[发明专利]一种三维位姿探测装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维位姿探测装置及其测量方法。

背景技术

空间三维位姿探测在现代化作业、空间探测和军事等领域有着广泛的应用。为了感知作业方所处的环境，我们需要采用照相机或摄像机，为了采取进一步的操作或完成相互协调动作，我们需要精确地知道作业方的位置和姿态，这就需要采用至少3个成像设备以确定其精确的空间位置和姿态。这样的结果一是大大增加了三维位姿探测机构的复杂性，二是使得整体的控制方法变得十分繁杂，容错性变差。

空间三维定位发展较早的是立体视觉理论，应用较多的是双目立体视觉，其基本原理类似于人的视力，通过频繁的信号交替可以精确完成给定的动作，这里的问题有两个，一是对应双目需要配置两个摄像机构，二是双目无法精确定位距离远近。因此，很多研究机构致力于开发对应的算法，如一种空间目标三维位姿视觉测量方法（国别：中国，公开号：101464134A，公开日期：2009年6月24日）等。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、控制容易的探测对象空间位置和姿态的三维位姿探测装置；本发明的另一目的是提供使用这种三维位姿探测装置进行测量的方法，完成空间探测功能需要和精准的测量。

技术方案：一种三维位姿探测装置，包括二维位置敏感探测器、凸透镜、发射板，所述发射板上的点光源发出光线通过所述凸透镜在所述二维位置敏感探测器的光敏面上成像为清晰点，所述发射板在中心和四角共设置五个所述点光源，且相邻两个角落的所述点光源的距离为20mm。

所述点光源采用发光二极管。点光源发出的光线作为二维位置敏感探测器检测的信号，要求该点光源的选取应直径要尽可能小且发射角要尽量大，这样当不可避免的出现近距离检测时以及受到二维位置敏感探测器自身检测范围的限制时，保证二维位置敏感探测器能够检测到点光源的位置。

所述光敏面为正方形，所述二维位置敏感探测器的视角为30°。对二维位置敏感探测器的要求是视角越大，能感知到的最小距离越小，对齐精确度就会越高。但是视角不能无限增大，因为视角越大，在最小距离时发射板上的点光源阵列在二维位置敏感探测器上的成像就会越小，分辨率和精确度都会受到影响，因此取视角为30°左右。同时，由于在二维位置敏感探测器上X和Y方向等价，因此尽量选择光敏面为正方形的二维位置敏感探测器。

上述一种三维位姿探测装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤（1）：测量空间距离：将所述二维位置敏感探测器的所述光敏面放置于所述凸透镜的焦平面上，且所述光敏面的中心与所述凸透镜的焦点重合，所述凸透镜的位置为F，所述凸透镜和所述二维位置敏感探测器构成接收板；所述发射板四角的所述点光源A'、B'、C'、D'和中心的所述点光源O'，使O'A'＝O'B'＝O'C'＝O'D'，且A'、B'、C'、D'中相对的两个分别与所述发射板的X'轴、Y'轴重合；A、B、C、D为A'、B'、C'、D'在所述光敏面上对应的成像点；经调整使所述发射板的Z'轴与所述接收板的Z轴对正时，得到所述接收板与所述发射板之间的距离O'F；

步骤（2）：对齐接收板与发射板：

信号捕捉：所述发射板沿其X轴、Y轴、Z轴分别移动、转动，直到接收到所述发射板的所述点光源的成像；

接收板与发射板的对齐：按给定的步长和运动次序移动所述接收板至其与所述发射板正好对齐，此时所述接收板与所述发射板姿态一致，由所述接收板姿态得知所述发射板姿态；对齐判据为：AC⊥BD，0.5（x_A＋x_C）≤0.1mm、0.5（y_A＋y_C）≤0.1mm，0.5（x_B＋x_D）≤0.1mm、0.5（y_B＋y_D）≤0.1mm，其中0.1mm为要求的误差精度。

所述发射板上的五个所述点光源通过单片机控制发光顺序、发光持续时间、发光间隔时间。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是将二维位置敏感探测器添加光学装置进行改装，用于三维空间的位姿检测，并通过发射板的布置，结合测量方法协调工作，完成空间探测和精准测量；探测装置结构简单，控制容易，测量精确度高。

附图说明

图1为本发明三维位姿探测装置的结构示意图；

图2为发射板上点光源的分布位置图；

图3为本发明测量方法原理图；

图4为单片机控制的发射板部分的流程图；