CN103335618B - 机载光电平台内部负载姿态测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机载光电平台内部负载姿态测量装置，包括：与载荷连接基座相连的载荷基座；与安装基座相连的万向节基座延伸架；底端设置在所述载荷基座上，沿方位与俯仰方向上存在偏心距a的两个球面；两个球面的前端分别与万向节基座延伸架相接触；设置在所述万向节基座延伸架上的两个传感器，所述两个传感器分别可以检测两个球面的前端与所述万向节基座延伸架的接触点与底端之间的距离。本发明的机载光电平台内部负载姿态测量装置，针对机载光电平台内部负载方位与俯仰方向上的姿态运动，使用两个几何中心处于不同位置且偏心距均为a的球面，并使用高精度位置传感器敏感距离变化，测量精度与现阶段使用的光电编码器相当。

Description

机载光电平台内部负载姿态测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，特别涉及一种机载光电平台内部负载姿态测量装置。

背景技术

传统的机载光电平台使用两轴两框架或两轴四框架等复合框架式结构，实现平台姿态的方位与俯仰运动，完成目标的跟踪与定位功能。这种复合框架式结构由于轴系与框架的存在，占用了平台内部大量空间。随着机载光电平台内部集成的载荷的种类越来越多，传统的框架式结构已制约了机载光电平台的发展。

机载光电平台外框架运动范围很大，可实现N×360°的连续方位与正负几十度的俯仰运动；相比之下，内框架运动范围很小，在±5°范围内。实验室研究开发的一种新型机载光电平台内部结构使用一种三轴万向节可完全实现传统光电平台内框架的功能。三轴万向节结构如图1所示，整个万向节由安装基座1，安装基座连接轴2，载荷连接基座连接轴3以及载荷连接基座4构成；其中，安装基座1固定于光电平台外框架上，平台内的负载固定于载荷连接基座4处，轴销5、轴销6、轴销7的轴向的沿长线交于空间中一点O，设计制作万向节时，可以根据需要调整O点的位置从而实现光电平台安装中心的调整，通过音圈电机控制负载基座，实现载荷的相对于外框架的方位与俯仰运动。由于彻底摒弃了传统的轴框式结构，作为测量内部负载方位与俯仰角的机载光电平台内部负载姿态测量装置的光电编码器已无法安装。

发明内容

本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种可用于测量机载光电平台内部负载相对外框架小角度姿态运动的，机载光电平台内部负载姿态测量装置。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种机载光电平台内部负载姿态测量装置，包括：

与载荷连接基座相连的载荷基座；

与安装基座相连的万向节基座延伸架；

底端设置在所述载荷基座上，沿方位与俯仰方向上存在偏心距a的两个球面；两个球面的前端分别与万向节基座延伸架相接触；

设置在所述万向节基座延伸架上的两个传感器，所述两个传感器分别可以检测两个球面前端与所述万向节基座延伸架的接触点与底端之间的距离。

在上述技术方案中，两个传感器的测量线性度优于0.01%。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的机载光电平台内部负载姿态测量装置，针对机载光电平台内部负载方位与俯仰方向上的姿态运动，使用两个几何中心处于不同位置且偏心距均为a的球面，并使用高精度位置传感器敏感距离变化，测量精度与现阶段使用的光电编码器相当。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为光电平台内负载万向节结构的示意图；

图2为二维圆周偏心法角原理示意图；

图3为圆周旋转4π角度与距离的变化关系示意图；

图4为双球面用于方位与俯仰方向上姿态角测量的相对位置关系示意图；

图5为偏心法测角原理用于新型光电平台内部负载姿态角测量装置示意图；

图6为偏心法测角原理用于新型光电平台内部负载姿态角测量装置分装示意图；

图中的附图标记表示为：

1-安装基座；2-安装基座连接轴；3-载荷连接基座连接轴；4-载荷连接基座；

5，6，7-轴销；8-基座延伸架；9-载荷基座；10，11-传感器；12，13-球面。

具体实施方式

本发明的测量原理为：

我们知道，圆面或球面绕其几何中心转动时，空间中的任何一点距圆面或球面的距离不会发生改变。但是，当圆面或球面的旋转中心与几何中心不重合，即圆面或球面偏心时，上述距离与随旋转角度发生变化，此为偏心测角的原理，如图2所示。半径为R的圆，当旋转轴处于一维圆面几何中心且圆周绕旋转轴O旋转时，空间中固定点P距圆面的距离不会发生改变；当旋转轴不在圆面的几何中心（偏心距a），P点距圆端面的距离会随着旋转角度的改变而发生改变。为了讨论变化量与角度之间的变化关系，建立如图2示坐标系统；其中，旋转轴中心O(0,0)，初始位置时圆的几何中心处于(a,0)处，且当圆旋转时，圆面中心的轨迹是中心在O点且半径为a的小圆。圆面转过任意角度θ后，其对应方程为

