CN103335632A - 一种高精度高频响的平台倾角测量装置及采用该装置测量平台倾角的方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度高频响的平台倾角测量装置及采用该装置测量平台倾角的方法，涉及一种平台倾角测量装置及采用该装置测量平台倾角的方法。它是为了解决现有倾角测量传感器对平台倾角的测量精度低、频响低的问题。在平台运动基座边缘的一个圆周上均匀安装一定数量的线阵CCD，安装在平台上的旋转光源通过扫描线阵CCD在其屏幕上留下一系列光点，线阵CCD输出的光点高度信号输入到CPU中，将当前平台平面为相邻三个CCD上光点构成的平面，在CPU中通过空间几何关系计算获得平台在两个相互垂直方向的倾角。本发明适用于超精密仪器设备平台技术领域的应用。

Description

一种高精度高频响的平台倾角测量装置及采用该装置测量平台倾角的方法

技术领域

本发明涉及一种平台倾角测量装置及采用该装置测量平台倾角的方法。

背景技术

在现代社会中，经常需要高水平度的平台，比如在空间交汇对接、地面测量、导航、网络通信和编队控制等全物理仿真试验中，需要支撑整个地面仿真器，为地面仿真实验提供基础平台；为编队卫星地面试验验证、控制算法验证分析等物理仿真试验提供平台支撑。由于平台运动或者是静止时都可能由于大面积水平基座的不平整等原因处于倾斜状态，不利于为负载提供尽可能水平的作业平台保证准确对接，因此需要平台在静止和运动状态都能够被快速、精确的调平，以保证平台足够的水平度。

在平台调平控制系统中，平台倾角的测量反馈元件对系统调平精度有着重要的影响。然而，现有的倾角测量传感器普遍具有精度和量程相互对立矛盾的问题，且其频响也往往较低，无法满足高频响的控制需求。

发明内容

本发明是为了解决现有倾角测量传感器对平台倾角的测量精度低、频响低的问题，提供了一种高精度高频响的平台倾角测量装置及采用该装置测量平台倾角的方法。

本发明所述的一种高精度高频响的平台倾角测量装置，它包括电源模块、基准光源、旋转光源、线阵CCD模块和CPU；

电源模块分别为基准光源、旋转光源、线阵CCD模块和CPU提供工作电源，旋转光源的底部固定在待测平台表面上；基准光源的底部固定在待测平台上；线阵CCD模块中的N个CCD均匀分布在待测平台边缘的圆周上，线阵CCD模块的高度信号输出端连接CPU的高度信号输入端；3≤N≤24。

一种高精度高频响的平台倾角测量装置测量平台倾角的方法，

旋转光源与高转速扫描线阵CCD模块保持同步运动，基准光源与旋转光源同步转动，旋转光源运动过程中在CCD屏幕上留下高度不等的光点；

以基准光源发出的基准光所在平面的圆心为原点，以任意一个线阵CCD所在位置与该圆心的连线为x轴，以其圆周平面内的垂线为y轴，以过圆心且垂直于圆周平面的直线为z轴建立空间直角坐标系；

对x正半轴上的线阵CCD，其中第k个线阵CCD上旋转光源扫描时的光点高度与其基准光源光点高度之差为h_k，则第k个线阵CCD上旋转光源的光点坐标为(Rcosθ_k，Rsinθ_k，h_k)，其中

R为线阵CCD模块中N个线阵CCD构成的圆的半径；1≤k≤N-2；

当旋转光源依次扫描过第k个、第k+1个和第k+2个CCD时，线阵CCD模块将相邻三个线阵CCD上光点的高度信号h_k、h_k+1、h_k+2输入到CPU5中，CPU接收线阵CCD模块的输出信号，并对收线阵CCD模块的输出信号进行计算，通过公式：

${\mathrm{\θ}}_x=\arctan \left|\frac{h_{k+1}-\left|\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_k-\cos {\mathrm{\θ}}_{k+1}}{\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_3}\right|\·|h_{k+2}-h_k|-\min (h_k,h_{k+2})}{R\left(\right|\sin {\mathrm{\θ}}_{k+1}-\sin {\mathrm{\θ}}_k|-|(\cos {\mathrm{\θ}}_k-\cos {\mathrm{\θ}}_{k+1})(\tan {\mathrm{\θ}}_k-\tan {\mathrm{\θ}}_{k+2})\left|\right)}\right|,$

