專利名稱：一種三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動角度的測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量裝置及測量方法，特別是關(guān)于一種三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動角度的測量裝置及測量方法。

背景技術(shù)：
目前在衛(wèi)星研制過程中，需要利用衛(wèi)星控制系統(tǒng)對衛(wèi)星姿態(tài)進行控制，將衛(wèi)星的姿態(tài)信息反饋給控制計算機，經(jīng)過計算后形成控制指令，然后驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)對衛(wèi)星姿態(tài)的控制。因此，衛(wèi)星控制系統(tǒng)設(shè)計方案的正確性以及衛(wèi)星控制系統(tǒng)的功能和性能的好壞直接關(guān)系到對衛(wèi)星控制的準(zhǔn)確性，是至關(guān)重要的。但是檢驗和驗證控制系統(tǒng)的好壞不能總是直接用真正的衛(wèi)星來操作，所以必須用一種地面系統(tǒng)來模擬衛(wèi)星的運動，現(xiàn)在主要是利用一種三軸氣浮臺在地面模擬衛(wèi)星在空間的運動姿態(tài)。
在利用三軸氣浮臺實現(xiàn)衛(wèi)星控制系統(tǒng)的全物理仿真過程中，核心問題之一就是要能實時準(zhǔn)確的測量出三軸氣浮臺的三個轉(zhuǎn)動角度。
三軸氣浮臺是依靠壓縮空氣在球面氣浮軸承與軸承間形成的氣膜，產(chǎn)生向上的作用力，抵消臺面的重力，使臺面浮起，從而利用臺面的角運動近似模擬衛(wèi)星在軌失重狀態(tài)下運行的姿態(tài)。傳統(tǒng)上，通常利用光電碼盤來測量它的角運動，如申請?zhí)枮?00410086057.4，專利名稱為轉(zhuǎn)動編碼器的中國專利，由于該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、完全數(shù)字化等優(yōu)點，受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，也涌現(xiàn)了多種光電碼盤產(chǎn)品，但是光電碼盤只能用于單軸轉(zhuǎn)動的角度測量，在三軸氣浮臺的角運動測量應(yīng)用中具有局限性。
經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，申請?zhí)枮?00410009083.7，專利名稱為剛體空間位姿測量裝置及其測量方法的中國發(fā)明專利，采用拉線式編碼器實現(xiàn)了一種接觸式的低成本、高精度的剛體空間位置和姿態(tài)測量裝置和測量方法。但由于三軸氣浮臺需要為衛(wèi)星控制系統(tǒng)物理仿真提供一個無干擾的環(huán)境，因此該專利提供的接觸式測量裝置和測量方法無法滿足三軸氣浮臺轉(zhuǎn)角動態(tài)測量的要求。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張曉友、劉暾和北京控制工程研究所的李季蘇等提出了一種三軸氣浮臺單框伺服測角系統(tǒng)(張曉友，劉敦，李季蘇。三軸氣浮臺單框伺服測角系統(tǒng)研究。宇航學(xué)報。第17卷，第4期，1996年，pp.71-74)。該系統(tǒng)在氣浮臺基座上安裝一個可以繞氣浮臺中心鉛垂線轉(zhuǎn)動的敏感性圓弧臂，并在其上安裝可以移動的滑架，通過敏感性圓弧臂的轉(zhuǎn)動和滑架的移動測量氣浮臺的運轉(zhuǎn)角，但該系統(tǒng)需要增加復(fù)雜的機械系統(tǒng)和敏感器系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。


