[发明专利]基于虚拟现实技术的靶标姿态测量系统及其测量方法

权利要求书

1.一种基于虚拟现实VR技术的靶标姿态测量系统，其特征在于，包括2个测量基站，1个测量靶标和一台配置有测量模块的计算机；其中：

所述测量基站，用于通过红外发光二极管阵列发出散射红外光，周期性的扫射测量靶标；

所述测量靶标通过内设的光敏传感器接收所述散射红外光，并利用计时模块进行计时；

所述测量靶标与所述计算机之间通过无线方式进行通信进行数据传输；

所述计算机利用内设的测量模块根据接收到的所述数据进行最小二乘法求最优解，确定靶标坐标系位置和姿态。

2.根据权利要求1所述的基于VR技术的靶标姿态测量系统，其特征在于，所述测量基站为线性激光器的转台发射机。

3.根据权利要求1所述的基于VR技术的靶标姿态测量系统，其特征在于，所述测量基站周期性的扫射测量靶标，具体为：测量基站在水平方向和竖直方向在电机的带动下匀速旋转利用红外发光器散射出的红外光对测量靶标进行扫射。

4.根据权利要求1所述的基于VR技术的靶标姿态测量系统，其特征在于，所述测量靶标通过内设的计时模块记录和统计所述光敏传感器开始计时的时刻、水平或/和垂直方向的扫描时间差以及扫描周期数。

5.一种基于权利要求1～4任一项所述基于VR技术的靶标姿态测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、测量基站每隔一定时间，向外发射红外散射光提供时间基准；

B、在两个时间基准的间歇期，测量基站做2次光线扫描，扫描方向分别是水平和垂直方向；

C、测量靶标接收到散射光后开始计时，根据接收到水平和垂直方向扫描相对于散射光的时间差计算出空间角度；

D、根据测量出的4个空间角度计算靶标的姿态。

6.根据权利要求5所述的靶标姿态测量系统的测量方法，其特征在于，步骤C所述的空间角度等于扫描转速×时间间隔。

7.根据权利要求5所述的靶标姿态测量系统的测量方法，其特征在于，步骤D所述根据测量出的4个空间角度计算靶标的姿态的过程，具体包括：

D1、设靶标坐标系{H}到基站坐标系{B1}的齐次变换矩阵为：

$T_H^{B_1}=\left[\begin{array}{cccc}{n}_x& o_x& a_x& p_x\\ n_y& o_y& a_y& p_y\\ n_z& o_z& a_z& p_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中：p_x、p_y、p_z为靶标坐标系原点在基站坐标系的位置，为靶标坐标系在基站坐标系的旋转矩阵，其表征所述靶标的姿态；

D2、设光敏传感器为空间中一个质点P₁，它在靶标坐标系的位置是px₁、py₁、pz₁，则存在如下数学关系：

$\left[\begin{array}{c}p{x}_1^{B_1}\\ {\mathrm{py}}_1^{B_1}\\ {{\mathrm{pz}}_1^{B_1}}_1\\ 1\end{array}\right]=T_H^{B_1}\left[\begin{array}{c}p{x}_1\\ {\mathrm{py}}_1\\ {\mathrm{pz}}_1\\ 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中：分别为光敏传感器P₁在基站坐标系的位置；该公式(2)的物理意义是空间中某个质点在两个不同坐标系下的坐标之间的变换关系；

D3、依据基站坐标系与测量靶标坐标系的关系，以及扫描测量角度的原理得到如下关系：

$\frac{{\mathrm{px}}_1^{B_1}}{{\mathrm{tan\θ}}_y}=\frac{{\mathrm{py}}_1^{B_1}}{{\mathrm{tan\θ}}_x}={\mathrm{pz}}_1^{B_1}---\left(3\right)$

其中，tanθ_y是Y轴的扫描测量角度，tanθ_x是X轴的扫描测量角度；该公式(3)的物理意义是绕X轴扫描平面与绕Y轴扫描平面的交线，即穿过基站坐标系原点和光敏传感器的一条空间直线；

D4、当有多个光敏传感器被扫描到，则依据公式(1)～(3)就可以建立非线性方程组，采用最小二乘法求最优解即可确定靶标坐标系位置和姿态。