本发明提供了一种光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统及方法，包括：合作目标、单目视觉测量单元、激光跟踪测量单元以及计算单元；其中，所述合作目标固定设置在被测物上，所述单目视觉测量单元和所述激光跟踪测量单元分别固定设置在预设位置；通过将合作目标中四个特征靶标点分别设置在特定位置，在测量时利用单目视觉测量单元获取其中三个处于1/4圆弧上的特征靶标点的纵向投影比，进而根据该纵向投影比获取合作目标的滚动角度，最终计算得到合作目标相对于三维测量系统对应的第三坐标系的姿态角，即得到被测物的姿态角，该滚动角测量方法克服了现有技术中存在横滚角测量响应慢、更新率低等问题，提高了整个测量系统的动态测量性能。
1.一种光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统，其特征在于，包括：合作目标、单目视觉测量单元、激光跟踪测量单元以及计算单元；其中，所述合作目标固定设置在被测物上，所述单目视觉测量单元和所述激光跟踪测量单元分别固定设置在预设位置；
所述合作目标包括二维PSD模块、角锥棱镜以及四个特征靶标点；所述二维PSD模块包括二维PSD和数据处理子模块，所述角锥棱镜的透光面与所述二维PSD的感光面平行，且所述角锥棱镜的顶点与所述二维PSD的感光面相距预设距离设置，所述角锥棱镜的顶点处开有透光孔，所述激光跟踪测量单元发射的激光束经所述角锥棱镜的透光面后再通过所述透光孔打在所述二维PSD的感光面上形成光斑，所述四个特征靶标点构成的平面与所述二维PSD的感光面平行，所述四个特征靶标点分为第一特征靶标点、第二特征靶标点、第三特征靶标点以及第四特征靶标点，所述第一特征靶标点和所述第三特征靶标点分别设置在预设
1/4圆弧的两个端点，所述第二特征靶标点设置在所述预设1/4圆弧的中点，所述第一特征靶标点到所述第三特征靶标点之间连线的长度与所述第二特征靶标点到所述第四特征靶标点之间连线的长度的比值为预设值；
所述数据处理子模块用于获取所述光斑在第一坐标系中的坐标；其中，所述第一坐标系为处在所述感光面上的二维坐标系；
所述单目视觉测量单元用于通过所述四个特征靶标点获取所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度；其中，所述第二坐标系为原点与所述角锥棱镜的顶点重合的三维坐标系，且所述第二坐标系的Z轴通过所述第一坐标系的原点，所述第二坐标系的Z轴垂直于所述二维PSD的感光面；
所述激光跟踪测量单元用于获取所述角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标；其中，所述第三坐标系为所述激光跟踪测量单元的测量坐标系；
所述计算单元用于根据所述光斑在第一坐标系中的坐标和所述预设距离，获取所述光斑在所述第二坐标系中的坐标；根据所述角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第三坐标系中对应的第一空间向量，根据所述光斑在所述第二坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第二坐标系中对应的第二空间向量；根据所述第一空间向量、所述第二空间向量以及所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，获取所述合作目标在所述第三坐标系的姿态角，即得到所述被测物的姿态角；
在进行姿态角测量前，利用所述单目视觉单元的相机采集所述合作目标在水平状态下所述四个特征靶标点的第一图像，在进行姿态角测量时，利用所述单目视觉单元的相机采集所述四个特征靶标点的第二图像；
根据所述第一图像和所述第二图像获取所述第一特征靶标点、所述第二特征靶标点及所述第三特征靶标点的纵向投影比；
根据所述纵向投影比，得到所述合作目标在所述第二坐标系中的滚动角度；
其中，l为纵向投影比，y1、y2及y3分别为第一特征靶标点、第二特征靶标点及第三特征靶标点的在第二坐标系下的纵坐标；
2.根据权利要求1所述光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统，其特征在于，所述激光跟踪测量单元为激光跟踪仪或全站仪，所述单目视觉测量单元中的相机为CCD相机。
3.根据权利要求1所述光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统，其特征在于，在所述透光孔靠近所述二维PSD的一侧设置有圆形光阑。
4.根据权利要求1所述光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统，其特征在于，在所述二维PSD感光面上设置有滤光片。