發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提出一種成本低，精度高，能夠仿真提供一個無干擾環(huán)境的三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動角度的測量裝置及測量方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動角度的測量裝置，它包括在三軸氣浮臺上表面設(shè)置的一圖像采集處理模塊、在所述圖像采集處理模塊上表面設(shè)置的一光闌、在所述光闌上方設(shè)置的一激光發(fā)射器組，在遠(yuǎn)端設(shè)置的一測控系統(tǒng)；所述圖像采集處理模塊包括一固定在所述三軸氣浮臺上表面的暗箱，在所述暗箱內(nèi)固定安裝一與所述三軸氣浮臺上表面平行的圖像傳感器，所述圖像傳感器通過接線柱電連接一信號處理器，所述信號處理器電連接一無線傳輸設(shè)備，所述無線傳輸設(shè)備通過無線通訊連接所述遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)；所述光闌上設(shè)置有一能使所述激光發(fā)射器組發(fā)出的光，達(dá)到所述暗箱中圖像傳感器上的光線引入孔；所述激光發(fā)射器組至少包括兩個發(fā)射出的光線互為角度的激光發(fā)射器。
所述圖像傳感器采用CCD或CMOS圖像傳感器之一。
所述信號處理器采用DSP或單片機芯片之一。
所述光闌為MEMS器件，所述光闌上光線引入孔的尺寸為60×60μm2。
所述激光發(fā)射器組采用平行激光發(fā)射器。
所述激光發(fā)射器組包括兩個激光發(fā)射器，其中一個與三軸氣浮臺上表面垂直設(shè)置，另一個與所述垂直設(shè)置的激光發(fā)射器呈一角度設(shè)置。
一種利用所述測量裝置進行的測量方法，包括以下步驟， 1)在三軸氣浮臺上表面設(shè)置一圖像采集處理模塊，所述圖像采集處理模塊的暗箱內(nèi)設(shè)置有圖像傳感器和信號處理器，在所述暗箱上方設(shè)置至少兩臺激光發(fā)射器，保證每個激光發(fā)射器發(fā)出的激光均可穿過暗箱頂部光闌上的光線引入孔到達(dá)圖像傳感器； 2)按照下面的方法設(shè)定基準(zhǔn)坐標(biāo)系0—XYZ以圖像傳感器的上表面為XOY平面，以圖像傳感器上表面的中心點為坐標(biāo)系原點0，過坐標(biāo)原點0且垂直于XOY平面的軸為Z軸； 3)標(biāo)定引入孔31上的入射點P在0—XYZ坐標(biāo)系的坐標(biāo)； 4)設(shè)t0時刻，激光發(fā)射器組發(fā)出的其中兩束光經(jīng)過P點入射到圖像傳感器感光面上，信號處理器采集到圖像傳感器感光面上的像點坐標(biāo)分別為A(xa，ya，za)和B(xb，yb，zb)，則入射點P與A、B兩點所形成的矢量在t0時刻表示為 5)當(dāng)三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動到t1時刻，激光發(fā)射器組4發(fā)出的其中兩束光經(jīng)入射點P入射到圖像傳感器感光面上，信號處理器采集到圖像傳感器感光面上的像點坐標(biāo)分別為A’(xa’，ya’，za’)和B’(xb’，yb’，zb’)，則入射點P與A’、B’兩點所形成的矢量在t1時刻表示為 6)由式(1)、(2)可知，

，

和

，

代表的實際是同一組向量，只是用不同時刻的坐標(biāo)來表示而已，所以利用

，

或

，

其中的任何一組向量，均可以定義一個右手正交系C，則三個軸的單位矢量表示為 坐標(biāo)系0—XYZ由t0時刻旋轉(zhuǎn)至坐標(biāo)系C的方向余弦矩陣為 坐標(biāo)系0—XYZ由t1時刻旋轉(zhuǎn)至坐標(biāo)系C的方向余弦矩陣為 由式(4)、(5)中的

和

確定方向余弦矩陣

為 由已知公式 結(jié)合式(4)、(5)、(6)計算得到三軸的轉(zhuǎn)動角度為
7)將信號處理器處理的數(shù)據(jù)通過無線傳輸設(shè)備輸送給遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明裝置由于采用激光發(fā)射器作為光源，并使用基于MEMS工藝的光闌，大大提高了光標(biāo)系統(tǒng)的定位精度，試驗表明像點的定位精度可以達(dá)到0.005個像素。2、本發(fā)明裝置由于采用CCD/COMS圖像采集和處理電路，能夠準(zhǔn)確傳感定位，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，體積小，功耗小。3、本發(fā)明裝置由于采用無線遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)，脫離了接觸式測量，在不妨礙三軸氣浮臺運轉(zhuǎn)的同時，還能進行實時測量并反饋給遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。4、本發(fā)明測量方法簡單、成本低、精度高、不會對三軸氣浮臺產(chǎn)生干擾。



