基于編碼器反饋的吊索傾角測量裝置及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于編碼器反饋的吊索傾角測量裝置，包括外殼、擺桿一、擺桿二、編碼器一、編碼器二，外殼為長方體結(jié)構(gòu)，具有安裝平面和四個(gè)側(cè)面，側(cè)面上開設(shè)有與吊索平行的縱長開口，縱長開口中設(shè)置有橫向加強(qiáng)肋條，加強(qiáng)肋條上設(shè)置有擺桿軸孔，相對側(cè)面上的擺桿軸孔分別形成兩個(gè)軸線，與外殼頂部的安裝平面平行且互相垂直不交叉，擺桿一和擺桿二的頂部設(shè)置過索孔，兩者“十字相交”于過索孔，且兩擺桿的門字型分別呈倒立結(jié)構(gòu)通過轉(zhuǎn)軸安裝在擺桿軸孔中，以供吊索穿過，兩編碼器的外殼對應(yīng)設(shè)置在橫向加強(qiáng)肋條的外部，其轉(zhuǎn)軸分別與兩擺桿的轉(zhuǎn)軸安裝固定，兩擺桿擺動(dòng)時(shí)，兩編碼器分別與轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，由兩編碼器的轉(zhuǎn)角，計(jì)算出吊索在水平兩個(gè)方向的傾角。
【專利說明】基于編碼器反饋的吊索傾角測量裝置及測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天器地面試驗(yàn)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及使用吊索懸掛方式滿足航天器地 面微重力環(huán)境試驗(yàn)中吊索傾角測量裝置，同時(shí)也涉及使用該裝置進(jìn)行吊索傾角測量的方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 國內(nèi)外吊索傾角檢測方法主要分為：三軸加速度傳感器測量法、三軸陀螺儀測量 法、視覺測量法、iGPS測量法、激光跟蹤儀測量法等。
[0003] 加速度傳感器測量法將三軸加速度傳感器與吊索安裝在一起，利用三軸加速度計(jì) 測量得到的三個(gè)方向的加速度大小計(jì)算出重力方向相對于吊索方向的方向角，即傾角。該 方法的不足在于容易受到吊索運(yùn)動(dòng)的影響，因?yàn)槿S加速度傳感器實(shí)際測量得到的是重力 加速度與運(yùn)動(dòng)加速度的合加速度。因此，三軸加速度傳感器測量法多適用于靜態(tài)傾角的測 量。
[0004] 三軸陀螺儀測量法將三軸陀螺儀與吊索安裝在一起，陀螺儀可以測量到吊索的傾 角加速度，通過兩次積分計(jì)算出傾角的變化量，最后再計(jì)入初始傾角，即可得到當(dāng)前的傾角 數(shù)值。陀螺儀測量的是角加速度，不受線加速度的影響，因此測量精度要比加速度傳感器 高。但是，陀螺儀測量傾角是間接通過積分計(jì)算得到的，長時(shí)間使用容易出現(xiàn)漂移，導(dǎo)致該 方法不適用于長時(shí)間的吊索傾角測量。
[0005] 視覺測量法分為兩種：平視視覺測量和俯視視覺測量。平視視覺測量是在吊索的 側(cè)面設(shè)置固定相機(jī)，通過圖像處理得到吊索在圖像中的傾角，如果需要測量兩個(gè)垂直方向 的話，則需要兩臺相機(jī)同時(shí)工作；俯視視覺測量是在吊索的頂部設(shè)置與吊索上吊點(diǎn)位置相 對不變的相機(jī)，同時(shí)，在下吊點(diǎn)處設(shè)置與下吊點(diǎn)距離相對不變的靶標(biāo)點(diǎn)，通過測量靶標(biāo)點(diǎn)在 圖像中的位置，再加上吊索長度，計(jì)算出吊索的傾角。如果靶標(biāo)點(diǎn)能夠保持平動(dòng)，則靶標(biāo)點(diǎn) 設(shè)置為一個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)即可，如果還存在轉(zhuǎn)動(dòng)，則靶標(biāo)點(diǎn)需要設(shè)置為一組具有空間特征的多 點(diǎn)組合。無論是平視視覺測量還是俯視視覺測量都容易受到環(huán)境光的影響，容易出現(xiàn)不可 靠的情況，而且視覺測量的輸出頻率受到工業(yè)相機(jī)幀率和圖像處理速度的影響，一般只有 25Hz左右。
[0006] iGPS測量法是直接測量上吊點(diǎn)空間坐標(biāo)與下吊點(diǎn)空間坐標(biāo)的方法，得到兩個(gè)點(diǎn)的 空間坐標(biāo)就可以直接計(jì)算出吊索的傾角。這兩種方法的缺點(diǎn)是輸出頻率較低，成本高，iGPS 的輸出頻率一般只有20?50Hz。
