CN101368821B - 一种三轴气浮台转动角度的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三轴气浮台转动角度的测量装置，其特征在于：它包括在三轴气浮台上表面设置的一图像采集处理模块、在图像采集处理模块上表面设置的一光阑、在光阑上方设置的一激光发射器组，在远端设置的一测控系统；图像采集处理模块包括一固定在三轴气浮台上表面的暗箱，在暗箱内固定安装一与三轴气浮台上表面平行的图像传感器，图像传感器通过接线柱电连接一信号处理器，信号处理器电连接一无线传输设备，无线传输设备通过无线通讯连接远程测控系统；光阑上设置有一能使激光发射器组发出的光，达到暗箱中图像传感器上的光线引入孔；激光发射器组至少包括两个发射出的光线互为角度的激光发射器。本发明测量方法简单、精度高，可以广泛用于三轴气浮台全物理仿真试验当中。

Description

一种三轴气浮台转动角度的测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，特别是关于一种三轴气浮台转动角度的测量装置。

背景技术

目前在卫星研制过程中，需要利用卫星控制系统对卫星姿态进行控制，将卫星的姿态信息反馈给控制计算机，经过计算后形成控制指令，然后驱动执行机构实现对卫星姿态的控制。因此，卫星控制系统设计方案的正确性以及卫星控制系统的功能和性能的好坏直接关系到对卫星控制的准确性，是至关重要的。但是检验和验证控制系统的好坏不能总是直接用真正的卫星来操作，所以必须用一种地面系统来模拟卫星的运动，现在主要是利用一种三轴气浮台在地面模拟卫星在空间的运动姿态。

在利用三轴气浮台实现卫星控制系统的全物理仿真过程中，核心问题之一就是要能实时准确的测量出三轴气浮台的三个转动角度。

三轴气浮台是依靠压缩空气在球面气浮轴承与轴承间形成的气膜，产生向上的作用力，抵消台面的重力，使台面浮起，从而利用台面的角运动近似模拟卫星在轨失重状态下运行的姿态。传统上，通常利用光电码盘来测量它的角运动，如申请号为：200410086057.4，专利名称为：转动编码器的中国专利，由于该方法具有结构简单、测量精度高、完全数字化等优点，受到广泛的关注和应用，也涌现了多种光电码盘产品，但是光电码盘只能用于单轴转动的角度测量，在三轴气浮台的角运动测量应用中具有局限性。

经文献检索发现，申请号为：200410009083.7，专利名称为：刚体空间位姿测量装置及其测量方法的中国发明专利，采用拉线式编码器实现了一种接触式的低成本、高精度的刚体空间位置和姿态测量装置和测量方法。但由于三轴气浮台需要为卫星控制系统物理仿真提供一个无干扰的环境，因此该专利提供的接触式测量装置和测量方法无法满足三轴气浮台转角动态测量的要求。

哈尔滨工业大学的张晓友、刘暾和北京控制工程研究所的李季苏等提出了一种三轴气浮台单框伺服测角系统(张晓友，刘敦，李季苏。三轴气浮台单框伺服测角系统研究。宇航学报。第17卷，第4期，1996年，pp.71-74)。该系统在气浮台基座上安装一个可以绕气浮台中心铅垂线转动的敏感性圆弧臂，并在其上安装可以移动的滑架，通过敏感性圆弧臂的转动和滑架的移动测量气浮台的运转角，但该系统需要增加复杂的机械系统和敏感器系统，结构过于复杂。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提出一种成本低，精度高，能够仿真提供一个无干扰环境的三轴气浮台转动角度的测量装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种三轴气浮台转动角度的测量装置，它包括在三轴气浮台上表面设置的一图像采集处理模块、在所述图像采集处理模块上表面设置的一光阑、在所述光阑上方设置的一激光发射器组，在远端设置的一测控系统；所述图像采集处理模块包括一固定在所述三轴气浮台上表面的暗箱，在所述暗箱内固定安装一与所述三轴气浮台上表面平行的图像传感器，所述图像传感器通过接线柱电连接一信号处理器，所述信号处理器电连接一无线传输设备，所述无线传输设备通过无线通讯连接所述远程测控系统；所述光阑上设置有一能使所述激光发射器组发出的光，达到所述暗箱中图像传感器上的光线引入孔；所述激光发射器组至少包括两个发射出的光线互为角度的激光发射器。

