基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量方法及设备的制作技术

本技术提供了一种基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量方法及装置，解决了运动物体的俯仰角、滚动角以及轴向位移三个自由度的实时测量问题。该装置包含高精度激光干涉测距仪、外反射角锥棱镜、平面反射镜、快门和控制及数据处理系统。利用激光干涉测距仪、外反射角锥棱镜和快门测量运动物体不同坐标的三个点，再利用测量得到的三个距离信息及三个坐标的位置信息算出运动物体上三个点的坐标变化，最后利用本技术提供的构造理想平面的方法解算出目标的俯仰、滚动角和轴向位移量。本技术此方法具有精度高、结构简单、数据处理量小和实时性好的特点。

权利要求书

1.一种基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量装置，其特征在于：包括高精度激光测距仪(1)、外反射角锥棱镜(2)、直角屋脊棱镜(3)、快门(4)、控制及数据处理系统(5)、光的传输方向控制(6)、快门控制信号接口(7)、信号传输系统(8)和机构外壳(9)；测量装置中高精度激光测距仪(1)和外反射角锥棱镜(2)为同轴安装，其中外反射角锥棱镜的镜面依次与直角屋脊棱镜(3)的脊线平行并使直角屋脊棱镜的入射光与反射光互相垂直；处于同一平面内的三个直角屋脊棱镜(3)之间以两两相距120°的位置固定在机构外壳上；控制及数据处理系统(5)接收由高精度激光测距仪(1)所测的距离信息d1、d2和d3，对其进行运算得到三自由度运动信息，同时控制及数据处理系统(5)发出控制指令控制快门通断状态完成测量。

2.根据权利要求1所述基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量装置，其特征在于：外反射角锥棱镜(2)将沿轴线的平行光束分成沿不同方向传播的三束光，这三束光的传播方向互

为120°且垂直于轴线；外反射角锥棱镜(2)结合三个位置互为120°的直角屋脊棱镜实现三个不同位置点距离d1、d2和d3的测量。

3.一种基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量方法，利用权利要求1所述基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量装置，其特征在于：该测量方法包括以下步骤：

步骤1)、根据测量装置的具体尺寸，计算出三个次反射镜的中心位置坐标A0(x1,y1,z1)、

B0(x2,y2,z2)、C0(x3,y3,z3)，控制及数据处理系统(5)发出控制指令依次控制三个快门的通断，使得三束光依次通过快门测得测量距离信息d1、d2和d3；

步骤2)、代入d1、d2和d3计算出目标面上三个点的坐标A(x1,y1,z1)、B(x2,y2,z2)、

C(x3,y3,z3)，根据A、B、C三点坐标确定目标面内的两个不共线的向量和由以下的表达式得到当前目标平面法线

步骤3)、重复步骤1)和步骤2)，获得运动后的目标平面法线

步骤4)、根据坐标变换关系两个方向的旋转角分别P和R，则两个方向都存在旋转时，变换矩阵T为：

计算得到：

其中，

步骤5)、根据求出的角位移P和R，代入到原坐标数据中获得只经过转动而没有活塞移动的目标状态坐标A1(x1,y1,z1)、B1(x2,y2,z2)、C1(x3,y3,z3)，并计算对应前后坐标点距离|A1-A|、|B1-B|和|C1-C|及它们的均值，用三个点的距离差近似代替活塞移动d；

步骤6)、将A(x1,y1,z1)、B(x2,y2,z2)、C(x3,y3,z3)存起来作为下一轮测量的原平面数据，按照步骤1)中顺序测量d1、d2和d3，并重复步骤2)-步骤6)进行测量。

4.根据权利要求3所述基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量方法，其特征在于：通过三个点确定一个理想平面，解算前后理想面之间的位置关系来获得目标在俯仰、滚转的角位移和轴向活塞位移运动。

技术说明书

一种基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量方法及装置

技术领域

本技术属于精密测量领域，具体涉及一种基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量的方法及装置。

背景技术

测量是一切科学研究和工业生产的基础，在测量领域中，距离、位移、角度和角位移是基本测量物理量。随着技术的发展，出现了各种各样的测量方法，在高精度测量方面，光学方法具有可溯源和非接触的优势，飞行时间法和激光干涉测距是常用的长度测量手段，自准直法、激光干涉法、环形激光法和内反射法是常用的测角方法，这些方法一般使用在单一物理量的测量。随着技术的发展，单一物理量测量已经不能满足科学研究和工业生产的需求，这就要求测量仪器具有多自由度同时测量的能力。

多自由度的测量方法中，一般采用多种传感器和测量方法结合实现多维度测量，这样的测量

系统很复杂且由于增加测量设备而对测量目标产生不利影响，导致测量结果误差源增加。随着计算机的发展，激光散斑干涉测量、数字全息测量及计算机视觉在多自由度测量领域开始出现，但是这种基于图像处理的方法需要处理大量的图像信息而不能高速实时测量，并且其测量精度受限于图像传感器的像元大小。

针对现有技术的不足，采用激光干涉测量的方法能获得高精度距离信息，从而获得更加准确的坐标点信息，采用多反射面棱镜实现一个干涉仪用于多点测量的目的；结合理想平面构造法，把目标的运动信息转换为平面法向量之间的转动和平面的平移，从而获得高精度的三自由度运动信息。这方法具有结构简单和数据运算量小的优势，但在其他文献中尚未采用过此方法。

技术内容

本技术针对现有技术中结构复杂和测量精度不高的不足，设计了一种基于激光干涉仪的高精度三自由度测量方法和装置，具有精度高、结构简单、数据处理量小和实时性好的特点。

本技术采用的技术方案为：一种基于激光干涉仪的高精度三自由度实时测量的装置，包括：高精度激光测距仪、外反射角锥棱镜、直角屋脊棱镜、快门、控制及数据处理系统、光的传输方向控制、快门控制信号接口、信号传输系统和机构外壳；测量装置中高精度激光测距仪和外反射角锥棱镜为同轴安装，其中外反射角锥棱镜的镜面依次与直角屋脊棱镜的脊线平行并使直角屋脊棱镜的入射光与反射光互相垂直；处于同一平面内的三个直角屋脊棱镜之间以两两相距120°的位置固定在机构外壳上；控制及处理系统接收由高精度激光测距仪所测的距离信息d1、d2和d3，对其进行运算得到三自由度运动信息，同时控制及处理系统发出控制指令控制快门状态完成测量。

其中，外反射角锥棱镜将沿轴线的平行光束分成沿不同方向传播的三束光，这三束光的传播方向互为120°且垂直于轴线；外反射角锥棱镜结合三个位置互为120°的直角屋脊棱镜实现三个不同位置点距离d1、d2和d3的测量。

另外采用构造理想平面的方法实现俯仰、滚转的角位移和轴向活塞位移同时测量，具体测量方法包括以下步骤：