本发明公开了一种空间动态角度测量装置及测量方法，用于空间动态角度的实时测量。本发明空间动态角度测量装置包括有动态角度传感器、合作目标靶板和数据处理系统，是一种低成本、高精度、易于操作的测量设备。本发明测量方法通过由两轴精密伺服机构、高精度光学成像系统和通用机械夹持机构所构成的动态角度传感器识别并跟踪合作目标靶板，将空间动态角度测量问题转化为基于机器视觉的目标自动识别与跟踪问题，使之成为计量科学中的新方法，丰富了视觉测量技术内涵，可满足工业、军事和科学研究等多个领域在该方面的测试或计量需求。
动态角度传感器，与数据处理系统相连，用于检测被测对象动态角度的变化；
合作目标靶板，作为被测对象动态角度变化的参照物设置于被测对象的前方；以及数据处理系统，与所述动态角度传感器相连，用于对所述动态角度传感器进行合作目标的搜索控制，并对检测的数据进行处理，以得到被测对象的空间动态角度值；
所述动态角度传感器由两轴精密伺服机构、高精度光学成像系统和通用机械夹持机构所组成；所述高精度光学成像系统安装于所述两轴精密伺服机构的承载平台上，通过所述两轴精密伺服机构的动作，改变光学成像视场；在所述两轴精密伺服机构中内置有绝对光电编码器，所述绝对光电编码器用以输出俯仰角和/或方位角的变化值。
2.如权利要求1所述的空间动态角度测量装置，其特征是，在所述两轴精密伺服机构中内置有绝对光电编码器，用以输出伺服机构动作的俯仰角和方位角。
3.如权利要求1所述的空间动态角度测量装置，其特征是，在所述合作目标靶板的靶板上设有粗细不同的十字分划。
4.如权利要求1所述的空间动态角度测量装置，其特征是，所述数据处理系统由控制电路、视觉合作目标识别跟踪模块、动态误差补偿模块和数据记录输出模块所组成；所述两轴精密伺服机构和所述高精度光学成像系统分别与所述数据处理系统相连。
5.如权利要求1所述的空间动态角度测量装置，其特征是，所述动态角度传感器通过所述通用机械夹持机构固定于被测对象上；当被测对象发生转动或空间位姿变化时，在所述数据处理系统控制下，实时跟踪所述合作目标靶板，使得所述合作目标靶板上的十字分划始终与所述光学成像系统中的电十字分划相重合。
6.如权利要求1所述的空间动态角度测量装置，其特征是，所述合作目标靶板放置于被测对象前方，使之能够被所述动态角度传感器上的高精度光学成像系统捕捉到。
7.一种空间动态角度测量方法，其特征是，包括以下步骤：
a、将空间动态角度测量装置中的合作目标靶板置于被测对象的前方，将动态角度传感器通过其上的通用机械夹持机构固定于被测对象上，并将所述动态角度传感器中的两轴精密伺服机构的俯仰角和方位角与被测对象的空间位姿指向调整为一致，将此刻所述两轴精密伺服机构中内置的绝对光电编码器归零；
b、利用空间动态角度测量装置中的数据处理系统控制所述动态角度传感器自动识别所述合作目标靶板上的十字分划，并使所述动态角度传感器中的高精度光学成像系统获取的该十字分划图像与高精度光学成像系统中的电十字分划相重合，所述数据处理系统记录此刻的所述绝对光电编码器的输出值，并提示被测对象开始转动；
c、在被测对象转动过程中，所述动态角度传感器在所述数据处理系统的控制下实时跟踪所述合作目标靶板上的十字分划，并使所述高精度光学成像系统获取的该十字分划图像与高精度光学成像系统中的电十字分划相重合，所述数据处理系统同时记录被测对象转动过程中所述高精度光学成像系统获取的图像序列和所述绝对光电编码器的输出值；
d、被测对象转动结束时，所述动态角度传感器在所述数据处理系统的控制下，停止跟踪所述合作目标靶板上的十字分划，所述数据处理系统记录此刻的所述绝对光电编码器的输出值；
e、所述数据处理系统根据步骤b、c、d中的所述绝对光电编码器的输出值，通过空间角度传递模型和对动态跟踪误差的补偿计算得到被测对象的空间动态转动角度。
8.如权利要求7所述的空间动态角度测量方法，其特征是，所述动态角度传感器通过所述通用机械夹持机构固定于被测对象上；当被测对象发生转动或空间位姿变化时，在所述数据处理系统控制下，实时跟踪所述合作目标靶板，使得所述合作目标靶板上的十字分划始终与所述光学成像系统中的电十字分划相重合。