所述图像传感器采用CCD或CMOS图像传感器之一。

所述信号处理器采用DSP或单片机芯片之一。

所述光阑为MEMS器件，所述光阑上光线引入孔的尺寸为60×60μm²。

所述激光发射器组采用平行激光发射器。

所述激光发射器组包括两个激光发射器，其中一个与三轴气浮台上表面垂直设置，另一个与所述垂直设置的激光发射器呈一角度设置。

一种利用所述测量装置进行的测量方法，包括以下步骤，

1)在三轴气浮台上表面设置一图像采集处理模块，所述图像采集处理模块的暗箱内设置有图像传感器和信号处理器，在所述暗箱上方设置至少两台激光发射器，保证每个激光发射器发出的激光均可穿过暗箱顶部光阑上的光线引入孔到达图像传感器；

2)按照下面的方法设定基准坐标系O-XYZ：以图像传感器的上表面为XOY平面，以图像传感器上表面的中心点为坐标系原点O，过坐标原点O且垂直于XOY平面的轴为Z轴；

3)标定引入孔31上的入射点P在O-XYZ坐标系的坐标；

4)设t₀时刻，激光发射器组发出的其中两束光经过P点入射到图像传感器感光面上，信号处理器采集到图像传感器感光面上的像点坐标分别为A(x_a，y_a，z_a)和B(x_b，y_b，z_b)，则入射点P与A、B两点所形成的矢量在t₀时刻表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{S}}_1=\stackrel{\→}{\mathrm{AP}}=S_{\mathrm{XA}}\stackrel{\→}{i_A}+S_{\mathrm{YA}}\stackrel{\→}{j_A}+S_{\mathrm{ZA}}\stackrel{\→}{k_A}\\ \stackrel{\→}{R_1}=\stackrel{\→}{\mathrm{BP}}=R_{\mathrm{XA}}\stackrel{\→}{i_A}+R_{\mathrm{YA}}\stackrel{\→}{j_A}+R_{\mathrm{ZA}}\stackrel{\→}{k_A}\end{array}\right.---\left(1\right)$

5)当三轴气浮台转动到t₁时刻，激光发射器组4发出的其中两束光经入射点P入射到图像传感器感光面上，信号处理器采集到图像传感器感光面上的像点坐标分别为A’(x_a’，y_a’，z_a’)和B’(x_b’，y_b’，z_b’)，则入射点P与A’、B’两点所形成的矢量在t₁时刻表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{S}}_2=\stackrel{\→}{A^{\′}P}=S_{\mathrm{XB}}\stackrel{\→}{i_B}+S_{\mathrm{YB}}\stackrel{\→}{j_B}+S_{\mathrm{ZB}}\stackrel{\→}{k_B}\\ \stackrel{\→}{R_2}=\stackrel{\→}{B^{\′}P}=R_{\mathrm{XB}}\stackrel{\→}{i_B}+R_{\mathrm{YB}}\stackrel{\→}{j_B}+R_{\mathrm{ZB}}\stackrel{\→}{k_B}\end{array}\right.---\left(2\right)$

6)由式(1)、(2)可知，

和

代表的实际是同一组向量，只是用不同时刻的坐标来表示而已，所以利用

或其中的任何一组向量，均可以定义一个右手正交系C，则三个轴的单位矢量表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{i}}_3={\stackrel{\→}{S}}_1={\stackrel{\→}{S}}_2\\ {\stackrel{\→}{j}}_3=[{\stackrel{\→}{R}}_1-{\stackrel{\→}{S}}_1({\stackrel{\→}{R}}_1\·{\stackrel{\→}{S}}_1)]/|{\stackrel{\→}{R}}_1-{\stackrel{\→}{S}}_1({\stackrel{\→}{R}}_1\·{\stackrel{\→}{S}}_1)|\\ =[{\stackrel{\→}{R}}_2-{\stackrel{\→}{S}}_2({\stackrel{\→}{R}}_2\·{\stackrel{\→}{S}}_2)]/|{\stackrel{\→}{R}}_2-{\stackrel{\→}{S}}_2({\stackrel{\→}{R}}_2\·{\stackrel{\→}{S}}_2)|\\ {\stackrel{\→}{k}}_3={\stackrel{\→}{S}}_1\×{\stackrel{\→}{R}}_1/|{\stackrel{\→}{S}}_1\×{\stackrel{\→}{R}}_1|\\ ={\stackrel{\→}{S}}_2\×{\stackrel{\→}{R}}_2/|{\stackrel{\→}{S}}_2\×{\stackrel{\→}{R}}_2|\end{array}\right.---\left(3\right)$

坐标系O-XYZ由t₀时刻旋转至坐标系C的方向余弦矩阵为：

$C_{t_0}^C=\left[\begin{array}{ccc}{i}_A\·i_C& j_A\·i_C& k_A\·i_C\\ i_A\·i_C& j_A\·j_C& k_A\·j_C\\ i_A\·k_C& j_A\·k_C& k_A\·k_C\end{array}\right]---\left(4\right)$

