專利名稱：一種實時測量運動體位移姿態角的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種實時測量運動物體位移和姿態角的裝置。由于許多運動物體的運動規律不確定，所處的環境復雜，自身負載能力有限，無法直接進行接觸測量。選種情況下目前，主要采用機械掃描式和固體攝像式兩種測量裝置對運動物體的位移和姿態角進行測量。機械掃描式測量裝置主要由三部分組成，光源部分、機械掃描部分和信號處理部分，光源部分主要包括控制電路和發光元件，機械掃描部分主要包括棱鏡、電機和光電接收元件，信號處理部分主要由濾波電路、放大電路和單片機組成，其工作原理是將一組或多組光源固定在被測物體上，然后將至少兩套機械掃描裝置放置在距光源一定的距離，成一定的角度布置，控制光源發出頻率相同而相位不同的光脈沖，電機驅動機械掃描裝置轉動，光電接收器件將光信號轉換成電信號進到信息處理單元進行處理、解算，從而求出光源在空間的一維或二維坐標，并由此求出物體的兩個姿態角。這種測量裝置由于受機械掃描裝置限制，實時性較差，測量精度低，且由于有電機存在，整個測量系統的結構重量較重，所以在實際使用中受到了限制；固體攝像式測量裝置由光源、固體攝像機和信號處理部分組成，它也是將一組或多組光源固定在被測物體上，固體攝像機作為測量元件，將光信號變成電信號，再由信息處理部分進行象素處理、運算，從而求出光源坐標，再由光源坐標求出被測物體的位移和姿態角，這種測量裝置要處理的信息量大，致使實時性比較差，測量精度由固體攝像機分辨率所限制，所以精度較低，而且攝像機本身較重，使得重量無法降低。
本發明的目的在于克服已有技術的不足，提供一種實時性好、測量精度高、抗干擾能力強，且結構重量輕的實時測量運動物體的位移和姿態角的裝置。
本發明的目的是通過以下措施實現的一種實時測量運動物體位移和姿態角的裝置包括一組或多組光源及光源驅動器、一組或多組測量單元和一個信息處理單元，其特點在于上述的測量單元由選擇光束或光面的裁光板和光照位移傳感器組成，上述的裁光板置于上述光源和上述光照位移傳感器之間，并與上述的光照位移傳感器平行放置。光源驅動器控制光源發出光脈沖，由光照位移傳感器對透過裁光板的光照位移進行測量，信息處理單元根據測得的光照位移量確定不同的光面方程，求解相應的發光點的坐標，再由發光點的坐標求解運動物體的位移和姿態角。
本發明與現有技術相比具有如下優點1.由于采用裁光板和光照位移傳感器作為測量元件，使得本發明可以使用紅外光源作為光源，因此該裝置對周圍的電磁環境和照明環境干擾比較小，抗干擾能力也較強。
2.由于光照位移傳感器的分辨率比較高，一般可這幾微米量級，通過它可以取得高精度的光源坐標，進而獲得高的位移和姿態角精度，因此本發明測量精度高。
3.由于本發明的測量范圍可以通過縮短裁光板與光照位移傳感器之間的距離而擴大，而且光照位移傳感器的分辨率有較大的余度，因此本發明可以在同樣精度條件下比機械掃描測量裝置具有更大的測量范圍。
4.由于本發明采用光照位移傳感器對光照位移進行直接測量，沒有機械環節和圖像處理環節，所以本發明采樣速度和數據處理的速度都比較高，比機械掃描式測量裝置和固體攝像式測量的實時性都好，機械掃描式和固體攝像式的測量延遲一般大于30毫秒，本系統可使延遲時間控制在10毫秒以內。
5.由于裁光板和光照位移傳感器都結構簡單，質量較小，所以本發明總的結構重量較輕。
下面結合附圖及實施例對本發明進一步詳細說明。
圖1為本發明的組成原理框圖；圖2為本發明測量單元一種結構簡圖；圖3為本發明測量單元另一種結構簡圖；圖4為本發明信息處理單元原理框圖；圖5為本發明信息處理單元電原理圖；圖6為本發明解算光源坐標示意圖；圖7為本發明實時測量程序框圖。