${\mathrm{\θ}}_y=\arctan \left|\frac{h_{k+1}-\left|\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_k-\sin {\mathrm{\θ}}_{k+1}}{\sin {\mathrm{\θ}}_k-\sin {\mathrm{\θ}}_{k+2}}\right|\·|h_{k+2}-h_k|-\min (h_k,h_{k+2})}{R\left(\right|\cos {\mathrm{\θ}}_{k+1}-\cos {\mathrm{\θ}}_{k+2}|-|\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_{k+2}-\sin {\mathrm{\θ}}_{k+1}}{\tan {\mathrm{\θ}}_{k+2}-\tan {\mathrm{\θ}}_k}\left|\right)}\right|;$

进行计算，获得待测平台在两个相互垂直方向的倾角信息θ_x和θ_y的值；完成平台倾角的测量。

本发明能够准确测量和计算平台的倾角，易于实现，能够满足高频响的控制要求，此外，由于测量元件采用光学元件，大大提高了倾角测量的频率响应及测量的精度。本发明中，由于现有线阵CCD的检测精度能达到微米量级，当基座圆周半径R大于或等于1米时，所述测量方法的测量精度将小于1角秒，相比于现有倾角传感器，其精度提高一倍以上；频率响应同比提高超过50％。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；图2为本发明的控制原理示意图；图3为本发明的倾角测量计算的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种高精度高频响的平台倾角测量装置，它包括电源模块1，、基准光源2、旋转光源3、线阵CCD模块4和CPU5；

电源模块1分别为基准光源2、旋转光源3、线阵CCD模块4和CPU5提供工作电源，旋转光源3的底部固定在待测平台10的表面上；基准光源2的底部固定在待测平台上；线阵CCD模块4中的N个CCD均匀分布在待测平台边缘的圆周上，线阵CCD模块4的高度信号输出端连接CPU5的高度信号输入端；3≤N≤24。

工作原理：

当平台在工作过程中产生倾斜角时，安装在平台表面的平台旋转光源所发射的光线会随之产生相等的俯仰角度，因此平台旋转光源在扫描周围线阵CCD时会在CCD屏幕上留下高度不等的光点。由于平台旋转光源转速较高，故可将平台旋转光源在三个相邻线阵CCD上的光点构成的平面近似为当前平台的倾角，例如图2中的平面A1B1C1。因此可将相邻三个线阵CCD上平台旋转光源光点的高度信号发送给DSP，然后在DSP中根据光点的高度信号求解三个光点构成平面的倾角，将其近似为当前平台的倾角。

具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的一种高精度高频响的平台倾角测量装置的进一步限定，本实施方式中，所述的CPU5采用DSP数字处理器。

具体实施方式三：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式是采用具体实施方式一至二任意一个实施方式所述一种高精度高频响的平台倾角测量装置测量平台倾角的方法，

旋转光源3与高转速扫描线阵CCD模块4保持同步运动，基准光源2与旋转光源3同步转动，旋转光源3运动过程中在CCD屏幕上留下高度不等的光点；

以基准光源2发出的基准光所在平面的圆心为原点，以任意一个线阵CCD所在位置与该圆心的连线为x轴，以其圆周平面内的垂线为y轴，以过圆心且垂直于圆周平面的直线为z轴建立空间直角坐标系；

对x正半轴上的线阵CCD，其中第k个线阵CCD上旋转光源3扫描时的光点高度与其基准光源2光点高度之差为h_k，则第k个线阵CCD上旋转光源的光点坐标为(Rcosθ_k，Rsinθ_k，h_k)，其中

R为线阵CCD模块4中N个线阵CCD构成的圆的半径；1≤k≤N-2；

当旋转光源3依次扫描过第k个、第k+1个和第k+2个CCD时，线阵CCD模块4将相邻三个线阵CCD上光点的高度信号h_k、h_k+1、h_k+2输入到CPU5中，CPU5接收线阵CCD模块的输出信号，并对收线阵CCD模块4的输出信号进行计算，通过公式：

${\mathrm{\θ}}_x=\arctan \left|\frac{h_{k+1}-\left|\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_k-\cos {\mathrm{\θ}}_{k+1}}{\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_3}\right|\·|h_{k+2}-h_k|-\min (h_k,h_{k+2})}{R\left(\right|\sin {\mathrm{\θ}}_{k+1}-\sin {\mathrm{\θ}}_k|-|(\cos {\mathrm{\θ}}_k-\cos {\mathrm{\θ}}_{k+1})(\tan {\mathrm{\θ}}_k-\tan {\mathrm{\θ}}_{k+2})\left|\right)}\right|,$