坐标系O-XYZ由t₁时刻旋转至坐标系C的方向余弦矩阵为：

$C_C^{t_1}=\left[\begin{array}{ccc}{i}_C\·i_B& j_C\·i_B& k_C\·i_B\\ i_C\·i_B& j_C\·j_B& k_C\·j_B\\ i_C\·k_B& j_C\·k_B& k_C\·k_B\end{array}\right]---\left(5\right)$

由式(4)、(5)中的

和

确定方向余弦矩阵

为：

$C_{t_0}^{t_1}=C_{t_0}^C\·C_C^{t_1}---\left(6\right)$

由已知公式

$C_{t_0}^{t_1}=\left[\begin{array}{ccc}{A}_{\mathrm{XX}}& A_{\mathrm{XY}}& A_{\mathrm{XZ}}\\ A_{\mathrm{YX}}& A_{\mathrm{YY}}& A_{\mathrm{YZ}}\\ A_{\mathrm{ZX}}& A_{\mathrm{ZY}}& A_{\mathrm{ZZ}}\end{array}\right]---\left(7\right)$

结合式(4)、(5)、(6)计算得到三轴的转动角度为：

$\mathrm{\ψ}=\arctan [-\frac{A_{\mathrm{YX}}}{A_{\mathrm{YY}}}]$

$\mathrm{\θ}=\arctan [-\frac{A_{\mathrm{XZ}}}{A_{\mathrm{ZZ}}}]$

7)将信号处理器处理的数据通过无线传输设备输送给远程测控系统。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明装置由于采用激光发射器作为光源，并使用基于MEMS工艺的光阑，大大提高了光标系统的定位精度，试验表明像点的定位精度可以达到0.005个像素。2、本发明装置由于采用CCD/COMS图像采集和处理电路，能够准确传感定位，使系统结构简单，成本低，体积小，功耗小。3、本发明装置由于采用无线远程测控系统，脱离了接触式测量，在不妨碍三轴气浮台运转的同时，还能进行实时测量并反馈给远程测控系统。4、本发明测量方法简单、成本低、精度高、不会对三轴气浮台产生干扰。

附图说明

图1是本发明装置的布置示意图

图2是本发明中图像采集处理模块示意图

图3是利用本发明装置测量角度时的坐标系O-XYZ以及图像传感器上像点在此坐标系的坐标示意图

图4是三轴气浮台从t₀时刻转动至t₁时刻坐标系的变化示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

名称定义：

三轴气浮台的运转：是指三轴气浮台在水平方向上的360°旋转和竖直方向上与竖直轴呈±45°夹角范围内的旋转。

三轴气浮台的转动角度：是指气浮台在某一时刻相对平衡位置(设气浮台的初始位置是平衡位置)的转动角度。

如图1、图2所示，基于三轴气浮台的运动特性，本发明三轴气浮台转动角度测量装置包括在现有技术的三轴气浮台1上表面设置的一图像采集处理模块2，在图像采集处理模块2上方设置一光阑3，在光阑3上方设置一激光发射器组4，同时在远端设置一远程测控系统5。

图像采集处理模块2包括一固定在三轴气浮台1上表面的暗箱21，在暗箱21的里面，分上、下两层分别固定安装一图像传感器22和一信号处理器23。图像传感器22和信号处理器23之间由接线柱24支撑连接，图像传感器22与三轴气浮台1上表面保持平行。图像传感器22一般采用CCD或CMOS图像传感器，信号处理器23一般采用DSP或者单片机为核心芯片。在暗箱21的里面或外面(图2中所示为外面)，设置一无线传输设备25，无线传输设备25与信号处理器23电连接；无线传输设备25与远程测控系统5之间采用无线通讯。在暗箱21的顶面设置一光阑3，其具有一光线引入孔31，光线引入孔31能将外界的光引入到暗箱21中。光阑3为一MEMS器件，材料一般为硅片，光线引入孔31的尺径大小可以根据实际要求确定(比如60×60μm²，但不限于此)，通常情况下，孔的直径越小，图像像点的定位精度越高。

激光发射器组4固定设置在光阑3上方的某一高度处，激光器发出的光线能够穿过光阑3上的光线引入孔31，照射在图像传感器22上。激光发射器组4中激光发射器的数目可以根据系统测量精度和所选的算法等不同而确定，但至少包括两个，且互为一定角度，该角度只要保证使光线能够入射过光线引入孔31即可，最简单的方式是采用两个，一个激光发射器与三轴气浮台1上表面垂直设置，另一个激光发射器则与第一个激光发射器成一小角度设置，两个发射器发出的光都能通过光线引入孔31。这里所说的每一个发射器通常都采用平行激光发射器。