9.如权利要求7所述的空间动态角度测量方法，其特征是，所述合作目标靶板放置于被测对象前方，使之能够被所述动态角度传感器上的高精度光学成像系统捕捉到。
空间动态角度测量装置和测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种应用于三维空间中转动物体动态角度的测量方法和测量装置，具体地说是一种空间动态角度测量装置和测量方法。
背景技术
[0002] 角度测量是计量科学的重要组成部分，广泛应用于工业生产和科学研究领域。随着科学技术和生产工艺的快速发展，在精密加工、航空航天、水利交通建设、大地测量等诸多领域都对角度的测量方法和测量精度提出了越来越高的要求。因此，研制高精度角度测量仪器具有重要意义。
[0003] 现有的角度测量方法主要有：机械测量方法、电磁测量方法、视觉测量方法及光电测量方法等。机械测量方法早期应用较多，优点是结构简单、成本低，但设备体积庞大，测量精度低、测量延时大、多数情况下不能实时动态测量；电磁测量方法利用电磁感应原理测量角度，测量精度高、测量速度快，但不能应用于非接触式测量；光学方法测量角度具有非接触、高精度和高灵敏度的特点，尤其是随着激光光源的发展和精密传感器的出现使光电测角的测量精度不断提高，其典型代表设备就是激光跟踪测量系统，具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，但激光跟踪测量系统造价高，如FARO公司的单台设备约120万人民币；视觉测量方法是计算机图形图像处理技术、光电技术的综合应用，具有非接触、高速度、实时性好等诸多优点。
[0004] 激光跟踪测量系统的工作原理是，在目标点上安置一个反射器，跟踪头发出的激光照射到反射器上，又返回到跟踪头，当目标移动时，跟踪头调整光束方向来对准目标。同时，返回光束被检测系统所接收，用来测算目标的空间位置。简单的说，激光跟踪测量系统所要解决的问题是静态或动态地跟踪一个在空间中运动的点，同时确定目标点的空间坐标。激光跟踪测量系统在工业上可实现工件表面的检测和验证、大尺寸部件测量、机器人空间位姿调整、系统及部件装配，以及工装检测和研发等诸多角度测量功能，但存在设备造价高等缺点。视觉测量方法的工作原理是利用单个手持相机从空间不同位置姿态下拍摄被测物体，获取多幅测量图像，利用视觉测量理论结合近景摄影测量理论中的共线性、共面性约束建立数学模型，实现大尺寸空间内点三维坐标的精密测量。视觉测量方法虽然具有非接触、高速度、实时性好、价格低等优点，但只能测量输入空间角的起至两个时刻的位置信息，无法实现过程中动态测量，同时对测量环境有较高要求。
发明内容
[0005] 本发明的目的之一就是提供一种空间动态角度测量装置，解决现有空间动态角度测量精度难以提高的问题。
[0006] 本发明的目的之二就是提供一种空间动态角度测量方法，以实现三维空间动态角度的高精度测量。
[0007] 本发明的目的之一是这样实现的：一种空间动态角度测量装置，包括有：
[0008] 动态角度传感器，与数据处理系统相连，用于检测被测对象动态角度的变化；
[0009] 合作目标靶板，作为被测对象动态角度变化的参照物设置于被测对象的前方；以及
[0010] 数据处理系统，与所述动态角度传感器相连，用于对所述动态角度传感器进行合作目标的搜索控制，并对检测的数据进行处理，以得到被测对象的空间动态角度值；
[0011] 所述动态角度传感器由两轴精密伺服机构、高精度光学成像系统和通用机械夹持机构所组成；所述高精度光学成像系统安装于所述两轴精密伺服机构的承载平台上，通过所述两轴精密伺服机构的动作，改变光学成像视场；在所述两轴精密伺服机构中内置有绝对光电编码器，所述绝对光电编码器用以输出俯仰角和/或方位角的变化值。
[0012] 在所述两轴精密伺服机构中内置有绝对光电编码器，用以输出伺服机构动作的俯仰角和方位角。
[0013] 在所述合作目标靶板的靶板上设有粗细不同的十字分划。
[0014] 所述数据处理系统由控制电路、视觉合作目标识别跟踪模块、动态误差补偿模块和数据记录输出模块所组成；所述两轴精密伺服机构和所述高精度光学成像系统分别与所述数据处理系统相连。
