitude angle measurement
华中科技大学 机械科学与工程学院 仪器科学与技术系， 武汉 430074
为了实现盾构机的自动导向，研制了一种新型无衍射光电子标靶，给出了该电子标靶系统的构成和姿态角测量原理。针对标靶光学系统难以确定精确光学中心的问题，提出一种新型标定方法，直接将全站仪激光入射在标靶中CCD上的光斑中心位置和全站仪的角度值联系起来，建立一一对应的映射关系数据库。工作时，由光斑中心位置可直接插值得到入射光线的空间角度，再结合电子水平仪读数，计算出标靶的实际坡度角、滚动角和水平方位角，并进而计算盾首中心坐标。结果表明，利用该方法对无衍射光电子标靶进行标定能够获得较高的标定精度，从而在标靶进行测量工作时获得较高的测量精度。
测量与计量 无衍射光 电子标靶 姿态角测量 标定 measurement and metrology non-diffracting beam electronic target attitude angle measurement calibration
华中科技大学 机械科学与工程学院 仪器科学与技术系，武汉 430074
提出了一种新型的用于盾构机导向的无衍射光电子标靶，利用映射关系将全站仪激光入射到标靶中CCD上的光斑场盾中心位置和全站仪的角度值联系起来，结合电子水平仪读数，得到标靶的完整姿态角，并计算盾首中心坐标。分析测量过程中全站仪、标靶各部件引起的误差，推导标靶测量姿态角及盾首中心坐标的误差。分析表明，标靶测量盾首的偏差精度达到毫米级，满足盾构导向的精度要求。
无衍射光 电子标靶 姿态角测量 误差分析 non-diffracting beam electronic target attitude angle measurement error analysis