${\mathrm{\θ}}_y=\arctan \left|\frac{h_{k+1}-\left|\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_k-\sin {\mathrm{\θ}}_{k+1}}{\sin {\mathrm{\θ}}_k-\sin {\mathrm{\θ}}_{k+2}}\right|\·|h_{k+2}-h_k|-\min (h_k,h_{k+2})}{R\left(\right|\cos {\mathrm{\θ}}_{k+1}-\cos {\mathrm{\θ}}_{k+2}|-|\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_{k+2}-\sin {\mathrm{\θ}}_{k+1}}{\tan {\mathrm{\θ}}_{k+2}-\tan {\mathrm{\θ}}_k}\left|\right)}\right|;$

进行计算，获得待测平台在两个相互垂直方向的倾角信息θ_x和θ_y的值；完成平台倾角的测量。

θ_x和θ_y的值即为当前平台倾角的测量计算值。

上述过程可以采用下述方法实现：

图2为N＝8时的一个示例，此时

建立坐标系，基准光源在相连的3个线阵CCD上的光点分别为D、E、F，平台旋转光源在这3个线阵CCD上的光点分别为A1、B1、C1，其坐标分别为A1(Rcosθ₁，Rsinθ₁，h₁)，B1(Rcosθ₂，Rsinθ₂，h₂)，C1(Rcosθ₃，Rsinθ₃，h₃)，此时，平面A1B1C1即为当前平台的等效平面，

过D点作y轴的垂线，垂足为点M；过E点作EN垂直于DM，垂足为点N，EN交DF于点J；过点J作DF的垂线交A1C1于点K，然后过点K作KI垂直于B1E，垂足为点I，由几何关系易知∠B1KI即平面A1B1C1绕x轴旋转产生的夹角θ_x，

过E点作y轴的垂线，垂足为点L，EL交DF于点G；过点G作DF的垂线交A1C1于点H，然后过点K作KT垂直于B1E，垂足为点T，由几何关系易知∠B1HT即平面A1B1C1绕y轴旋转产生的夹角θ_y，

作A1Q垂直于C1F，交JK于点F，交GH于点P；由

可得KO的长度： $\mathrm{KO}=\left|\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_2}{\cos {\mathrm{\θ}}_1-{\cos \mathrm{\θ}}_3}\right|\·|h_3-h_1|,$

由 $\frac{\mathrm{DN}}{\mathrm{DM}}=\frac{\mathrm{NJ}}{\mathrm{MF}}=\left|\frac{R\cos {\mathrm{\θ}}_1-R\cos {\mathrm{\θ}}_2}{R\cos {\mathrm{\θ}}_1-R\cos {\mathrm{\θ}}_3}\right|$ 得：

$\mathrm{NJ}=R\left|\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_2}{\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_3}\right|\·|\sin {\mathrm{\θ}}_3-\sin {\mathrm{\θ}}_1|=R\left|(\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_2)(\tan {\mathrm{\θ}}_1-\tan {\mathrm{\θ}}_3)\right|,$

故有EJ＝EN-NJ＝R(|sinθ₂-sinθ₁|-|(cosθ₁-cosθ₂)(tanθ₁-tanθ₃)|)，

则 $\mathrm{KJ}=\mathrm{KO}+\min (h_1,h_3)=\left|\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_2}{\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_3}\right|\·|h_3-h_1|+\min (h_1,h_3),$ 由几何关系得：

${\mathrm{\θ}}_x=\∠B1\mathrm{KI}=\arctan \left|\frac{h_2-\mathrm{KJ}}{\mathrm{EJ}}\right|=\arctan \left|\frac{h_2-\left|\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_2}{\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_3}\right|\·|h_3-h_1|-\min (h_1,h_3)}{R\left(\right|\sin {\mathrm{\θ}}_2-\sin {\mathrm{\θ}}_1|-|(\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_2)(\tan {\mathrm{\θ}}_1-\tan {\mathrm{\θ}}_3)\left|\right)}\right|,$

作HT垂直于B1E，垂足为T。由

可得HP的长度 $\mathrm{HP}=\left|\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1-\sin {\mathrm{\θ}}_2}{\sin {\mathrm{\θ}}_1-\sin {\mathrm{\θ}}_3}\right|\·|h_3-h_1|,$ 由 $\frac{\mathrm{FL}}{\mathrm{MF}}=\frac{\mathrm{LG}}{\mathrm{MD}}=\left|\frac{R\sin {\mathrm{\θ}}_3-R\sin {\mathrm{\θ}}_2}{R\sin {\mathrm{\θ}}_3-R\sin {\mathrm{\θ}}_1}\right|$ 得：