[0015] 所述动态角度传感器通过所述通用机械夹持机构固定于被测对象上；当被测对象发生转动或空间位姿变化时，在所述数据处理系统控制下，实时跟踪所述合作目标靶板，使得所述合作目标靶板上的十字分划始终与所述光学成像系统中的电十字分划相重合。
[0016] 所述合作目标靶板放置于被测对象前方，使之能够被所述动态角度传感器上的高精度光学成像系统捕捉到。
[0017] 本发明的目的之二是这样实现的：一种空间动态角度测量方法，包括以下步骤：
[0018] a、将空间动态角度测量装置中的合作目标靶板置于被测对象的前方，将动态角度传感器通过其上的通用机械夹持机构固定于被测对象上，并将所述动态角度传感器中的两轴精密伺服机构的俯仰角和方位角与被测对象的空间位姿指向调整为一致，将此刻所述两轴精密伺服机构中内置的绝对光电编码器归零；
[0019] b、利用空间动态角度测量装置中的数据处理系统控制所述动态角度传感器自动识别所述合作目标靶板上的十字分划，并使所述动态角度传感器中的高精度光学成像系统获取的该十字分划图像与高精度光学成像系统中的电十字分划相重合，所述数据处理系统记录此刻的所述绝对光电编码器的输出值，并提示被测对象开始转动；
[0020] c、在被测对象转动过程中，所述动态角度传感器在所述数据处理系统的控制下实时跟踪所述合作目标靶板上的十字分划，并使所述高精度光学成像系统获取的该十字分划图像与高精度光学成像系统中的电十字分划相重合，所述数据处理系统同时记录被测对象转动过程中所述高精度光学成像系统获取的图像序列和所述绝对光电编码器的输出值；
[0021] d、被测对象转动结束时，所述动态角度传感器在所述数据处理系统的控制下，停止跟踪所述合作目标靶板上的十字分划，所述数据处理系统记录此刻的所述绝对光电编码器的输出值；
[0022] e、所述数据处理系统根据步骤b、c、d中的所述绝对光电编码器的输出值，通过空间角度传递模型和对动态跟踪误差的补偿计算得到被测对象的空间动态转动角度。
[0023] 所述动态角度传感器通过所述通用机械夹持机构固定于被测对象上；当被测对象发生转动或空间位姿变化时，在所述数据处理系统控制下，实时跟踪所述合作目标靶板，使得所述合作目标靶板上的十字分划始终与所述光学成像系统中的电十字分划相重合。
[0024] 所述合作目标靶板放置于被测对象前方，使之能够被所述动态角度传感器上的高精度光学成像系统捕捉到。
[0025] 根据所述动态角度传感器与所述合作目标靶板之间的距离，选择跟踪不同粗细的十字分划，使得所述高精度光学成像系统获取到高清晰度的十字分划图像。
[0026] 测量过程中对图像序列进行实时分析处理，补偿因所述动态角度传感器对所述合作目标靶板十字分划的跟踪误差而造成的角度偏差。
[0027] 本发明将动态角度的测量转化为合作目标的识别与跟踪，通过动态角度传感器上的高精度光学成像系统对合作目标的识别和跟踪，巧妙地将被测角度变化量传递至动态角度传感器上，形成两轴伺服机构的俯仰角和方位角的变化量，而该变化量可通过内置的绝对光电编码器获取。本发明无需测量合作目标与被测对象之间的距离，既保留了激光跟踪测量系统角度测量精度高的优点，又大大降低了成本。本发明还可在动态角度测量过程中利用动态误差补偿模块进行软件误差补偿，从而进一步提高测量精度。
[0028] 本发明将激光跟踪测量系统的高动态性和视觉测量系统的低成本性相结合，形成了一种全新的动态角度测量方法，该方法的推广应用，将会大大降低角度测量设备的成本，提高角度测量精度、速度和自动化程度。
附图说明
[0029] 图1是本发明测量装置的结构示意图。
[0030] 图2是动态角度传感器的结构示意图。
[0031] 图3是本发明测量装置的使用状态参考图。
[0032] 图4是本发明的空间动态角度测量工作流程图。
[0033] 图5是动态误差补偿算法工作流程图。
[0034] 图中：1、动态角度传感器，2、合作目标靶板，3、数据处理系统， 4、两轴精密伺服机构，5、高精度光学成像系统，6、通用机械夹持机构，7、俯仰轴，8、滚转轴，9、被测对象。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图对本发明的空间动态角度测量装置和测量方法进行详细描述。