5.根据权利要求1所述光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统，其特征在于，所述四个特征靶标点中的每个特征靶标点由强反射材料或红外LED制成。
6.一种利用权利要求1-5中任一项所述光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统进行姿态角测量的方法，其特征在于，包括：将所述合作目标固定设置在被测物上，并将所述单目视觉测量单元和所述激光跟踪测量单元分别固定设置在预设位置；
利用所述数据处理子模块获取所述光斑在第一坐标系中的坐标，利用所述单目视觉测量单元通过所述四个特征靶标点获取所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，利用所述激光跟踪测量单元获取所述角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标；根据所述光斑在第一坐标系中的坐标和所述预设距离，获取所述光斑在所述第二坐标系中的坐标；
根据所述角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第三坐标系中对应的第一空间向量，根据所述光斑在所述第二坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第二坐标系中对应的第二空间向量；
根据所述第一空间向量、所述第二空间向量以及所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，获取所述合作目标在所述第三坐标系的姿态角，即得到所述被测物的姿态角；
其中，所述利用所述单目视觉测量单元通过所述四个特征靶标点获取所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，具体包括：在进行姿态角测量前，利用所述单目视觉单元的相机采集所述合作目标在水平状态下所述四个特征靶标点的第一图像，在进行姿态角测量时，利用所述单目视觉单元的相机采集所述四个特征靶标点的第二图像；
根据所述第一图像和所述第二图像获取所述第一特征靶标点、所述第二特征靶标点及所述第三特征靶标点的纵向投影比；
根据所述纵向投影比，得到所述合作目标在所述第二坐标系中的滚动角度；
其中，l为纵向投影比，y1、y2及y3分别为第一特征靶标点、第二特征靶标点及第三特征靶标点的在第二坐标系下的纵坐标；
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述根据所述光斑在第一坐标系中的坐标和所述预设距离，获取所述光斑在所述第二坐标系中的坐标，具体包括：将所述光斑在所述第一坐标系中的横坐标和纵坐标，分别作为所述光斑在所述第二坐标系中的横坐标和纵坐标，将所述预设距离作为所述光斑的Z轴坐标，即得到所述光斑在所述第二坐标系中的坐标。
8.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述根据所述角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第三坐标系中对应的第一空间向量，根据所述光斑在所述第二坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第二坐标系中对应的第二空间向量，具体包括：将所述第三坐标系的原点作为起点，所述角锥棱镜的顶点作为终点，获取所述第一空间向量；将所述第二坐标系的原点作为起点，所述光斑作为终点，获取所述第二空间向量。
9.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述根据所述第一空间向量、所述第二空间向量以及所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，获取所述合作目标在所述第三坐标系的姿态角，具体包括：对所述第一空间向量和所述第二空间向量分别进行归一化处理，得到第一单位向量和第二单位向量；
根据所述第一单位向量和所述第二单位向量之间的欧拉变换公式和所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，获取所述第二坐标系相对于所述第三坐标系的姿态角，即得到所述合作目标在所述第三坐标系中的姿态角。
一种光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及精密测量技术领域，更具体地，涉及一种光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统及方法。
背景技术
[0002] 现代生产及建设中的位姿测量包含空间位置测量以及姿态测量，随着测量技术的发展，高精度、实时性姿态测量越来越普遍的应用于大型建造工程以及高精密设备制造领域，在工程建设及制造中对于提高生产效率、制造精度、施工合理性以及建设安全性有着重要影响。