圖1是本發(fā)明裝置的布置示意圖 圖2是本發(fā)明中圖像采集處理模塊示意圖 圖3是利用本發(fā)明裝置測量角度時的坐標(biāo)系0—XYZ以及圖像傳感器上像點在此坐標(biāo)系的坐標(biāo)示意圖 圖4是三軸氣浮臺從t0時刻轉(zhuǎn)動至t1時刻坐標(biāo)系的變化示意圖
具體實施例方式 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)的描述。
名稱定義 三軸氣浮臺的運轉(zhuǎn)是指三軸氣浮臺在水平方向上的360°旋轉(zhuǎn)和豎直方向上與豎直軸呈±45°夾角范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。
三軸氣浮臺的轉(zhuǎn)動角度是指氣浮臺在某一時刻相對平衡位置(設(shè)氣浮臺的初始位置是平衡位置)的轉(zhuǎn)動角度。
如圖1、圖2所示，基于三軸氣浮臺的運動特性，本發(fā)明三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動角度測量裝置包括在現(xiàn)有技術(shù)的三軸氣浮臺1上表面設(shè)置的一圖像采集處理模塊2，在圖像采集處理模塊2上方設(shè)置一光闌3，在光闌3上方設(shè)置一激光發(fā)射器組4，同時在遠(yuǎn)端設(shè)置一遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)5。
圖像采集處理模塊2包括一固定在三軸氣浮臺1上表面的暗箱21，在暗箱21的里面，分上、下兩層分別固定安裝一圖像傳感器22和一信號處理器23。圖像傳感器22和信號處理器23之間由接線柱24支撐連接，圖像傳感器22與三軸氣浮臺1上表面保持平行。圖像傳感器22一般采用CCD或CMOS圖像傳感器，信號處理器23一般采用DSP或者單片機為核心芯片。在暗箱21的里面或外面(圖2中所示為外面)，設(shè)置一無線傳輸設(shè)備25，無線傳輸設(shè)備25與信號處理器23電連接；無線傳輸設(shè)備25與遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)5之間采用無線通訊。在暗箱21的頂面設(shè)置一光闌3，其具有一光線引入孔31，光線引入孔31能將外界的光引入到暗箱21中。光闌3為一MEMS器件，材料一般為硅片，光線引入孔31的尺徑大小可以根據(jù)實際要求確定(比如60×60μm2，但不限于此)，通常情況下，孔的直徑越小，圖像像點的定位精度越高。
激光發(fā)射器組4固定設(shè)置在光闌3上方的某一高度處，激光器發(fā)出的光線能夠穿過光闌3上的光線引入孔31，照射在圖像傳感器22上。激光發(fā)射器組4中激光發(fā)射器的數(shù)目可以根據(jù)系統(tǒng)測量精度和所選的算法等不同而確定，但至少包括兩個，且互為一定角度，該角度只要保證使光線能夠入射過光線引入孔31即可，最簡單的方式是采用兩個，一個激光發(fā)射器與三軸氣浮臺1上表面垂直設(shè)置，另一個激光發(fā)射器則與第一個激光發(fā)射器成一小角度設(shè)置，兩個發(fā)射器發(fā)出的光都能通過光線引入孔31。這里所說的每一個發(fā)射器通常都采用平行激光發(fā)射器。
本發(fā)明裝置就是依靠固定在三軸氣浮臺上的圖像傳感器22感光位置的變化來測量三軸氣浮臺的轉(zhuǎn)動角度。從激光發(fā)射器組4發(fā)出的光通過光闌3上的光線引入孔31入射到圖像傳感器22上，信號處理電路23接收圖像傳感器22輸出的感光位置信號，并計算出三軸轉(zhuǎn)動角度，之后再通過無線傳輸設(shè)備25將所計算的角度傳送給遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)5。
利用本發(fā)明裝置對三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動角度進行測量的方法如下 1、安裝本發(fā)明裝置，保證圖像傳感器22與氣浮臺1的上表面平行，激光發(fā)射器組4發(fā)射的激光可穿過光闌3上的光線引入孔31，各通電設(shè)備通電； 2、如圖3所示，按照下面的方法設(shè)定基準(zhǔn)坐標(biāo)系0—XYZ以圖像傳感器22的上表面為XOY平面，以圖像傳感器22上表面的中心點為坐標(biāo)系原點0，過坐標(biāo)原點0且垂直于XOY平面的軸為Z軸；因為三軸氣浮臺1是轉(zhuǎn)動的，所以坐標(biāo)系0—XYZ是一個動坐標(biāo)系； 3、標(biāo)定引入孔31上的入射點P在0—XYZ坐標(biāo)系的坐標(biāo)； 4、設(shè)t0時刻(圖中所示恰好為初始時刻)，激光發(fā)射器組4發(fā)出的其中兩束光經(jīng)過P點入射到圖像傳感器22感光面上，信號處理器23采集到圖像傳感器22感光面上的像點坐標(biāo)分別為A(xa，ya，za)和B(xb，yb，zb)，則入射點P與A、B兩點所形成的矢量在t0時刻表示為 5、如圖4所示，在三軸氣浮臺1轉(zhuǎn)動到t1時刻，激光發(fā)射器組4發(fā)出的其中兩束光經(jīng)入射點P入射到圖像傳感器22感光面上，信號處理器23采集到圖像傳感器22感光面上的像點坐標(biāo)分別為A’(xa’，ya’，za’)和B’(xb’，yb’，zb’)，則入射點P與A’、B’兩點所形成的矢量在t1時刻表示為 6、由式(1)、(2)可知，