$\mathrm{LG}=R\left|\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_3-\sin {\mathrm{\θ}}_2}{\sin {\mathrm{\θ}}_3-\sin {\mathrm{\θ}}_1}\right|\·|\cos {\mathrm{\θ}}_3-\cos {\mathrm{\θ}}_1|=R\left|\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_3-\sin {\mathrm{\θ}}_2}{\tan {\mathrm{\θ}}_3-\tan {\mathrm{\θ}}_1}\right|,$

故有 $\mathrm{GE}=\mathrm{LE}-\mathrm{LJ}=R\left(\right|\cos {\mathrm{\θ}}_2-\cos {\mathrm{\θ}}_3|-|\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_3-\sin {\mathrm{\θ}}_2}{\tan {\mathrm{\θ}}_3-\tan {\mathrm{\θ}}_1}\left|\right)$

则 $\mathrm{HG}=\mathrm{HP}+\min (h_1,h_3)=\left|\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1-\sin {\mathrm{\θ}}_2}{\sin {\mathrm{\θ}}_1-\sin {\mathrm{\θ}}_3}\right|\·|h_3-h_1|+\min (h_1,h_3),$ 由几何关系得：

${\mathrm{\θ}}_y=\∠B1\mathrm{HT}=\arctan \left|\frac{h_2-\mathrm{HG}}{\mathrm{HT}}\right|=\arctan \left|\frac{h_2-\left|\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1-\sin {\mathrm{\θ}}_2}{\sin {\mathrm{\θ}}_1-\sin {\mathrm{\θ}}_3}\right|\·|h_3-h_1|-\min (h_1,h_3)}{R\left(\right|\cos {\mathrm{\θ}}_2-\cos {\mathrm{\θ}}_3|-|\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_{\text{3}}-\sin {\mathrm{\θ}}_2}{\tan {\mathrm{\θ}}_3-\tan {\mathrm{\θ}}_1}\left|\right)}\right|$

即可得到平台在两个相互垂直方向的倾斜角θ_x和θ_y的值，由θ_x和θ_y的求取公式知，可将其推广到任意相邻三个线阵CCD的情形。当平台旋转光源依次扫描过编号为k、k+1、k+2的线阵CCD时，其公式分别为：

${\mathrm{\θ}}_x=\arctan \left|\frac{h_{k+1}-\left|\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_k-\cos {\mathrm{\θ}}_{k+1}}{\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_3}\right|\·|h_{k+2}-h_k|-\min (h_k,h_{k+2})}{R\left(\right|\sin {\mathrm{\θ}}_{k+1}-\sin {\mathrm{\θ}}_k|-|(\cos {\mathrm{\θ}}_k-\cos {\mathrm{\θ}}_{k+1})(\tan {\mathrm{\θ}}_k-\tan {\mathrm{\θ}}_{k+2})\left|\right)}\right|$

${\mathrm{\θ}}_y=\arctan \left|\frac{h_{k+1}-\left|\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_k-\sin {\mathrm{\θ}}_{k+1}}{\sin {\mathrm{\θ}}_k-\sin {\mathrm{\θ}}_{k+2}}\right|\·|h_{k+2}-h_k|-\min (h_k,h_{k+2})}{R\left(\right|\cos {\mathrm{\θ}}_{k+1}-\cos {\mathrm{\θ}}_{k+2}|-|\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_{k+2}-\sin {\mathrm{\θ}}_{k+1}}{\tan {\mathrm{\θ}}_{k+2}-\tan {\mathrm{\θ}}_k}\left|\right)}\right|$

其中h_k为平台旋转光源在编号为k(1≤k≤N-2)的线阵CCD上的光点高度，

因此，当平台旋转光源依次扫描过三个相邻的线阵CCD时，作为CPU的DSP可以根据接收到的线阵CCD输出信号h_k、h_k+1、h_k+2近似计算出当前平台的倾角θ_x和θ_y的值，由θ_x和θ_y的公式可知，倾角值与线阵CCD的输出信号h_k以及基座圆周半径有关，由于现有线阵CCD的检测精度能达到微米量级，因此合理选择R的值即能测量得高精度的倾角值。

