大尺寸空间的空间角度的测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种空间角度的测量装置及测量方法，尤其是设及一种大尺寸空间的 空间角度的测量装置及测量方法。
【背景技术】
[0002] 在工业、国防等领域中，往往需要在大尺寸空间条件下对两异面轴线夹角进行现 场测量，例如在大型工件装配过程中或者大间距多轴线一致性的校准过程中都需要在现场 进行空间角度的测量。在运些现场的角度测量中，被测对象之间的距离可达几米甚至上百 米，测量的公共基准由于被测对象相距较远难W被建立，且由于被测对象的体积和重量都 比较大导致其在测量过程中不方便被移动，增大了空间角的测量难度。
[0003] 目前，大尺寸空间内的空间角测量通常是基于空间特征点坐标测量，即通过测量 被测轴线上若干特征点的坐标来求解其空间夹角，其测量方法包括坐标测量机法、多经缔 仪法、激光跟踪仪法、室内定位法和视觉测量法等。其中，坐标测量机法的测量效率较高，通 用性强，但是其测量系统价格昂贵，且只能在室内测量，且不便于携带;经缔仪和激光跟踪 仪的测量范围大、精度高，但是其测量结果易受外界环境影响；室内定位法的精度较高，但 是测量成本较昂贵;视觉测量法的测量精度较高、测量范围广，但是其成本较高。综合W上 测量方法，它们很难同时满足测量范围大、测量精度高、便携性好W及成本低的要求，只能 根据实际测量需求选择合适的测量方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的之一就是提供一种大尺寸空间的空间角度的测量装置，W解决现有 的角度测量装置不能同时满足测量范围大、测量精度高、便携性好W及成本低的要求。
[0005] 本发明的目的之二就是提供一种大尺寸空间的空间角度的测量方法，W解决现有 的角度测量方法不能同时满足测量范围大、测量精度高、便携性好W及成本低的要求。
[0006] 本发明的目的之一是运样实现的：
[0007] -种大尺寸空间的空间角度的测量装置，包括测量控制装置和设置在待测轴上的 平面镜适配器；
[000引所述测量控制装置包括：
[0009] 祀标收发器，与控制器的输入端相连，可通过观察其向待测轴投射已准直的十字 分划图像后接收到的从待测轴反射回的十字分划图像与所述测量控制装置的成像面几何 中屯、重合与否来验证待测轴的轴线与所述测量控制装置光轴平行与否；
[0010] 光轴调向器，与控制器相连，能够调整所述测量控制装置的光轴方向；
[0011] 姿态传感器，与控制器相连，可测量所述测量控制装置在测量参考坐标系中的姿 态角；W及
[0012] 控制器，其输入端分别与所述祀标收发器的输出端、所述姿态传感器的输出端和 所述光轴调向器的输出端相连，其输出端与所述光轴调向器的输入端相连，根据所述祀标 收发器所接收的图像生成控制指令驱动光轴调向器，同时可根据所述姿态传感器与所述光 轴调向器传输的测量数据计算待测轴的轴线在测量参考坐标系中的空间向量坐标。
[0013] 所述控制器包括：
[0014] 视频处理模块，与所述祀标收发器相连，用于处理所述祀标收发器接收的图像；
[0015] 控制量计算模块，连接在所述视频处理模块与所述光轴调向器之间，用于将所述 视频处理模块所传递的数据生成控制指令W驱动所述光轴调向器;W及
[0016] 向量坐标计算模块，连接在所述姿态传感器与所述光轴调向器之间，用于处理所 述姿态传感器与所述光轴调向器中编码器的测量数据W计算待测轴的空间向量坐标。
[0017] 所述平面镜适配器包括：
[0018] 平面反射镜；W及
[0019] 安装座，用于连接所述平面反射镜和待测轴；
[0020] 所述安装座的与所述待测轴的连接面与所述平面反射镜的镜面平行。
[0021] 本发明包括测量控制装置和设置在待测轴上的平面镜适配器，将平面镜适配器安 装在待测轴的端面上，在测量空间角度前通过测量控制装置与平面适配镜共同作用保证了 测量控制装置的光轴与待测轴的轴线处于平行状态，提高了测量的精度，减小了测量误差。 测量控制装置包括祀标收发器、光轴调向器、姿态传感器和控制器，在测量前，控制器可对 祀标收发器所接收的图像进行处理，并根据其对图像的处理数据生成控制指令驱动光轴调 向器W将测量控制装置的光轴与待测轴的轴线调整为平行状态。在进行空间角的测量时， 控制器能够快速处理姿态传感器与光轴调向器中编码器的测量数据，并根据姿态传感器与 光轴调向器所传递测量数据计算待测轴的轴线在测量参考坐标系的空间向量坐标。
[0022] 本发明的空间角测量装置具有体积小、质量轻、易于携带的优势，该测量装置中在 平面镜适配器、光轴调向器和控制器的共同配合下保证了测量精度，减小了测量误差，极大 地方便了测量人员在外场测量中使用。由于其同时兼顾了测量范围大、测量效率高和便携 性等方面的性能，并且成本较低，适合在外场测量中推广使用。
[0023] 本发明的目的之二是运样实现的：
[0024] -种大尺寸空间的空间角度的测量方法，包括W下步骤：
[00巧]a、建立测量参考坐标系：
[0026] 对于两个或者多个待测轴，任意选择其中一个待测轴作为参考轴，其余待测轴作 为被测轴，W参考轴的指向为基准建立惯性坐标系并作为整个测量的参考坐标系，测量参 考坐标系的X轴指向、y轴指向和Z轴指向满足右手定则，得到参考轴单位向量在测量参考坐 标系中的坐标为：i；!=[l00]T;
[0027] b、校准测量控制装置：
[0028] 在参考轴的端面上安装平面镜适配器，测量人员手持测量控制装置移动至参考轴 的安装有平面适配镜端的前方，调整测量控制装置中的光轴指向，使测量控制装置的光轴 与参考轴平行，然后校准测量装置的测量输出，使测量控制装置输出的参考轴的单位向量 测量值为
[0029] C、测量被测轴的向量坐标：
[0030] 在被测轴的端面上安装平面镜适配器，测量人员手持测量控制装置移动至被测轴 的安装有平面适配镜端的前方，调整测量控制装置的光轴指向，使测量控制装置的光轴与 被测轴平行;然后测量测量控制装置的光轴相对测量控制装置固定基准面的偏转角和测量 控制装置相对测量参考坐标系的姿态角，控制器根据测量结果和坐标系旋转变换理论计算 出各被测轴单位向量在测量参考坐标系中的坐标< ;
[0031] d、计算空间角：
[0032] 测量控制装置中的控制器根据向量空间角计算公式，利用测量控制装置测得的参 考轴在测量参考坐标系中的单位向量和被测轴在测量参考坐标系中的单位向量即可求解 出参考轴与被测轴的空间夹角0，向量空间角计算公式为：
[003；3 ] 0 := arccos(r;，r;" )，0 G t炉」80°J。
[0034] 被测轴在测量参考坐标系中单位向量坐标的求解步骤如下：
[0035] 第一步，将测量控制装置的光轴与参考轴调整为平行状态，此时被测轴在测量参 考坐标系中单位向量的坐标等于测量控制装置的光轴在测量参考坐标系中单位向量的坐 标；
[0036] 第二步，建立测量控制装置