[0003] 激光跟踪靶标法在长期的研究进程中取得了迅猛的发展，于国内外都有经典的工程实施应用。Leica公司基于激光跟踪仪开发的T系列六自由度测量装置，由固定于激光跟踪仪上部的高速相机配合目标单元上多个红外发光二极管完成姿态角测量；英国ZED仪器公司基于全站仪开发的自动导向系统，其姿态角测量依靠标靶内置的双轴倾角仪以及全站仪上额外安装的准直激光器；国内华中科技大学、上海交通大学、天津大学等利用全站仪配合由针孔棱镜、倾角传感器和CCD相机组成的激光靶标实现盾构机姿态测量。
[0004] 现阶段基于激光跟踪靶标法实现姿态角的测量，其中以针孔棱镜、倾角传感器和CCD相机配合全站仪的测量方法替代了基于视觉的激光跟踪仪姿态测量法，提高了系统对俯仰角和方位角的测量灵敏度。采用单/双轴倾角仪测量横滚角(滚动角度)时，单/双轴倾角仪将随合作目标旋转一定角度，其内含加速度计输出的是重力加速度在其敏感轴方向上的分量，经信号调理送入控制单元单片机中输出合作目标横滚角，但是该横滚角测量方法存在响应速度慢、测量更新率低等问题，严重制约了整个系统的动态测量性能。
发明内容
[0005] 本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统及方法。
[0006] 一方面本发明实施例提供了一种光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统，包括：合作目标、单目视觉测量单元、激光跟踪测量单元以及计算单元；其中，[0007] 所述合作目标固定设置在被测物上，所述单目视觉测量单元和所述激光跟踪测量单元分别固定设置在预设位置；
[0008] 所述合作目标包括二维PSD模块、角锥棱镜以及四个特征靶标点；所述二维PSD模块包括二维PSD和数据处理子模块，所述角锥棱镜的透光面与所述二维PSD的感光面平行，且所述角锥棱镜的顶点与所述二维PSD的感光面相距预设距离设置，所述角锥棱镜的顶点处开有透光孔，所述激光跟踪测量单元发射的激光束经所述角锥棱镜的透光面后再通过所述透光孔打在所述二维PSD的感光面上形成光斑，所述四个特征靶标点构成的平面与所述二维PSD的感光面平行，所述四个特征靶标点分为第一特征靶标点、第二特征靶标点、第三特征靶标点以及第四特征靶标点，所述第一特征靶标点和所述第三特征靶标点分别设置在预设1/4圆弧的两个端点，所述第二特征靶标点设置在所述预设1/4圆弧的中点，所述第一特征靶标点到所述第三特征靶标点之间连线的长度与所述第二特征靶标点到所述第四特征靶标点之间连线的长度的比值为预设值；
[0009] 所述数据处理子模块用于获取所述光斑在第一坐标系中的坐标；其中，所述第一坐标系为处在所述感光面上的二维坐标系；
[0010] 所述单目视觉测量单元用于通过所述四个特征靶标点获取所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度；其中，所述第二坐标系为原点与所述角锥棱镜的顶点重合的三维坐标系，且所述第二坐标系的Z轴通过所述第一坐标系的原点，所述第二坐标系的Z轴垂直于所述二维PSD的感光面；
[0011] 所述激光跟踪测量单元用于获取所述角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标；其中，所述第三坐标系为所述激光跟踪测量单元的测量坐标系；
[0012] 所述计算单元用于根据所述光斑在第一坐标系中的坐标和所述预设距离，获取所述光斑在所述第二坐标系中的坐标；根据所述角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第三坐标系中对应的第一空间向量，根据所述光斑在所述第二坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第二坐标系中对应的第二空间向量；根据所述第一空间向量、所述第二空间向量以及所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，获取所述合作目标在所述第三坐标系的姿态角，即得到所述被测物的姿态角。
[0013] 进一步地，所述激光跟踪测量单元为激光跟踪仪或全站仪，所述单目视觉测量单元中的相机为CCD相机。
[0014] 进一步地，在所述透光孔靠近所述二维PSD的一侧设置有圆形光阑。
[0015] 进一步地，在所述二维PSD感光面上设置有滤光片。
[0016] 进一步地，所述四个特征靶标点中的每个特征靶标点由强反射材料或红外LED制成。
[0017] 另一方面本发明实施例提供了一种利用上述光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统进行姿态角测量的方法，包括：