參見附圖1、2、3，固定在被測物體上的光源1采用紅外點光源，幾個發光點合稱為一組，根據測量范圍的大小可以選用多組光源，本實施例采用3個發光點為一組的光源，光源1隨著被測物體在裁光板3即A′B′C′D′正前30公分處直徑為半米的球內，即測量范圍內運動。光源驅動器2控制光源1使其發出頻率相同而相位不同的光脈沖，裁光板3和光照位移傳感器4組成測量單元，并由光照位移傳感器4對透過裁光板3的光照位移進行測量。裁光板3的作用是完成對光束或光面的選取，光照位移傳感器4的作用是測定光照位移量，它是一種半導體器件，在接收光照信號后，兩極輸出電流，兩極電流的偏差與光照位移成線性關系，與光強無關。裁光板3有兩種設計結構，第一種是在薄的透光材料下面鍍一層遮光膜，然后在遮光膜上刻畫三條不全平行的透光縫6，參見附圖2，透光縫6的長度根據測量范圍大小來選擇，如果測量范圍大，需要光源投射的角度就大，那么透光縫6的長度就要長一些，一般取3-50毫米，透光縫6寬度可根據光強和精度選取，如果測量精度高，光強度高，那么透光縫6就要窄一些，一般在100-500微米之間選取，對于圖2的裁光板需要采用一維光照位移傳感器4來測量，該一維傳感器4與裁光板平行放置，其敏感面對著裁光板，當一維傳感器4的敏感面大小確定時，兩者之間的距離00′與測量范圍成反比，當測量范圍確定時，兩者之間的距離00′與光照位移傳感器4的敏感面的長度成正比，即根據不同的測量范圍要求和光照位移傳感器敏感面的尺寸來選取裁光板與傳感器之間的距離。當光源1發光時，三個透光縫6各取某一光面，投射于相應一維光照位移傳感器敏感面上，一維光照位移傳感器4即可測出沿相應方向上的光照位移。裁光板3的另一設計結構是在薄的透光材料下面鍍一層遮光膜，在遮光膜上加工三個微型透光孔7，參見附圖3，微型透光孔7的直徑根據光強和精度要求在100-500微米中間選取，對于圖2的裁光板需要采用二維光照位移傳感器4′來測量，該二維光照位移傳感器4′與裁光板也平行放置，其敏感面也需對著裁光板，兩者之間的距離也是與測量范圍成反比，與該二維光照位移傳感器4′的敏感面尺寸成正比。當光源1發光時，微型透光孔7選取不同的光束線，投射于二維光照位移傳感器4′的敏感面上，該二維光照位移傳感器4′測出光束在敏感面上的光照位移量，之后再由信息處理單元5根據光照位移量確定三個不同的光面方程，再由光面方程實時解算出每個發光點的坐標，根據發光點的坐標再求出位移和姿態角。
參見附圖4，信息處理單元5由信號提取電路和完成實時解算與控制系統的單片機系統組成。信號提取電路由放大電路51、求差電路52、求和電路53、求比電路54、采樣保持電路55、A/D轉換電路56、實時解算控制部件單片機系統57組成。光照位移傳感器4輸出的光照位移量經放大電路51放大后分兩路，一路進入求差電路52，對放大了的光照位移信號進行求差運算，另一路進入求和電路53，對放大了的光照位移信號進行求和運算，求差電路52和求和電路53的輸出經求比電路54進行求比運算后，使光照位移信號轉化成具有一定精度的可分辨的模擬信號，該模擬信號由采樣保持電路55、A/D轉換電路56轉換成數字信號后，送到實時解算控制單片機系統57中處理，完成實時計算，單片機系統57同時還控制光源驅動器2驅動光源1。
