[发明专利]一种基准光束可非线性跨障碍传递的大型结构空间形变测量装置及方法

权利要求书

1.一种基准光束可非线性跨障碍传递的大型结构空间形变测量装置，其特征在于：包括空间基准发射单元及空间位姿测量单元，

所述空间基准发射单元包括安装基座、十字线激光发生器、激光测距仪、定位基准台、V型定位台及透光窗口，所述安装基座上固定安装所述激光测距仪及V型定位槽，所述定位基准台包括两个互相平行且与安装基准面垂直的定位端面，所述激光测距仪的一条棱与所述的一个定位端面接触安装，所述V型定位槽上定位安装所述十字线激光发生器，所述的V型定位槽的一个面与所述的定位端面接触安装，所述安装基座的前端设置有透光窗口；

所述空间位姿测量单元包括安装基座、激光分光镜、平面反射镜A、平面反射镜B、平面反射镜C、激光接收屏A、激光接收屏B、图像传感器A及图像传感器B，所述安装基座内设置有若干定位棱作为定位端面，所述激光分光镜与所述定位棱呈45°布置，所述平面反射镜A设置于所述激光分光镜后端并与定位棱呈45°布置，所述平面反射镜B与所述平面反射镜A平行设置并与所述定位棱呈45°布置，所述平面反射镜C与所述平面反射镜B垂直并与所述定位棱呈45°布置，所述设置于安装基座上的激光接收屏A与激光接收屏B用于接收十字光斑图像并成像为图像传感器A及图像传感器B提供目标图像，所述安装基座前端面上设置十字线激光入射窗口及激光测距靶标平面。

2.根据权利要求1所述的基准光束可非线性跨障碍传递的大型结构空间形变测量装置，其特征在于：所述空间基准发射单元的十字形激光发生器采用十字线结构光作为基准光束，提供空间位姿测量基准。

3.根据权利要求1所述的基准光束可非线性跨障碍传递的大型结构空间形变测量装置，其特征在于：所述空间基准发射单元固结于所述空间位姿测量单元上表面，所述空间基准发射单元与空间位姿测量单元构成基准光束传递单元，所述空间位姿测量单元可以测量相对于基准光束的水平位移、竖直位移、偏航角位移、俯仰角位移以及滚转角位移，结合所述空间基准发射单元中的激光测距仪，可以实现空间六自由度形变测量。

4.根据权利要求1所述的基准光束可非线性跨障碍传递的大型结构空间形变测量装置，其特征在于：所述激光接收屏A、激光接收屏B均为透明亚克力板制成，且所述激光接收屏A、激光接收屏B外侧涂镀有纳米漫反射涂层。

5.根据权利要求1所述的基准光束可非线性跨障碍传递的大型结构空间形变测量装置，其特征在于：所述安装基座上设置有机械外壳；所述安装基座上设置有机械外壳。

6.一种如权利要求1～5任意一项所述基准光束可非线性跨障碍传递的大型结构空间形变测量方法，其特征在于：所述方法的步骤为：

1)测量安装准备：将空间基准发射单元与工控机连接，紧固安装在三角支架上，并将三角支架置于测量空间附近的稳定地面上，打开空间基准发射单元的十字线激光发生器及激光测距仪；将空间位姿测量单元与空间基准发射单元紧固安装，构成基准光束传递单元，事先标定基准光束传递单元中空间位姿测量坐标系与空间基准发射坐标系关系，将基准光束传递单元置于障碍物附近位置；将空间位姿测量单元置于被测点附近位置；打开工控机，并打开装置中所有空间位姿测量单元的图像传感器A及图像传感器B，保证十字线激光发生器的十字线光斑能够通过透光窗口在激光接收屏A、激光接收屏B上形成十字图像；

2)空间基准发射坐标系建立：在所述空间基准发射单元中，以十字线激光中心投射方向为坐标系X轴，以激光测距仪测距基准面与X轴交点为坐标原点O，以十字线横轴所在平面内过原点且与X轴垂直的轴作为Y轴，以过坐标原点且垂直于XOY平面的轴为Z轴，建立符合右手定则的空间基准发射坐标系；

3)空间位姿测量单元自身坐标系建立：在所述空间位姿测量单元中，以沿激光入射方向的一条棱作为X轴，以靠近窗口的临边棱与该棱交点为原点，以过原点且垂直于安装基准面向上的方向为Z轴，以过原点且垂直于XOY平面的直线为Y轴，建立空间位姿测量单元自身坐标系；

4)激光透射及反射光路：入射的十字线结构光经激光分光镜作用后，一部分反射后投射到激光接收屏A，另一部分透过激光分光镜，先后经平面反射镜反射后投射至激光接收屏B，为接收屏A经过激光分光镜形成虚像，图像传感器A经过激光分光镜形成虚像，接收屏B经过平面镜组光路形成虚像，图像传感器B经过平面镜组光路形成虚像，即经过测量光路后，两组机器视觉测量系统构成平行正对的形式，且接收屏A虚像、接收屏B虚像所在平面均与X轴垂直，且位置关系固定；

5)设定激光接收屏A的虚像平面A，激光接收屏B的虚像平面B，在空间位姿测量单元自身坐标系中，设平面方程为x＝x₁，平面为x＝x₂，图像传感器A、B采集到的两屏幕上的十字光斑图像经测量软件处理后，能获取十字光斑中心在图像传感器A、B二维坐标系中的位置，设十字光斑在激光接收屏A的虚像平面上的中心点为A，设十字光斑在激光接收屏B的虚像平面上的中心点为B，经标定转换后即可获取其在空间位姿测量单元自身坐标系中的空间位置，设A坐标为(x₁，y₁，z₁)，B坐标为(x₂，y₂，z₂)，其可以由机器视觉系统测量得到，同时经测量软件处理还可获取平面上十字线横轴斜率，设为k；

6)水平、竖直位移测量：以十字线结构光在激光接收屏A的虚像平面上的十字光斑中心作为水平竖直位移测量的基准，设初始时刻A点坐标为(x₁，y₁，z₁)，发生位姿变动后A点坐标为(x₁’，y₁’，z₁’)，

水平位移为Δy＝y₁'-y₁；

竖直位移为Δz＝z₁'-z₁；

7)偏航角、俯仰角、滚转角测量：设位姿变动前初始时刻A点坐标为(x₁，y₁，z₁)，十字光斑横轴在虚像平面(7-3)中的斜率为k；设B点坐标为(x₂，y₂，z₂)，此时线段AB在空间位姿测量单元自身坐标系的XOY平面内的投影与OX轴夹角为线段AB在空间位姿测量单元自身坐标系的YOZ平面内的投影与OX轴夹角发生

设位姿变动后，A点坐标为(x₁，y₁’，z₁’)，十字光斑横轴在虚像平面中的斜率为k’；设B点坐标为(x₂，y₂’，z₂’)，此时此时线段AB在空间位姿测量单元自身坐标系的XOY平面内的投影与OX轴夹角为线段AB在空间位姿测量单元自身坐标系的YOZ平面内的投影与OX轴夹角发生

则：

偏航角位移Δα＝α2-α1；

俯仰角位移Δβ＝β2-β1；

滚转角位移Δθ＝arctank'-arctank；

从而，结合激光测距沿十字基准光线传递方向的测距功能，可实现空间位姿测量单元相对于十字基准光束的空间六自由度形变测量。