，

和

，

代表的實際是同一組向量，只是用不同時刻的坐標(biāo)來表示而已，所以利用

，

或

，

其中的任何一組向量，均可以定義一個右手正交系C，則三個軸的單位矢量表示為 坐標(biāo)系0—XYZ由t0時刻旋轉(zhuǎn)至坐標(biāo)系C的方向余弦矩陣為 坐標(biāo)系0—XYZ由t1時刻旋轉(zhuǎn)至坐標(biāo)系C的方向余弦矩陣為 由式(4)、(5)中的

和

確定方向余弦矩陣

為 由已知公式(參考章仁為，衛(wèi)星軌道姿態(tài)動力學(xué)與控制，北航出版社，第140頁，公式5.2-2，142頁) 結(jié)合式(4)、(5)、(6)計算得到三軸的轉(zhuǎn)動角度為
7、將信號處理器23的數(shù)據(jù)處理過程或處理結(jié)果根據(jù)需要全部或部分通過無線傳輸設(shè)備25輸送給遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)5。
在上述方法和裝置的實施例中，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案進行一些改進和變換，但這些改進和變化不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動角度的測量裝置，其特征在于它包括在三軸氣浮臺上表面設(shè)置的一圖像采集處理模塊、在所述圖像采集處理模塊上表面設(shè)置的一光闌、在所述光闌上方設(shè)置的一激光發(fā)射器組，在遠(yuǎn)端設(shè)置的一測控系統(tǒng)；所述圖像采集處理模塊包括一固定在所述三軸氣浮臺上表面的暗箱，在所述暗箱內(nèi)固定安裝一與所述三軸氣浮臺上表面平行的圖像傳感器，所述圖像傳感器通過接線柱電連接一信號處理器，所述信號處理器電連接一無線傳輸設(shè)備，所述無線傳輸設(shè)備通過無線通訊連接所述遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)；所述光闌上設(shè)置有一能使所述激光發(fā)射器組發(fā)出的光，達(dá)到所述暗箱中圖像傳感器上的光線引入孔；所述激光發(fā)射器組至少包括兩個發(fā)射出的光線互為角度的激光發(fā)射器。
2.如權(quán)利要求1所述的一種三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動角度的測量裝置，其特征在于所述圖像傳感器采用CCD或CMOS圖像傳感器之一。
3.如權(quán)利要求1所述的一種三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動角度的測量裝置，其特征在于所述信號處理器采用DSP或單片機芯片之一。
4.如權(quán)利要求2所述的一種三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動角度的測量裝置，其特征在于所述信號處理器采用DSP或單片機芯片之一。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動角度的測量裝置，其特征在于所述光闌為MEMS器件，所述光闌上光線引入孔的尺寸為60×60μm2。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動角度的測量裝置，其特征在于所述激光發(fā)射器組包括兩個激光發(fā)射器，其中一個與三軸氣浮臺上表面垂直設(shè)置，另一個與所述垂直設(shè)置的激光發(fā)射器呈一角度設(shè)置。
7.如權(quán)利要求6所述的一種三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動角度的測量裝置，其特征在于所述激光發(fā)射器組采用平行激光發(fā)射器。
8.如權(quán)利要求5所述的一種三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動角度的測量裝置，其特征在于所述激光發(fā)射器組包括兩個激光發(fā)射器，其中一個與三軸氣浮臺上表面垂直設(shè)置，另一個與所述垂直設(shè)置的激光發(fā)射器呈一角度設(shè)置。