[0018] 将所述合作目标固定设置在被测物上，并将所述单目视觉测量单元和所述激光跟踪测量单元分别固定设置在预设位置；
[0019] 利用所述数据处理子模块获取所述光斑在第一坐标系中的坐标，利用所述单目视觉测量单元通过所述四个特征靶标点获取所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，利用所述激光跟踪测量单元获取所述角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标；
[0020] 根据所述光斑在第一坐标系中的坐标和所述预设距离，获取所述光斑在所述第二坐标系中的坐标；
[0021] 根据所述角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第三坐标系中对应的第一空间向量，根据所述光斑在所述第二坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第二坐标系中对应的第二空间向量；
[0022] 根据所述第一空间向量、所述第二空间向量以及所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，获取所述合作目标在所述第三坐标系的姿态角，即得到所述被测物的姿态角。
[0023] 进一步地，所述利用所述单目视觉测量单元通过所述四个特征靶标点获取所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，具体包括：
[0024] 在进行姿态角测量前，利用所述单目视觉单元的相机采集所述合作目标在水平状态下所述四个特征靶标点的第一图像，在进行姿态角测量时，利用所述单目视觉单元的相机采集所述四个特征靶标点的第二图像；
[0025] 根据所述第一图像和所述第二图像获取所述第一特征靶标点、所述第二特征靶标点及所述第三特征靶标点的纵向投影比；
[0026] 根据所述纵向投影比，得到所述合作目标在所述第二坐标系中的滚动角度。
[0027] 进一步地，所述根据所述光斑在第一坐标系中的坐标和所述预设距离，获取所述光斑在所述第二坐标系中的坐标，具体包括：
[0028] 将所述光斑在所述第一坐标系中的横坐标和纵坐标，分别作为所述光斑在所述第二坐标系中的横坐标和纵坐标，将所述预设距离作为所述光斑的Z轴坐标，即得到所述光斑在所述第二坐标系中的坐标。
[0029] 进一步地，所述根据所述角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第三坐标系中对应的第一空间向量，根据所述光斑在所述第二坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第二坐标系中对应的第二空间向量，具体包括：
[0030] 将所述第三坐标系的原点作为起点，所述角锥棱镜的顶点作为终点，获取所述第一空间向量；将所述第二坐标系的原点作为起点，所述光斑作为终点，获取所述第二空间向量。
[0031] 进一步地，所述根据所述第一空间向量、所述第二空间向量以及所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，获取所述合作目标在所述第三坐标系的姿态角，具体包括：
[0032] 对所述第一空间向量和所述第二空间向量分别进行归一化处理，得到第一单位向量和第二单位向量；
[0033] 根据所述第一单位向量和所述第二单位向量之间的欧拉变换公式和所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，获取所述第二坐标系相对于所述第三坐标系的姿态角，即得到所述合作目标在所述第三坐标系中的姿态角。
[0034] 本发明实施例提供了一种光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统及方法，通过将合作目标中四个特征靶标点分别设置在特定位置，在测量时利用单目视觉测量单元获取其中三个处于1/4圆弧上的特征靶标点的纵向投影比，进而根据该纵向投影比获取合作目标的滚动角度，最终计算得到合作目标相对于三维测量系统对应的第三坐标系的姿态角，即得到被测物的姿态角，该滚动角测量方法克服了现有技术中存在横滚角测量响应慢、更新率低等问题，提高了整个测量系统的动态测量性能。
附图说明
[0035] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036] 图1为本发明实施例提供的一种光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统的结构示意图；
[0037] 图2为本发明实施例提供的一种合作目标的俯视图；
[0038] 图3为图2中所示合作目标的A-A向剖视图；