本发明装置就是依靠固定在三轴气浮台上的图像传感器22感光位置的变化来测量三轴气浮台的转动角度。从激光发射器组4发出的光通过光阑3上的光线引入孔31入射到图像传感器22上，信号处理电路23接收图像传感器22输出的感光位置信号，并计算出三轴转动角度，之后再通过无线传输设备25将所计算的角度传送给远程测控系统5。

利用本发明装置对三轴气浮台转动角度进行测量的方法如下：

1、安装本发明装置，保证图像传感器22与气浮台1的上表面平行，激光发射器组4发射的激光可穿过光阑3上的光线引入孔31，各通电设备通电；

2、如图3所示，按照下面的方法设定基准坐标系O-XYZ：以图像传感器22的上表面为XOY平面，以图像传感器22上表面的中心点为坐标系原点O，过坐标原点O且垂直于XOY平面的轴为Z轴；因为三轴气浮台1是转动的，所以坐标系O-XYZ是一个动坐标系；

3、标定引入孔31上的入射点P在O-XYZ坐标系的坐标；

4、设t₀时刻(图中所示恰好为初始时刻)，激光发射器组4发出的其中两束光经过P点入射到图像传感器22感光面上，信号处理器23采集到图像传感器22感光面上的像点坐标分别为A(x_a，y_a，z_a)和B(x_b，y_b，z_b)，则入射点P与A、B两点所形成的矢量在t₀时刻表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{S}}_1=\stackrel{\→}{\mathrm{AP}}=S_{\mathrm{XA}}\stackrel{\→}{i_A}+S_{\mathrm{YA}}\stackrel{\→}{j_A}+S_{\mathrm{ZA}}\stackrel{\→}{k_A}\\ \stackrel{\→}{R_1}=\stackrel{\→}{\mathrm{BP}}=R_{\mathrm{XA}}\stackrel{\→}{i_A}+R_{\mathrm{YA}}\stackrel{\→}{j_A}+R_{\mathrm{ZA}}\stackrel{\→}{k_A}\end{array}\right.---\left(1\right)$

5、如图4所示，在三轴气浮台1转动到t₁时刻，激光发射器组4发出的其中两束光经入射点P入射到图像传感器22感光面上，信号处理器23采集到图像传感器22感光面上的像点坐标分别为A’(x_a’，y_a’，z_a’)和B’(x_b’，y_b’z_b’)，则入射点P与A’、B’两点所形成的矢量在t₁时刻表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{S}}_2=\stackrel{\→}{A^{\′}P}=S_{\mathrm{XB}}\stackrel{\→}{i_B}+S_{\mathrm{YB}}\stackrel{\→}{j_B}+S_{\mathrm{ZB}}\stackrel{\→}{k_B}\\ \stackrel{\→}{R_2}=\stackrel{\→}{B^{\′}P}=R_{\mathrm{XB}}\stackrel{\→}{i_B}+R_{\mathrm{YB}}\stackrel{\→}{j_B}+R_{\mathrm{ZB}}\stackrel{\→}{k_B}\end{array}\right.---\left(2\right)$

6、由式(1)、(2)可知，

和

代表的实际是同一组向量，只是用不同时刻的坐标来表示而已，所以利用

或

其中的任何一组向量，均可以定义一个右手正交系C，则三个轴的单位矢量表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{i}}_3={\stackrel{\→}{S}}_1={\stackrel{\→}{S}}_2\\ {\stackrel{\→}{j}}_3=[{\stackrel{\→}{R}}_1-{\stackrel{\→}{S}}_1({\stackrel{\→}{R}}_1\·{\stackrel{\→}{S}}_1)]/|{\stackrel{\→}{R}}_1-{\stackrel{\→}{S}}_1({\stackrel{\→}{R}}_1\·{\stackrel{\→}{S}}_1)|\\ =[{\stackrel{\→}{R}}_2-{\stackrel{\→}{S}}_2({\stackrel{\→}{R}}_2\·{\stackrel{\→}{S}}_2)]/|{\stackrel{\→}{R}}_2-{\stackrel{\→}{S}}_2({\stackrel{\→}{R}}_2\·{\stackrel{\→}{S}}_2)|\\ {\stackrel{\→}{k}}_3={\stackrel{\→}{S}}_1\×{\stackrel{\→}{R}}_1/|{\stackrel{\→}{S}}_1\×{\stackrel{\→}{R}}_1|\\ ={\stackrel{\→}{S}}_2\×{\stackrel{\→}{R}}_2/|{\stackrel{\→}{S}}_2\×{\stackrel{\→}{R}}_2|\end{array}\right.---\left(3\right)$