线阵CCD的检测分辨率为h₀(单位：米)，根据测角原理，可利用公式

测量倾角的精度及量程。

本发明能够准确测量和计算平台的倾角，易于实现，能够满足高频响的控制要求，此外，由于测量元件采用光学元件，大大提高了倾角测量的频率响应及测量的精度。本发明中，由于现有线阵CCD的检测精度能达到微米量级，当基座圆周半径R大于或等于1米时，所述测量方法的测量精度将小于1角秒，相比于现有倾角传感器，其精度提高一倍以上；频率响应同比提高超过50％。

现有线阵CCD的靶面高度约为10cm，当R取1米时，所述测量方法的测角量程约为5度，而现有的同精度的电子水平仪量程通常小于0.1度。

Claims (3)

1.一种高精度高频响的平台倾角测量装置，其特征在于：它包括电源模块(1)、基准光源(2)、旋转光源(3)、线阵CCD模块(4)、CPU(5)和待测平台(6)；

电源模块(1)分别为基准光源(2)、旋转光源(3)、线阵CCD模块(4)和CPU(5)提供工作电源，旋转光源(3)的底部固定在待测平台(6)的上表面；基准光源(2)的底部固定在待测平台(6)上表面的中心位置；线阵CCD模块(4)中的N个CCD均匀分布在待测平台(6)边缘的圆周上，线阵CCD模块(4)的高度信号输出端连接CPU(5)的高度信号输入端；3≤N≤24。

2.根据权利要求1所述的一种高精度高频响的平台倾角测量装置，其特征在于：CPU(5)采用DSP数字处理器实现。

3.采用权利要求1所述的一种高精度高频响的平台倾角测量装置测量平台倾角的方法，其特征在于：

旋转光源(3)与高转速扫描线阵CCD模块(4)保持同步运动，基准光源(2)与旋转光源(3)同步转动，旋转光源(3)运动过程中在CCD屏幕上留下高度不等的光点；

以基准光源(2)发出的基准光所在平面的圆心为原点，以任意一个线阵CCD所在位置与该圆心的连线为x轴，以其圆周平面内的垂线为y轴，以过圆心且垂直于圆周平面的直线为z轴建立空间直角坐标系；

对x正半轴上的线阵CCD，其中第k个线阵CCD上旋转光源(3)扫描时的光点高度与其基准光源(2)光点高度之差为h_k，则第k个线阵CCD上旋转光源的光点坐标为(Rcosθ_k，Rsinθ_k，h_k)，其中

R为线阵CCD模块(4)中N个线阵CCD构成的圆的半径；1≤k≤N-2；

当旋转光源(3)依次扫描过第k个、第k+1个和第k+2个CCD时，线阵CCD模块(4)将相邻三个线阵CCD上光点的高度信号h_k、h_k+1、h_k+2输入到CPU(5)中，CPU(5)接收线阵CCD模块的输出信号，并对收线阵CCD模块(4)的输出信号进行计算，通过公式：

${\mathrm{\θ}}_x=\arctan \left|\frac{h_{k+1}-\left|\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_k-\cos {\mathrm{\θ}}_{k+1}}{\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_3}\right|\·|h_{k+2}-h_k|-\min (h_k,h_{k+2})}{R\left(\right|\sin {\mathrm{\θ}}_{k+1}-\sin {\mathrm{\θ}}_k|-|(\cos {\mathrm{\θ}}_k-\cos {\mathrm{\θ}}_{k+1})(\tan {\mathrm{\θ}}_k-\tan {\mathrm{\θ}}_{k+2})\left|\right)}\right|,$

${\mathrm{\θ}}_y=\arctan \left|\frac{h_{k+1}-\left|\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_k-\sin {\mathrm{\θ}}_{k+1}}{\sin {\mathrm{\θ}}_k-\sin {\mathrm{\θ}}_{k+2}}\right|\·|h_{k+2}-h_k|-\min (h_k,h_{k+2})}{R\left(\right|\cos {\mathrm{\θ}}_{k+1}-\cos {\mathrm{\θ}}_{k+2}|-|\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_{k+2}-\sin {\mathrm{\θ}}_{k+1}}{\tan {\mathrm{\θ}}_{k+2}-\tan {\mathrm{\θ}}_k}\left|\right)}\right|;$

进行计算，获得待测平台(6)在两个相互垂直方向的倾角信息θ_x和θ_y的值；完成平台倾角的测量。

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