[0039] 图4为本发明实施例提供的一种利用上述光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统进行姿态角测量的方法的流程图。
具体实施方式
[0040] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041] 图1为本发明实施例提供的一种光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统的结构示意图，如图1所示，包括：合作目标1、单目视觉测量单元2、激光跟踪测量单元3以及计算单元；其中，
[0042] 所述合作目标1固定设置在被测物上，所述单目视觉测量单元2和所述激光跟踪测量单元3分别固定设置在预设位置；
[0043] 如图2-3所示，所述合作目标1包括二维PSD模块11、角锥棱镜12以及四个特征靶标点13；所述二维PSD模块11包括二维PSD和数据处理子模块，所述角锥棱镜12的透光面与所述二维PSD的感光面平行，且所述角锥棱镜12的顶点与所述二维PSD的感光面相距预设距离设置，所述角锥棱镜12的顶点处开有透光孔，所述激光跟踪测量单元3发射的激光束经所述角锥棱镜12的透光面后再通过所述透光孔打在所述二维PSD的感光面上形成光斑，所述四个特征靶标点构成的平面与所述二维PSD的感光面平行，所述四个特征靶标点分为第一特征靶标点、第二特征靶标点、第三特征靶标点以及第四特征靶标点，所述第一特征靶标点和所述第三特征靶标点分别设置在预设1/4圆弧的两个端点，所述第二特征靶标点设置在所述预设1/4圆弧的中点，所述第一特征靶标点到所述第三特征靶标点之间连线的长度与所述第二特征靶标点到所述第四特征靶标点之间连线的长度的比值为预设值；
[0044] 其中，合作目标1固定设置在被测物体上随被测物体一起运动，合作目标的姿态角即为被测物体的姿态角。单目视觉测量单元2和激光跟踪测量单元3在测量时固定设置于预设位置，该预设位置可以根据实际需求进行设定，在此不做限定。
[0045] 如图2所示，第一特征靶标点、第二特征靶标点、第三特征靶标点以及第四特征靶标点分别对应F1、F2、F3及F4，F1、F2及F3等间隔设置在预设1/4圆弧上，且F1、F3分别设置在预设1/4圆弧的两个端点，预设1/4圆弧的直径大小根据实际合作目标的外形尺寸确定，在此不做限定。将F1F3/F2F4设置为预设值，便于在后续图像处理过程中通过F4来确定F1、F2、F3。
[0046] 具体地，在测量时，激光跟踪测量单元3向合作目标1发射激光束，激光束先经过角锥棱镜12的透光面后，在角锥棱镜12顶点处部分激光束沿原路返回，部分激光束通过顶点处的透光孔打在二维PSD的感光面上形成光斑。同时，单目视觉测量单元2的相机可以对四个特征靶标点13进行图像采集。
[0047] 所述数据处理子模块用于获取所述光斑在第一坐标系中的坐标；其中，所述第一坐标系为处在所述感光面上的二维坐标系；
[0048] 所述单目视觉测量单元用于通过所述四个特征靶标点获取所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度；其中，所述第二坐标系为原点与所述角锥棱镜的顶点重合的三维坐标系，且所述第二坐标系的Z轴通过所述第一坐标系的原点；
[0049] 所述激光跟踪测量单元用于获取所述角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标；其中，所述第三坐标系为所述激光跟踪测量单元的测量坐标系；
[0050] 所述计算单元用于根据所述光斑在第一坐标系中的坐标和所述预设距离，获取所述光斑在所述第二坐标系中的坐标；根据所述角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第三坐标系中对应的第一空间向量，根据所述光斑在所述第二坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第二坐标系中对应的第二空间向量；根据所述第一空间向量、所述第二空间向量以及所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，获取所述合作目标在所述第三坐标系的姿态角，即得到所述被测物的姿态角。
[0051] 其中，第一坐标系可以理解为二维PSD感光面的内部坐标系，可以通过数据处理子模块直接读取其上光斑在第一坐标系中的坐标。第二坐标系可以理解为对应于合作目标的坐标系，第二坐标系在合作目标运动(即被测物运动)时，也跟随合作目标做相应的运动，故第二坐标系相对于第三坐标系的姿态角即为合作目标在第三坐标系中的姿态角。激光跟踪测量单元3发射的激光束对应的空间向量既可以用第三坐标系中的点表示，又可以用第二坐标系中的点表示，即第一空间向量和第二空间向量，两者的归一化后的单位向量实质上是相同向量的不同表现形式，根据这一关系，在得出第一空间向量和第二空间向量之间的变换关系时，即可得到第二坐标系相对于第三坐标系的姿态角，进而得到合作目标在第三坐标系中的姿态角。