坐标系O-XYZ由t₀时刻旋转至坐标系C的方向余弦矩阵为：

$C_{t_0}^C=\left[\begin{array}{ccc}{i}_A\·i_C& j_A\·i_C& k_A\·i_C\\ i_A\·i_C& j_A\·j_C& k_A\·j_C\\ i_A\·k_C& j_A\·k_C& k_A\·k_C\end{array}\right]---\left(4\right)$

坐标系O-XYZ由t₁时刻旋转至坐标系C的方向余弦矩阵为：

$C_C^{t_1}=\left[\begin{array}{ccc}{i}_C\·i_B& j_C\·i_B& k_C\·i_B\\ i_C\·i_B& j_C\·j_B& k_C\·j_B\\ i_C\·k_B& j_C\·k_B& k_C\·k_B\end{array}\right]---\left(5\right)$

由式(4)、(5)中的

和

确定方向余弦矩阵

为：

$C_{t_0}^{t_1}=C_{t_0}^C\·C_C^{t_1}---\left(6\right)$

由已知公式(参考：章仁为，卫星轨道姿态动力学与控制，北航出版社，第140页，公式5.2-2，142页)

$C_{t_0}^{t_1}=\left[\begin{array}{ccc}{A}_{\mathrm{XX}}& A_{\mathrm{XY}}& A_{\mathrm{XZ}}\\ A_{\mathrm{YX}}& A_{\mathrm{YY}}& A_{\mathrm{YZ}}\\ A_{\mathrm{ZX}}& A_{\mathrm{ZY}}& A_{\mathrm{ZZ}}\end{array}\right]---\left(7\right)$

结合式(4)、(5)、(6)计算得到三轴的转动角度为：

$\mathrm{\ψ}=\arctan [-\frac{A_{\mathrm{YX}}}{A_{\mathrm{YY}}}]$

$\mathrm{\θ}=\arctan [-\frac{A_{\mathrm{XZ}}}{A_{\mathrm{ZZ}}}]$

7、将信号处理器23的数据处理过程或处理结果根据需要全部或部分通过无线传输设备25输送给远程测控系统5。

在上述方法和装置的实施例中，本领域技术人员可以根据本发明技术方案进行一些改进和变换，但这些改进和变化不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种三轴气浮台转动角度的测量装置，其特征在于：它包括在三轴气浮台上表面设置的一图像采集处理模块、在所述图像采集处理模块上表面设置的一光阑、在所述光阑上方设置的一激光发射器组，在远端设置的一测控系统；所述图像采集处理模块包括一固定在所述三轴气浮台上表面的暗箱，在所述暗箱内固定安装一与所述三轴气浮台上表面平行的图像传感器，所述图像传感器通过接线柱电连接一信号处理器，所述信号处理器电连接一无线传输设备，所述无线传输设备通过无线通讯连接所述远程测控系统；所述光阑上设置有一能使所述激光发射器组发出的光，达到所述暗箱中图像传感器上的光线引入孔；所述激光发射器组至少包括两个发射出的光线互为角度的激光发射器。

2.如权利要求1所述的一种三轴气浮台转动角度的测量装置，其特征在于：所述图像传感器采用CCD或CMOS图像传感器之一。

3.如权利要求1所述的一种三轴气浮台转动角度的测量装置，其特征在于：所述信号处理器采用DSP或单片机芯片之一。

4.如权利要求2所述的一种三轴气浮台转动角度的测量装置，其特征在于：所述信号处理器采用DSP或单片机芯片之一。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种三轴气浮台转动角度的测量装置，其特征在于：所述光阑为MEMS器件，所述光阑上光线引入孔的尺寸为60×60μm2。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种三轴气浮台转动角度的测量装置，其特征在于：所述激光发射器组包括两个激光发射器，其中一个与三轴气浮台上表面垂直设置，另一个与所述垂直设置的激光发射器呈一角度设置。

7.如权利要求6所述的一种三轴气浮台转动角度的测量装置，其特征在于：所述激光发射器组采用平行激光发射器。

8.如权利要求5所述的一种三轴气浮台转动角度的测量装置，其特征在于：所述激光发射器组包括两个激光发射器，其中一个与三轴气浮台上表面垂直设置，另一个与所述垂直设置的激光发射器呈一角度设置。

9.如权利要求8所述的一种三轴气浮台转动角度的测量装置，其特征在于：所述激光发射器组采用平行激光发射器。

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