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专利号: 2018115625511
申请人: 重庆邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-02-26
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于隅角镜的光电自准直仪的测角方法,其特征在于,包括以下步骤:

1)用旋转标准隅角镜各个镜面的方法得到具有如下结构角的隅角镜,使得各隅角镜面满足以下关系:∠2_3=90°-δ2,∠1_2=90°-δ1,∠1_3=90°-δ3,其中δ2、δ1、δ3分别为隅角镜的反射面2绕其OX轴旋转的角度、反射面1绕OZ轴旋转的角度、反射面1绕反射面1和3的交线旋转的角度,隅角镜反射面1、2、3面所对应的镜面矩阵为R1、R3、R2,标准单位向量n1、n2、n3,反射矩阵M1、M2、M3;

2)分析隅角镜内光的反射情况,根据入射光沿隅角镜三个反射镜面反射顺序的不同分为6束光,将反射顺序相反数的两束光标记为一对,并推导出每一束光的反射矩阵及反射光向量B;

3)构建测量系统,用该隅角镜替换自准直仪的反射镜,分别建立旋转物体坐标系统XYZ与自准直仪坐标系统X0Y0Z0,推导出两个坐标系的坐标变换矩阵Rt,进而得到反射光束的单位向量与隅角镜各个面的旋转角度之间的关系;

4)根据反射光束在光电传感器上的成像情况得出光斑位移量与旋转物体转角的关系:从而实现对旋转物体偏转角的测量

其中Θ1、Θ2分别为旋转物体绕其坐标系的X轴和Y轴的俯仰角和偏航角,δ为一微小角度, 为隅角镜的角灵敏度。

2.根据权利要求1所述的一种基于隅角镜的光电自准直仪的测角方法,其特征在于,所述步骤1)具体包括:首先,所述隅角镜的反射面2绕其OX轴旋转-δ23,得到反射面2和3之间的角度∠2_3=90°-δ2,相应的旋转矩阵R1:然后,反射面1绕隅角镜的OZ轴旋转-δ12,得到反射面1和2之间的角度∠1_2=90°-δ1,相应的旋转矩阵R3:最后,反射面1绕反射面1和3的交线旋转δ13,得到反射面1和3之间的角度∠1_3=90°-δ3,相应的旋转矩阵R2:经三次旋转后,隅角镜三面反射面1、2、3所对应的标准单位向量分别为:其中δ2=δ23,δ3=δ31, 示,根据公式(4)和(5),可得到δ12:当δ1≈δ2≈δ3=1°时,式(7)简化为

δ12=δ1+δ2·δ3   (8)

隅角镜的参考坐标系l可表示为

隅角镜的三反射面的反射矩阵遵循式(10):

则以上公式可以得出三个反射面的反射矩阵:

其中,M1、M2和M3分别为反射面1、2和3的反射矩阵。

3.根据权利要求2所述的一种基于隅角镜的光电自准直仪的测角方法,其特征在于,所述步骤2)具体包括:入射光沿隅角镜三个反射镜面反射顺序的不同可分为6束光,将反射顺序相反数的两束光标记为一对,分别为:1-2-3和3-2-1、2-1-3和3-1-2、1-3-2和2-3-1,反射顺序为3-2-1、3-1-2和1-3-2的反射光束的反射矩阵可依据反射顺序以及各镜面的反射矩阵的点积计算得到:M321=(a1 b1 c1) (14)

M312=(a2 b2 c2) (15)

M132=(a3 b3 c3) (16)

其中

反射顺序为3-2-1、3-1-2和3-2-1反射光束的反射矩阵中sin(δ)取负;

取反射顺序为2-1-3与3-1-2的反射光进行分析,其反射矩阵分别为M312和M213,入射光的单位矢量A平行于隅角镜的参考坐标系的单位向量l,则A=-l    (26)

为了保证反射光向量B与向量A平行,向量B应满足以下条件:B=M312·A=M312·(-l)=l(27)B和l的坐标分量应满足以下关系:

则由式(15)、式(27)、式(28)和式(29)得出有效结构角的表达式:δ12=δ,δ2=k1·δ,δ3=k2·δ     (30)其中,k1≈-1,k2≈1,当δ≤1°,其误差小于0.5%,而δ1可由式(8)和式(30)得出:2

δ1=δ+δ    (31)

则反射矩阵M312可以化简为:

当δ≤5°时,sin(δ)≈δ, 反射矩阵M312的误差小于0.1%,M213的表达式中δ的符号与之相反。

4.根据权利要求3所述的一种基于隅角镜的光电自准直仪的测角方法,其特征在于,所述步骤3)的测量系统,是用旋转之后的隅角镜替换自准直仪的反射镜,并将旋转物体紧贴于隅角镜上,分别建立旋转物体坐标系统XYZ与自准直仪坐标系统X0Y0Z0,得到旋转物体隅角镜坐标系与自准直仪坐标系中反射顺序为3-1-2的反射光的反射矩阵关系:M312=Rt·M0-312·RtT    (33)其中M0-312与M312分别为坐标系X0Y0Z0与XYZ下的反射矩阵,Rt为坐标变换矩阵。X、Y和Z轴的变换角度分别为 ν和ψ,并且当 ν=0, 时,Rt:那么反射矩阵M312可表示为:

反射光束的单位向量B312可以表示为:

A0=(0 0 -1)T,为入射光束的单位向量。

5.根据权利要求3所述的一种基于隅角镜的光电自准直仪的测角方法,其特征在于,所述隅角镜的俯仰角和偏航角分别为Θ1、Θ2时,反射顺序为3-1-2的反射光的单位向量B312:B312=Rr·M312·RrT·A(37)其中,Rr=R1·R2,且R1与R2为:

式(37)为:

分析反射光束在光电传感器上的成像情况,当俯仰角与偏航角发生变化时,光束的成像将沿着自准直仪的OX0与OY0轴移动,相应的光斑的位移差分别为dBx=Bx-B0x与dBy=By-B0y。根据公式(40)得到光斑位移量与旋转物体转角的关系:当Θ1≤8°,Θ2≤8°,δ≤1°时,计算误差小于1%。

而俯仰角Θ1与偏航角Θ2可由式(41)与式(42)推出:其中,K为隅角镜的角敏感度,其与δ成正比,根据以上公式可实现对旋转物体旋转角测量。