${(x-\mathrm{\α}\cos \mathrm{\θ})}^2+{(y-\mathrm{\α}\sin \mathrm{\θ})}^2=R^2---\left(1\right)$

考虑P处于x轴上方(y_p>0)且x_p=a处，则角度变化表现为P点距球外表面的距离发生改变。

计算圆面旋转两周后，转角与距离对应关系如图3所示，其中横轴为转过的角度值，纵值为距离值。可以看出，距离与转角存在类似正弦曲线的关系，所以通过控制测量点的位置结合偏心的方法进行小角度测量(小于180°)是完全可行的。同理，上述偏心测量原理对于空间立体球面也是完全成立的。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

光电平台的内框架包括方位与俯仰两个方向上的运动，为此应该合理设计测量结构并使用两个球面代替圆面来敏感两个方向上的运动。设计的双球面偏心法测量平台内部负载相对外框架姿态的测量原理如图4所示。其中，平台内负载沿y轴方向放置，测绕z与x轴旋转即可实现平台的方位与俯仰运动。用于敏感方位与俯仰方向运动的球面几何中心分别沿x与z轴偏心a放置，安装时保证o-xyz坐标系中心与三轴万向节结构轴向中心O重合。

替代传统内框架的万向节结构与姿态测角装置如图5所示。其中，安装基座1，安装基座连接轴2，载荷连接基座连接轴3以及载荷连接基座4构成万向节结构；安装基座1与平台的外框架相连接，轴销5、轴销6、轴销7分别可以将安装基座1与安装基座连接轴2、安装基座连接轴2与载荷连接基座连接轴3、载荷连接基座连接轴3与载荷连接基座4连接起来，构成完整的万向节结构；载荷基座9与载荷连接基座4连接，平台内部的所有载荷与测角用球面固定在其上；万向节基座延伸架8与万向节安装基座1固连；传感器10和传感器11分别为敏感距离变化的高精度距离传感器，其精度可达亚微米级，测量线性度优于0.01%；球面12和球面13分别为沿方位与俯仰方向上存在偏心距a的球面，且安装时位置摆放关系应该满足图3所示的关系。

不难发现，当载荷发生方位运动即绕z轴旋转时，由于对球面13的几何中心O_yaw处于z轴，所以传感器10的测量结果并不发生变化，但此时球面12相对于旋转轴存在偏心距a，针对转过不同的角度值传感器11的测量值会发生变化；同理，当载荷发生俯仰运动即绕x轴旋转时，由于对球面12的几何中心O_pitch处于x轴，所以传感器11的测量结果并不发生变化，但此时球面13相对于旋转轴存在偏心距a，针对转过不同的角度值传感器10的测量值会发生变化。另外，任何一个方向上角度的变化并不会影响另一方向上的测量结果。通过上述方法，即完成新型无内框架光电平台的方位与俯仰姿态角测量。图6给出了设计的用于新型机载光电平台内部负载姿态测量的分装图。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种机载光电平台内部负载姿态测量装置，其特征在于，包括：

与载荷连接基座(4)相连的载荷基座(9)；

与安装基座(1)相连的万向节基座延伸架(8)；

底端设置在所述载荷基座(9)上，沿方位运动方向与俯仰运动方向上分别存在一个偏心距a的球面(12)(13)；两个球面(12)(13)的前端分别与万向节基座延伸架(8)相接触；

设置在所述万向节基座延伸架(8)上的两个传感器(10)(11)，所述两个传感器(10)(11)分别可以检测两个球面(12)(13)前端与所述万向节基座延伸架(8)的接触点与底端之间的距离；

当载荷发生方位运动时，第二球面(13)的几何中心处于z轴，第一球面(12)相对于旋转轴存在偏心距a，针对转过不同的角度值第二传感器(11)的测量值会发生变化；

当载荷发生俯仰运动时，第一球面(12)的几何中心处于x轴，第二球面(13)相对于旋转轴存在偏心距a，针对转过不同的角度值第一传感器(10)的测量值会发生变化。

2.根据权利要求1所述的机载光电平台内部负载姿态测量装置，其特征在于，两个传感器(10)(11)的测量线性度优于0.01％。