[0007] 激光跟蹤儀測量法也是直接測量上吊點(diǎn)空間坐標(biāo)與下吊點(diǎn)空間坐標(biāo)的方法，具有 速度快，精度高的特點(diǎn)，但每中激光跟蹤儀只能測量一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，一根吊索就需要兩臺激 光跟蹤儀，在有多根吊索同時(shí)需要傾角測量的情況下，各激光跟蹤儀之間容易出現(xiàn)干擾，且 成本難以控制。
[0008] 目前，存在有一種空間機(jī)械臂，該空間機(jī)械臂由多個(gè)臂桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接而成， 在整臂總裝完成后，按照要求進(jìn)行地面展開及運(yùn)動(dòng)測試試驗(yàn)，以驗(yàn)證機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)功能是 否正常。為此，需要建立一套地面微重力試驗(yàn)輔助系統(tǒng)，抵消重力對機(jī)械臂關(guān)節(jié)的影響，具 體則采用多根吊索懸吊式方案。
[0009] 吊索懸吊式方案的核心環(huán)節(jié)是吊索的傾角控制，更進(jìn)一步則是吊索傾角的測量。 機(jī)械臂吊索懸吊式微重力輔助系統(tǒng)對吊索傾角的測量方法具有以下主要要求：
[0010] 1)能夠提供水平XY兩個(gè)垂直方向的傾角，以便于直接控制XY向的跟蹤運(yùn)動(dòng)；
[0011] 2)適應(yīng)吊索的運(yùn)動(dòng)加速度（最大lOOmm/s2)，在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中要求吊索仍能 保持堅(jiān)直不受運(yùn)動(dòng)影響；
[0012] 3)可靠性高，不得受環(huán)境光線、溫度變化的影響；
[0013] 4)穩(wěn)定性好，長時(shí)間使用不出現(xiàn)漂移；
[0014] 5)輸出頻率不低于IOOHz ;
[0015] 6)各吊索傾角的測量過程之間互不影響。
[0016] 現(xiàn)有的吊索傾角測量法中，三軸加速度傳感器測量法容易受到運(yùn)動(dòng)加速度的影 響，三軸陀螺儀測量法長時(shí)間使用會(huì)產(chǎn)生漂移，視覺測量法容易受到環(huán)境光線的影響，且輸 出頻率通常較低，iGPS測量法輸出頻率低，激光跟蹤儀測量法不能同時(shí)測量多根吊索傾角， 均不滿足要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明目的是提供一種基于編碼器反饋的吊索傾角測量裝置，該裝置操作簡單， 精度較高，滿足空間機(jī)械臂地面微重力或低重力試驗(yàn)的要求。
[0018] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：
[0019] 基于編碼器反饋的吊索傾角測量裝置，包括外殼、擺桿一、擺桿二、編碼器一、編碼 器二，外殼為長方體結(jié)構(gòu)，長方體的頂部具有向外伸出的凸緣形成安裝平面，用于與水平基 準(zhǔn)面形成配合，保證整個(gè)外殼的姿態(tài)，長方體結(jié)構(gòu)的四個(gè)側(cè)面開設(shè)有與吊索平行的縱長開 口，縱長開口接近長方體結(jié)構(gòu)底部的位置處設(shè)置有對應(yīng)安裝擺桿一和擺桿二的橫向加強(qiáng)肋 條，相對側(cè)面的加強(qiáng)肋條等高度設(shè)置，外殼側(cè)面的橫向加強(qiáng)肋條上設(shè)置有擺桿軸孔，相對側(cè) 面上的擺桿軸孔分別形成兩個(gè)軸線，兩個(gè)軸線與外殼頂部的安裝平面平行且互相垂直不交 叉，擺桿一和擺桿二分別為門字型框架，門字型框架的兩側(cè)部上對稱設(shè)置轉(zhuǎn)軸，頂部設(shè)置過 索孔，擺桿一和擺桿二"十字相交"于過索孔，且兩擺桿的門字型分別呈倒立結(jié)構(gòu)通過兩端 的轉(zhuǎn)軸安裝在擺桿軸孔中，以供吊索穿過兩擺桿的過索孔，編碼器一和編碼器二的外殼分 別對應(yīng)設(shè)置在橫向加強(qiáng)肋條的外部，兩編碼器的轉(zhuǎn)軸分別與兩擺桿的轉(zhuǎn)軸安裝固定在一 起，當(dāng)擺桿一和擺桿二擺動(dòng)時(shí)，編碼器一和編碼器二分別與相應(yīng)的轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，由編碼器 一與編碼器二的轉(zhuǎn)角，計(jì)算出吊索在水平兩個(gè)方向的傾角。
[0020] 其中，過索孔為一長孔，長度按照吊索的最大擺角進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證吊索傾斜過程 中，吊索不與過索孔的兩個(gè)短邊接觸，寬度以恰好能讓吊索通過為宜。
[0021] 其中，過索孔的內(nèi)表面使用硬化耐磨處理。