[0052] 具体地，根据光斑在第一坐标系中的坐标和预设距离，获取光斑在第二坐标系中的坐标；根据角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标，获取激光束在第三坐标系中对应的第一空间向量，根据光斑在第二坐标系中的坐标，获取激光束在第二坐标系中对应的第二空间向量；根据第一空间向量、第二空间向量以及合作目标在第二坐标系中的滚动角度，获取合作目标在第三坐标系的姿态角，即得到被测物的姿态角。
[0053] 本发明实施例提供了一种光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统，通过将合作目标中四个特征靶标点分别设置在特定位置，在测量时利用单目视觉测量单元获取其中三个处于1/4圆弧上的特征靶标点的纵向投影比，进而根据该纵向投影比获取合作目标的滚动角度，最终计算得到合作目标相对于三维测量系统对应的第三坐标系的姿态角，即得到被测物的姿态角，该滚动角测量方法克服了现有技术中存在横滚角测量响应慢、更新率低等问题，提高了整个测量系统的动态测量性能。
[0054] 在上述实施例中，所述激光跟踪测量单元为激光跟踪仪或全站仪，所述单目视觉测量单元中的相机为CCD相机。
[0055] 具体地，激光跟踪测量单元为激光跟踪仪或全站仪，在实际测量时，可以根据精度需求进行选用。
[0056] 在上述实施例中，在所述透光孔靠近所述二维PSD的一侧设置有圆形光阑。
[0057] 具体地，通过在透光孔靠近二维PSD一侧设置圆形光阑，可以减弱衍射现象。
[0058] 在上述实施例中，在所述二维PSD感光面上设置有滤光片。
[0059] 具体地，在二维PSD感光面上设置滤光片，可以减少自然光对数据稳定性的干扰。
[0060] 在上述实施例中，所述四个特征靶标点的数量至少为6个，且每个特征靶标点由强反射材料或红外LED制成。
[0061] 图4为本发明实施例提供的一种利用上述光电位置传感器与单目视觉组合姿态测量系统进行姿态角测量的方法的流程图，如图4所示，包括：
[0062] S401，将所述合作目标固定设置在被测物上，并将所述单目视觉测量单元和所述激光跟踪测量单元分别固定设置在预设位置；
[0063] S402，利用所述数据处理子模块获取所述光斑在第一坐标系中的坐标，利用所述单目视觉测量单元通过所述四个特征靶标点获取所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，利用所述激光跟踪测量单元获取所述角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标；
[0064] S403，根据所述光斑在第一坐标系中的坐标和所述预设距离，获取所述光斑在所述第二坐标系中的坐标；
[0065] S404，根据所述角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第三坐标系中对应的第一空间向量，根据所述光斑在所述第二坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第二坐标系中对应的第二空间向量；
[0066] S405，根据所述第一空间向量、所述第二空间向量以及所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，获取所述合作目标在所述第三坐标系的姿态角，即得到所述被测物的姿态角。
[0067] 在步骤S401中，合作目标固定设置在被测物体上随被测物体一起运动，合作目标的姿态角即为被测物体的姿态角。单目视觉测量单元和激光跟踪测量单元在测量时固定设置于预设位置，该预设位置可以根据实际需求进行设定，在此不做限定。
[0068] 在步骤S402-S405中，第一坐标系可以理解为二维PSD感光面的内部坐标系，可以通过数据处理子模块直接读取其上光斑在第一坐标系中的坐标。第二坐标系可以理解为对应于合作目标的坐标系，第二坐标系在合作目标运动(即被测物运动)时，也跟随合作目标做相应的运动，故第二坐标系相对于第三坐标系的姿态角即为合作目标在第三坐标系中的姿态角。激光跟踪测量单元发射的激光束对应的空间向量既可以用第三坐标系中的点表示，又可以用第二坐标系中的点表示，即第一空间向量和第二空间向量，两者的归一化后的单位向量实质上是相同向量的不同表现形式，根据这一关系，在得出第一空间向量和第二空间向量之间的变换关系时，即可得到第二坐标系相对于第三坐标系的姿态角，进而得到合作目标在第三坐标系中的姿态角。