參見附圖5，三個光照位移傳感器4，測量的光照位移量首先經0P1-0P6運算放大對其進行放大，再由OP7、0P9、0P11對信號求和，由0P8、OP10、0P12對信號求差，AD734、AD7342、AD7343對求出的差與和信號求比，LP3981-LE3983對三個通道的光照位移信號實時進行采樣保持，AD5741-AD5743則對相應的LF3981-LF3983輸出的信號進行模數轉換，轉換完成后由8255統一輸入單片機系統8098中，由8098、6264、2764、8255、74LS133、74LS138一起構成實時運算和控制模塊。光源驅動電路2由MC1413和相應的發光管組成，最終的計算結果也由8255通過PA口輸出。
參見附圖6，解算光源坐標的具體過程如下建立如圖6所示的直角坐標系，假設采用加工有透光縫6的栽光板，且設w為透光縫6的長度，l表示坐標原點到三個透光縫6的距離，h表示透光縫6到光照位移傳感器4敏感面的距離，p1、p2、p3為三個光照位移傳感器測得的光照位移量，則有如下三個點同處于一個光面AP上，可表示為(l，w，h)，(l，-w，h)，(l+p1，0，0)；同理在BP平面上也有三個點分別可表示為(w，l，h)，(-w，l，h)，(0，l+p2，0)；在CP平面上有三個點分別可表示為(w，-l，h)，(-w，-l，h)，(O，-l+p3，0)，因為標準的平面方程為 AX+BY+CZ＝D將AP平面上的三個點的坐標分別代入其中得 解得B＝0，C＝p1Ah，D＝(l+p1)A故，X+p1Z/h＝l+P1 (1)同理BP平面有Y+p2Z/h＝l+p2 (2)CP平面有
Y+p1Z/h＝-l+p3 (3)解(1)、(2)、(3)組成的聯立方程得 (4)就是光源坐標算法表達式，按照該表達式可以求出一組中三個不同的光源坐標。
根據上述三個光源坐標即可求出運動物體的位移和姿態角，具體過程如下假設上述一組光源的三個發光點，相對距離為10公分，解出的坐標為Q1(x1，y1，z1)、Q2(x2，y2，z2)和Q3(x3，y3，z3)，設01為Q1Q2的中點，則有O1((x1+x2)/2，(y1+y2)/2，(z1+z2)/2)則向量Q1Q2的表達式為(x2-x1，y2-y1，z2-z1)，向量O1Q3的表達式為(x3-(x1+x2)/2，y3-(y1+y2)，z3-(z1+z2)/2)，由向量投影的基本原理得Q1Q2沿Z軸的投影為|Q1Q2|z＝z2-z1所以，運動物體沿水平方向上的轉動角度為DA＝arcsin(|Q1Q2|z/|Q1Q2|)-a0＝arcsin((z2-z1)/10)-a0同理可得|Q1Q3|z＝z3(z1+z2)/2，
|Q1Q3|x＝x3-(x2-x1)/2DB＝arcsin(|Q1Q|z/Q1Q3|)-b0＝arcsin((z3-(z2+z1)/2/0.866×10)-b0DR＝arcsin(|Q1Q3|x/|Q1Q3|)-r0＝arcsin((x3-(x2+x1)/2)/0.866×10)-r0則DA、DB和DR就是所求的運動物體的姿態角，a0、b0和r0為初始姿態角。
對于位移的求解過程如下因為Q1Q2＝(x2-x1，y2-y1，z2-z1)，Q1Q3＝(x3-x1，y3-y1，z3-z1)，根據向量積的運算可知其法向向量n為ijkx2-x1y2-y1z2-z1x3-x1y3-y1z3-z1]]>＝((y2-y1)(z3-z1)-(y3-y1)(z2-z1)i((z2-z1)(z3-z1)-(x3-x1)(z2-z1)j((x2-x1)(y3-y1)-(x3-x1)(y2-y1)k＝Nxi+Nyj+Nzk同樣由向量積的運算法則可知它的模為0.866×102由此可知運動物體的位移DX、DY和DZ分別為DZ＝(x1+x2+x3)/3-m×Nx/0.8660×102-x0DY＝(y1+y2+y3)/3-m×Ny/0.866×102-y0DX＝(z1+z2+z3)/3-m×Nz/0.866×102-z0這就是所求的運動物體位移表達式。上式中的x0、y0、z0為初始X、Y、Z值，m為運動物體中心到光源中心的距離。