[0022] 其中，吊索的截面形狀是圓形或者方形。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可應(yīng)用于空間站核心艙空間機(jī)械臂艙上展開運(yùn)動(dòng)測試， 該吊索傾角測量方法能夠直接輸出XY兩個(gè)方向的傾角，不受吊索運(yùn)動(dòng)加速度的影響。本發(fā) 明具有穩(wěn)定可靠，輸出頻率高的特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明的基于編碼器反饋的吊索傾角測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 其中：1為被測吊索；2為外殼；3為擺桿一；4為編碼器一；5為擺桿二；6為編碼器 --〇
[0026] 圖2是本發(fā)明的基于編碼器反饋的吊索傾角測量裝置中兩擺桿的相交結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0027] 其中，1為被測吊索；3為擺桿一；5為擺桿二。
[0028] 圖3為本發(fā)明的基于編碼器反饋的吊索傾角測量裝置一實(shí)施方式的外殼結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0029] 其中：21為安裝平面，22為擺桿一的安裝軸孔，23為擺桿二的安裝軸孔。
[0030] 圖4為本發(fā)明的基于編碼器反饋的吊索傾角測量裝置測量吊索傾角的原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 以下介紹的是作為本發(fā)明所述內(nèi)容的【具體實(shí)施方式】，下面通過【具體實(shí)施方式】對本 發(fā)明的所述內(nèi)容作進(jìn)一步的闡明。當(dāng)然，描述下列【具體實(shí)施方式】只為示例本發(fā)明的不同方 面的內(nèi)容，而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明范圍。
[0032] 參照圖1，圖1給出了本發(fā)明的基于編碼器反饋的吊索傾角測量裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖。圖2是本發(fā)明的基于編碼器反饋的吊索傾角測量裝置中兩擺桿的相交結(jié)構(gòu)示意圖；其 中，本發(fā)明的基于編碼器反饋的吊索傾角測量裝置基于編碼器反饋的吊索傾角測量裝置， 包括外殼2、擺桿一 3、擺桿二5、編碼器一 4、編碼器二6,外殼2為長方體結(jié)構(gòu)，長方體的頂 部具有向外伸出的凸緣形成安裝平面21 (參見圖2)，用于與水平基準(zhǔn)面形成配合，保證整 個(gè)外殼的姿態(tài)，長方體結(jié)構(gòu)的四個(gè)側(cè)面開設(shè)有與被測吊索1平行的縱長開口，縱長開口接 近長方體結(jié)構(gòu)底部的位置處設(shè)置有對應(yīng)安裝擺桿一 3和擺桿二5的橫向加強(qiáng)肋條，相對側(cè) 面的加強(qiáng)肋條等高度設(shè)置，外殼2的側(cè)面上的橫向加強(qiáng)肋條設(shè)置有擺桿軸孔22, 23 (參見圖 2)，相對側(cè)面上的擺桿軸孔22, 23分別形成兩個(gè)軸線，兩個(gè)軸線與外殼2頂部的安裝平面21 平行且互相垂直不交叉，擺桿一 3和擺桿二5分別為門字型框架，門字型框架的兩側(cè)部上對 稱設(shè)置轉(zhuǎn)軸，頂部設(shè)置過索孔，擺桿一 3和擺桿二5 "十字相交"于過索孔（未標(biāo)示），且兩 擺桿的門字型分別呈倒立結(jié)構(gòu)通過兩端的轉(zhuǎn)軸安裝在擺桿軸孔22, 23中，以供被測吊索1 穿過兩擺桿的過索孔，編碼器一 4和編碼器二6的外殼分別對應(yīng)設(shè)置在橫向加強(qiáng)肋條的外 部，兩編碼器的轉(zhuǎn)軸分別與兩擺桿的轉(zhuǎn)軸安裝固定在一起，當(dāng)擺桿一 3和擺桿二5擺動(dòng)時(shí)， 編碼器一 4和編碼器二6分別與相應(yīng)的轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，由編碼器一 4與編碼器二6的轉(zhuǎn)角， 計(jì)算出被測吊索1在水平兩個(gè)方向的傾角。
[0033] 優(yōu)選地，兩個(gè)方向的擺桿結(jié)構(gòu)、尺寸完全相同，擺桿設(shè)置有轉(zhuǎn)軸和過索孔；轉(zhuǎn)軸安 裝用于與外殼2的擺桿安裝軸孔配合，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副；過索孔為一長孔，長度按照吊索的最大 擺角進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證吊索傾斜過程中，吊索不與過索孔的兩個(gè)短邊接觸，寬度以恰好能讓吊 索通過為宜，過索孔內(nèi)表面使用硬化耐磨處理，長期使用仍可保持尺寸精度。
