● 摘要
在社会生活和工业生产中，姿态角是需要确定的重要物理量，大量程、高精度、实时动态在线的姿态角测量已成为迫切需要。随着光电技术的发展，传统光学方法与光电接收器件相结合的光电测角方法因其诸多优点在测角领域中得到了广泛的应用。但目前满足系统小型化需求的大量程三维姿态角测量系统并不多。本文设计了一种大量程姿态角测量系统。应用CMOS图像传感器，以FPGA为核心控制器，基于光电准直和针孔成像原理实现二维姿态角测量；提出一种虚拟扩展成像面技术，在相同的硬件条件下，虚拟成倍扩展系统的测量视场，实现大量程姿态角测量；通过双矢量定姿算法实现三维姿态角测量；本文首先介绍了系统的工作原理，包括针孔成像测角原理、虚拟扩展成像原理和双矢量定姿算法。介绍了系统的总体设计方案，包括针孔光阑模式设计、反射镜组结构设计、电路板设计、机械外壳设计。然后设计实现了虚拟扩展成像及光斑模式识别算法，并基于光学衍射基尔霍夫定律搭建软件平台对关键参数和系统功能进行了仿真验证。对基于FPGA的硬件逻辑设计进行了详细阐述，包括CMOS图像传感器的驱动逻辑、质心计算逻辑、光斑模式识别逻辑、有效数据存储逻辑、ROI动态跟踪逻辑、USB传输交互逻辑。介绍了USB驱动设计和上位机USB接口采集软件。最后对系统进行了标定，确定了系统的测量精度，并分析了系统误差。实验结果表明，系统参数设计合理，光斑模式识别算法正确，视场范围±20°×20°，标定测量误差小于0.009°，可实现图像数据的实时传输，是一种新型的大量程姿态角测量方案。