9.如權(quán)利要求8所述的一種三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動角度的測量裝置，其特征在于所述激光發(fā)射器組采用平行激光發(fā)射器。
10.一種利用如權(quán)利要求1～7所述測量裝置的測量方法，它包括以下步驟，
1)在三軸氣浮臺上表面設(shè)置一圖像采集處理模塊，所述圖像采集處理模塊的暗箱內(nèi)設(shè)置有圖像傳感器和信號處理器，在所述暗箱上方設(shè)置至少兩臺激光發(fā)射器，保證每個激光發(fā)射器發(fā)出的激光均可穿過暗箱頂部光闌上的光線引入孔到達(dá)圖像傳感器；
2)按照下面的方法設(shè)定基準(zhǔn)坐標(biāo)系0—XYZ以圖像傳感器的上表面為XOY平面，以圖像傳感器上表面的中心點為坐標(biāo)系原點0，過坐標(biāo)原點0且垂直于XOY平面的軸為Z軸；
3)標(biāo)定引入孔上的入射點P在0—XYZ坐標(biāo)系的坐標(biāo)；
4)設(shè)t0時刻，激光發(fā)射器組發(fā)出的其中兩束光經(jīng)過P點入射到圖像傳感器感光面上，信號處理器采集到圖像傳感器感光面上的像點坐標(biāo)分別為A(xa，ya，za)和B(xb，yb，zb)，則入射點P與A、B兩點所形成的矢量在t0時刻表示為
5)當(dāng)三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動到t1時刻，激光發(fā)射器組4發(fā)出的其中兩束光經(jīng)入射點P入射到圖像傳感器感光面上，信號處理器采集到圖像傳感器感光面上的像點坐標(biāo)分別為A’(xa’，ya’，za’)和B’(xb’，yb’，zb’)，則入射點P與A’、B’兩點所形成的矢量在t1時刻表示為
6)由式(1)、(2)可知，
和
代表的實際是同一組向量，只是用不同時刻的坐標(biāo)來表示而已，所以利用
或
其中的任何一組向量，均可以定義一個右手正交系C，則三個軸的單位矢量表示為
坐標(biāo)系0—XYZ由t0時刻旋轉(zhuǎn)至坐標(biāo)系C的方向余弦矩陣為
坐標(biāo)系0—XYZ由t1時刻旋轉(zhuǎn)至坐標(biāo)系C的方向余弦矩陣為
由式(4)、(5)中的
和
確定方向余弦矩陣
為
由已知公式
結(jié)合式(4)、(5)、(6)計算得到三軸的轉(zhuǎn)動角度為
7)將信號處理器處理的數(shù)據(jù)通過無線傳輸設(shè)備輸送給遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三軸氣浮臺轉(zhuǎn)動角度的測量裝置，其特征在于它包括在三軸氣浮臺上表面設(shè)置的一圖像采集處理模塊、在圖像采集處理模塊上表面設(shè)置的一光闌、在光闌上方設(shè)置的一激光發(fā)射器組，在遠(yuǎn)端設(shè)置的一測控系統(tǒng)；圖像采集處理模塊包括一固定在三軸氣浮臺上表面的暗箱，在暗箱內(nèi)固定安裝一與三軸氣浮臺上表面平行的圖像傳感器，圖像傳感器通過接線柱電連接一信號處理器，信號處理器電連接一無線傳輸設(shè)備，無線傳輸設(shè)備通過無線通訊連接遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)；光闌上設(shè)置有一能使激光發(fā)射器組發(fā)出的光，達(dá)到暗箱中圖像傳感器上的光線引入孔；激光發(fā)射器組至少包括兩個發(fā)射出的光線互為角度的激光發(fā)射器。本發(fā)明測量方法簡單、精度高，可以廣泛用于三軸氣浮臺全物理仿真試驗當(dāng)中。
文檔編號G01B11/26GK101368821SQ20081022366
公開日2009年2月18日 申請日期2008年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月28日
發(fā)明者劍 孫, 政 尤, 濱 李, 張高飛, 飛 邢 申請人:清華大學(xué)