[0034] 參見圖3,圖3顯示了本發(fā)明的基于編碼器反饋的吊索傾角測量裝置一實(shí)施方式 的外殼結(jié)構(gòu)示意圖；其中，外殼2設(shè)置有安裝平面21和擺桿安裝軸孔22、23,安裝平面21具 有一定的平面度，用于將整個(gè)裝置固定于水平基準(zhǔn)安裝面上，以保證測量精度，擺桿安裝軸 孔22、23分別用于安裝擺桿一 3和擺桿二5,安裝軸孔22、23均與安裝平面21平行，且相互 垂直，外殼2的形狀可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。
[0035] 圖4是利用本發(fā)明的基于編碼器反饋的吊索傾角測量裝置測量吊索傾角的原理 圖；本發(fā)明適用的吊索的截面形狀可以是圓形或者方形，要求在工作過程中，吊索始終能與 過索孔的兩個(gè)長邊相接觸。
[0036] 吊索傾角的計(jì)算原理如圖4所示。吊索存在傾角a 1時(shí)，擺桿的偏轉(zhuǎn)角度為a 2。 設(shè)擺桿長為1，擺軸到吊索上吊點(diǎn)的距離為Ii1，那么可以得到：
[0037] x=l* sin a 2
[0038] h2 = 1 ? cos a 2
[0039] 從而可以計(jì)算出：
[0040] ?i = tan^C X ) = tan-1( 1 )
[0041] 盡管上文對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了詳細(xì)的描述和說明，但應(yīng)該指明的是， 我們可以對上述實(shí)施方式進(jìn)行各種改變和修改，但這些都不脫離本發(fā)明的精神和所附的權(quán) 利要求所記載的范圍。
【權(quán)利要求】
1. 基于編碼器反饋的吊索傾角測量裝置，包括外殼、擺桿一、擺桿二、編碼器一、編碼 器二，外殼為長方體結(jié)構(gòu)，長方體的頂部具有向外伸出的凸緣形成安裝平面，用于與水平基 準(zhǔn)面形成配合，保證整個(gè)外殼的姿態(tài)，長方體結(jié)構(gòu)的四個(gè)側(cè)面開設(shè)有與吊索平行的縱長開 口，縱長開口接近長方體結(jié)構(gòu)底部的位置處設(shè)置有對應(yīng)安裝擺桿一和擺桿二的橫向加強(qiáng)肋 條，相對側(cè)面的加強(qiáng)肋條等高度設(shè)置，外殼側(cè)面的橫向加強(qiáng)肋條上設(shè)置有擺桿軸孔，相對側(cè) 面上的擺桿軸孔分別形成兩個(gè)軸線，兩個(gè)軸線與外殼頂部的安裝平面平行且互相垂直不交 叉，擺桿一和擺桿二分別為門字型框架，門字型框架的兩側(cè)部上對稱設(shè)置轉(zhuǎn)軸，頂部設(shè)置過 索孔，擺桿一和擺桿二"十字相交"于過索孔，且兩擺桿的門字型分別呈倒立結(jié)構(gòu)通過兩端 的轉(zhuǎn)軸安裝在擺桿軸孔中，以供吊索穿過兩擺桿的過索孔，編碼器一和編碼器二的外殼分 別對應(yīng)設(shè)置在橫向加強(qiáng)肋條的外部，兩編碼器的轉(zhuǎn)軸分別與兩擺桿的轉(zhuǎn)軸安裝固定在一 起，當(dāng)擺桿一和擺桿二擺動(dòng)時(shí)，編碼器一和編碼器二分別與相應(yīng)的轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，由編碼器 一與編碼器二的轉(zhuǎn)角，計(jì)算出吊索在水平兩個(gè)方向的傾角。
2. 如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其中，過索孔為一長孔，長度按照吊索的最大擺角進(jìn) 行設(shè)計(jì)，保證吊索傾斜過程中，吊索不與過索孔的兩個(gè)短邊接觸，寬度以恰好能讓吊索通過 為宜。
3. 如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其中，過索孔的內(nèi)表面使用硬化耐磨處理。
4. 如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其中，吊索的截面形狀是圓形或者方形。
【文檔編號】G01B21/22GK104374359SQ201410643977
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】孟凡偉, 易旺民, 馬強(qiáng), 高峰, 陳金明, 代海林, 劉孟周, 劉浩淼, 張立偉, 郎冠卿, 常冬林 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所