本發明是一種實時測量裝置，在裝置工作時，可以對位移和姿態角進行連續實時的檢測，實際工作程序參見附圖6，首先進行系統初始化，對于單片機和環境參數進行設置，接著單片機系統控制光源驅動器驅動光源發光，光脈沖形成的光照位移信號由光照位移傳感器接收，單片控制開始采樣，采樣完成后開始保持，并啟動AD轉換電路完成轉換，控制8255開始讀取數據并存貯，由8098CPU進行數據預處理，按上面所述方法求解光源坐標，進一步求出被測對象的位移和姿態角，一面將位移和姿態角輸出，一面根據姿態角的范圍確定下一次應對哪一組光源進行測量，確定后即控制光源發光，又重復上述過程，這樣即可反復進行實時測量。
本發明因為具有上述優點，在飛行模擬器、飛機或坦克頭盔瞄準具上擁有廣泛的應用前景。下面以飛行模擬器頭位跟蹤系統中的應用情況為例說明其使用情況。將光源固定在駕駛員頭盔上，將測量單元放在座艙上光源可照到的一側，信息處理單元放在座艙附近，設置好初始參數，啟動本裝置工作，則本裝置可實時高速(延遲不超過10毫秒)將駕駛員的頭部位移和姿態角送給主控計算機，用此信號可對視景進行切換控制和對要攻擊的目標進行跟蹤攻擊。
權利要求
1.一種實時測量運動物體位移和姿態角的裝置，它包括一組或多組光源及光源驅動器、一組或多組測量單元和一個信息處理單元，其特征在于上述的測量單元由選擇光束或光面的裁光板和光照位移傳感器組成，上述的裁光板置于上述光源和上述光照位移傳感器之間，并與光照位移傳感器平行放置。
2.根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于上述裁光板由薄的透光材料及在其下面鍍的一層遮光膜組成，并在遮光膜上記刻畫三條不全平行的透光縫或在遮光膜上加工出三個微型透光孔。
3.根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于光照位移傳感器敏感面長度確定時，裁光板與光照位移傳感器之間的距離與測量范圍成反比，測量范圍確定時，裁光板與光照位移傳感器之間的距離與光照位移傳感器敏感面的長度成正比。
4.根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于信號處理單元由信號提取電路和實時解算和控制系統的單片機系統組成，信號提取電路由放大電路、求和電路、求差電路、求比電路、采樣保持及A/D轉換電路組成，光照位移傳感器測得的位移量經放大電路后分兩路，一路進入求和電路，另一路進入求差電路，求和電路和求差電路的輸出進入求比電路，求比電路的輸出經采樣保持及A/D電路后進入單片機系統。
全文摘要
一種實時測量運動物體位移和姿態角的裝置，包括一組或多組光源及光源驅動器、一組或多組測量單元和一個信息處理單元，其特點在于測量單元由選擇光束或光面的裁光板和光照位移傳感器組成，利用光照位移傳感器對透過裁光板的光照位移量進行測量，信息處理單元根據光照位移量求解不同的光面方程，算出光源在空間的相對坐標，進而求出運動物體三個方向的位移量和三個姿態角。本發明具有實時性好、測量范圍大、測量精度高、抗干擾能力強和結構重量輕的優點。
文檔編號G01B11/02GK1148161SQ9610112
公開日1997年4月23日 申請日期1996年2月12日 優先權日1996年2月12日
發明者鄧先法, 潭澤勝, 劉莉萍, 楊慶峰, 熊笑非, 郭曉輪, 溫志誠, 宋焱 申請人:中國人民解放軍空軍第八研究所