[0036] 如图1所示，本发明空间动态角度测量装置包括有动态角度传感器1、合作目标靶板2和数据处理系统3。动态角度传感器1用于检测被测对象动态角度的变化；合作目标靶板2作为被测对象动态角度变化的参照物；数据处理系统3与动态角度传感器1相连，对动态角度传感器1进行合作目标的搜索控制，并对检测的数据进行处理，以得到被测对象的空间动态角度值。
[0037] 如图2所示，动态角度传感器1由两轴精密伺服机构4、高精度光学成像系统5和通用机械夹持机构6所组成。其中，两轴精密伺服机构4的前部设置有承载平台，承载平台通过俯仰轴7与前部机体相接，前部机体通过滚转轴8与后部机体相接，滚转轴8的轴线与俯仰轴7的轴线在水平面内相互垂直。在两轴精密伺服机构4中内置有绝对光电编码器，绝对光电编码器可输出伺服机构动作的俯仰角和方位角。高精度光学成像系统5安装在两轴精密伺服机构4前端的承载平台上，在两轴精密伺服机构4的带动下，改变光学成像视场，并可获取高质量的图像。动态角度传感器1中的通用机械夹持机构6将动态角度传感器1本身固定于被测对象9的前端（图3）。
[0038] 如图3所示，合作目标靶板2设置在被测对象9的前部，与被测对象9相对，其靶板上具有粗细不同的十字分划，作为不同的参照物。根据被测对象9与合作目标靶板2的距离的不同，可选择粗细不同的十字分划作为具体的参照目标。一般来说，距离远时，应选择粗十字分划，以保证高精度光学成像系统5能够捕获到高清晰度的十字分划图像。
[0039] 数据处理系统3由控制电路、视觉合作目标识别跟踪模块、动态误差补偿模块和数据记录输出模块所组成。两轴精密伺服机构4和高精度光学成像系统5分别与数据处理系统3相连。数据处理系统3可控制动态角度传感器1跟踪合作目标靶板2上的十字分划，获取十字分划图像序列，读取绝对光电编码器的输出值；同时可根据十字分划图像序列进行高精度的动态误差补偿。
[0040] 下面结合机器人手臂空间姿态角度的测量，说明本发明动态角度测量方法的具体步骤：
[0041] 1、如图3所示，将本发明空间动态角度测量装置中的动态角度传感器1通过其上的通用机械夹持机构6固定于作为被测对象9的机器人手臂上；将合作目标靶板2置于被测对象9的前方。此时，动态角度传感器1前端的高精度光学成像系统5的中心指向与机器人手臂的中心重合，两轴精密伺服机构4中的绝对光电编码器输出归零。
[0042] 2、如图1所示，动态角度传感器1在数据处理系统3中的视觉合作目标识别跟踪模块的作用控制下，搜索合作目标靶板2上的十字分划，搜索到之后，继续调整动态角度传感器1中的两轴精密伺服机构4（图2），使得高精度光学成像系统5获取的十字分划图像与其上的电十字分划相重合，数据处理系统3记录此刻绝对光电编码器的输出值，并提示可以开始调整机器人手臂转动。
[0043] 3、在机器人手臂的转动过程中，动态角度传感器1在数据处理系统3的控制下始终跟踪合作目标靶板2上的十字分划，并使高精度光学成像系统5获取的十字分划图像与其上的电十字分划相重合，数据处理系统3实时存储被测对象转动过程中高精度光学成像系统5获取的十字分划图像序列，并实时记录绝对光电编码器的输出值。
[0044] 4、机器人手臂转动结束时，动态角度传感器1在数据处理系统3的控制下停止跟踪合作目标靶板2上的十字分划，数据处理系统3记录此刻绝对光电编码器的输出值。
[0045] 5、数据处理系统3针对机器人手臂在转动前、转动中以及停止后通过高精度光学成像系统5所获取的图像序列和在此过程中绝对光电编码器的输出值进行分析，并通过建立的空间角度传递模型以及通过动态误差补偿模块对动态跟踪误差补偿的计算，即可得到机器人手臂调整过程中的空间动态角度变化值；最后通过数据记录输出模块可以输出该测量数据。
[0046] 本发明空间动态角度测量的上述工作流程如图4所示。
[0047] 本发明所述的动态误差补偿算法的工作流程图如图5所示，在两轴精密伺服机构4动作过程中实时采集高精度光学成像系统5所获取的十字分划图像，根据其与电十字分划的偏移量建立和角度误差之间的补偿模型，对每个时刻的俯仰角和方位角的数值进行动态补偿，从而获得高精度动态角度测量结果。