[0069] 本发明实施例提供了一种姿态角测量方法，通过将合作目标中四个特征靶标点分别设置在特定位置，在测量时利用单目视觉测量单元获取其中三个处于1/4圆弧上的特征靶标点的纵向投影比，进而根据该纵向投影比获取合作目标的滚动角度，最终计算得到合作目标相对于三维测量系统对应的第三坐标系的姿态角，即得到被测物的姿态角，该滚动角测量方法克服了现有技术中存在横滚角测量响应慢、更新率低等问题，提高了整个测量系统的动态测量性能。
[0070] 在上述实施例中，所述利用所述单目视觉测量单元通过所述四个特征靶标点获取所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，具体包括：
[0071] 在进行姿态角测量前，利用所述单目视觉单元的相机采集所述合作目标在水平状态下所述四个特征靶标点的第一图像，在进行姿态角测量时，利用所述单目视觉单元的相机采集所述四个特征靶标点的第二图像；
[0072] 根据所述第一图像和所述第二图像获取所述第一特征靶标点、所述第二特征靶标点及所述第三特征靶标点的纵向投影比；
[0073] 根据所述纵向投影比，得到所述合作目标在所述第二坐标系中的滚动角度。
[0074] 其中，在进行姿态角测量前，合作目标在水平状态时，其相对于第三坐标系的旋转角为0。
[0075] 具体地，纵向投影比的计算公式如下：
[0076] l＝(y1-y2)/(y2-y3)
[0077] 其中，l为纵向投影比，y1、y2及y3分别为第一特征靶标点、第二特征靶标点及第三特征靶标点的在第二坐标系下的纵坐标。
[0078] 利用纵向投影比计算滚动角度，具体计算公式如下：
[0079]
[0080] 其中， 为滚动角度。
[0081] 在上述实施例中，所述根据所述光斑在第一坐标系中的坐标和所述预设距离，获取所述光斑在所述第二坐标系中的坐标，具体包括：
[0082] 将所述光斑在所述第一坐标系中的横坐标和纵坐标，分别作为所述光斑在所述第二坐标系中的横坐标和纵坐标，将所述预设距离作为所述光斑的Z轴坐标，即得到所述光斑在所述第二坐标系中的坐标。
[0083] 具体地，由于第二坐标系的Z轴通过第一坐标系的原点，且第二坐标系的Z轴垂直于所述二维PSD的感光面，即光斑在第一坐标系中的横坐标和纵坐标与其在第二坐标系中的横坐标和纵坐标相同。同时，由于角锥棱镜的顶点与二维PSD的感光面相距预设距离设置，故可以知道光斑的Z轴坐标值等于预设距离。
[0084] 预设距离的设置可以根据被测物相对于第三坐标系运动的角度ε确定，具体计算公式如下：
[0085]
[0086] 其中，h为预设距离，L为二维PSD感光面的边长。
[0087] 在上述实施例中，所述根据所述角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第三坐标系中对应的第一空间向量，根据所述光斑在所述第二坐标系中的坐标，获取所述激光束在所述第二坐标系中对应的第二空间向量，具体包括：
[0088] 将所述第三坐标系的原点作为起点，所述角锥棱镜的顶点作为终点，获取所述第一空间向量；将所述第二坐标系的原点作为起点，所述光斑作为终点，获取所述第二空间向量。
[0089] 具体地，第一空间向量的坐标值可以根据第三坐标系的原点的坐标值和角锥棱镜的顶点在第三坐标系中的坐标值计算得到。同样，第二空间向量的坐标值可以根据第二坐标系的原点和光斑在第二坐标系中的坐标值计算得到。
[0090] 在上述实施例中，所述根据所述第一空间向量、所述第二空间向量以及所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，获取所述合作目标在所述第三坐标系的姿态角，具体包括：
[0091] 对所述第一空间向量和所述第二空间向量分别进行归一化处理，得到第一单位向量和第二单位向量；
[0092] 根据所述第一单位向量和所述第二单位向量之间的欧拉变换公式和所述合作目标在第二坐标系中的滚动角度，获取所述第二坐标系相对于所述第三坐标系的姿态角，即得到所述合作目标在所述第三坐标系中的姿态角。
[0093] 具体地，根据实际测量情况获取第一空间向量O3O2、第二空间向量O2P，进而归一化处理获得第一单位向量 第二单位向量 在对第一单位向量和第二单位向量进行欧拉变换时，具体计算公式如下：
[0094]
[0095] Rr＝(y,τ)R(x,σ)RR(z,ω)
[0096]
[0097] 其中，σ、τ、ω表示第二坐标系依次绕其自身X轴旋转σ角、旋转后的坐标系绕其自身Y轴旋转τ角、旋转后的坐标系绕其自身Z轴旋转ω角；Rr为第二坐标系相对于第三坐标系变换的右乘旋转矩阵；RrT为Rr的转置矩阵； 为第二坐标系相对于第三坐标系变换的左乘旋转矩阵；
[0098] 在对所述第三坐标系中的姿态角α,β,γ计算时，具体计算公式如下：
[0099]
[0100]
[0101]
[0102] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
