CN103954267A - 基于线阵ccd的二次平台水平度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于线阵CCD的二次平台水平度测量系统及方法，涉及一种二次平台水平度测量系统及方法。它是为了适应对二次平台对于水平度的测量达到角秒级的需求。它的飞轮电机的定子竖直固定在单轴精密气浮转台的中心，激光器固定在飞轮电机的转子上；每N个CCD传感器等间距设置在基准平台的一侧；基准平台的每一侧的相邻两个CCD传感器的间距均相等。当二次平台在工作过程中，飞轮电机带动激光器旋转，使激光器发出的激光光束依次扫描16个CCD传感器；采集相邻三个CCD传感器上的激光位置，并根据该三个激光位置的高度构成一个平面，求解该平面的倾角，并作为二次平台的水平度测量结果。本发明适用于二次平台的水平度测量。

Description

基于线阵CCD的二次平台水平度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种二次平台水平度测量系统及方法。

背景技术

在现代社会中，经常需要高平面度的平台，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。

二次平台和六自由度气浮台轨道器及六自由度气浮台上升器共同构成交会对接仿真试验的核心部分。其中，以气浮球轴承和重力平衡伺服运动机构为核心组成的六自由度气浮台轨道器用来模拟轨道器动力学仿真状态；二次平台用来支撑六自由度气浮台轨道器，实现高精度自动调平；与六自由度上升器配合，实现完整的交会对接动力学与控制全物理仿真试验。整个系统运行在大型花岗岩平台上，是地面全物理仿真试验的核心和基础平台；也为未来的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。水平度测量是整个自动调平系统的一部分，主要实现激光扫描平面水平度测量。

现有的水平测量系统一般是根据倾角传感器或者光栅式编码器来测量水平度，但是在该系统中由于二次平台时刻存在着无明显规律的运动，而倾角传感器实质上是一种加速度传感器，只能在静态工作时保证较高的精度，而无法在动态工作时达到理想的精度，而光栅式编码器则需要一个相对稳定的转轴来进行测量，可是该系统中二次平台气浮在大平台上，没有定轴，所以也不适合用光栅式编码器，二次平台本身对于水平度的要求达到角秒级。

发明内容

本发明是为了适应对二次平台对于水平度的测量达到角秒级的需求，从而提供一种基于线阵CCD的二次平台水平度测量系统及方法。

基于线阵CCD的二次平台水平度测量系统，它包括二次平台、飞轮电机、激光器1-1和4N个CCD传感器1-3；N为大于或等于3的整数；

二次平台包括基准平台1-2和单轴精密气浮转台；单轴精密气浮转台设置在基准平台1-2的中心位置；所述基准平台1-2为矩形平板结构；

飞轮电机的定子竖直固定在单轴精密气浮转台的中心，激光器1-1固定在飞轮电机的转子上；所述激光器1-1输出的激光在水平方向传播；

每N个CCD传感器1-3等间距设置在基准平台1-2的一侧；基准平台1-2的每一侧的相邻两个CCD传感器1-3的间距均相等。

它还包括倾角传感器，所述倾角传感器设置在二次平台上。

它还包括DSP，所述DSP的N个CCD传感器信号输入端与N个CCD传感器的输出端连接。

基于上述装置的基于线阵CCD的二次平台水平度测量方法，它的方法为：

当二次平台在工作过程中，飞轮电机带动激光器1-1旋转，使激光器1-1发出的激光光束依次扫描N个CCD传感器1-3；

采集相邻三个CCD传感器1-3上的激光位置，并根据该三个激光位置的高度构成一个平面，求解该平面的倾角，并作为二次平台的水平度测量结果。

本发明能够对二次平台本身对于水平度的测量达到角秒级，充分适应了需求。为平台系统的调平提供依据。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的测量系统的俯视图；图中标记1至16是16个CCD传感器的编号；

图3是测量平台倾角的原理示意图；图中标记3-1为整个平台中心，也应是16个线阵CCD感光面法线的交点，1-1为二次平台上被飞轮电机带动旋转的激光器，1-2为线阵CCD，3-2为二次平台所行走的平面缩略图，代表整个30M*40M的大平台，也是整个二次平台的水平运动范围；标记3-3为二次平台主体；

图4是线阵CCD的光谱响应仿真示意图；

图5是点源对微面元的照度的原理示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本具体实施方式，基于线阵CCD的二次平台水平度测量系统，它包括二次平台、飞轮电机、激光器1-1和4N个CCD传感器1-3；N为大于或等于3的整数；

二次平台包括基准平台1-2和单轴精密气浮转台；单轴精密气浮转台设置在基准平台1-2的中心位置；所述基准平台1-2为矩形平板结构；

飞轮电机的定子竖直固定在单轴精密气浮转台的中心，激光器1-1固定在飞轮电机的转子上；所述激光器1-1输出的激光在水平方向传播；

每N个CCD传感器1-3等间距设置在基准平台1-2的一侧；基准平台1-2的每一侧的相邻两个CCD传感器1-3的间距均相等。

工作原理：如图1所示，在30m×40m的基准平台上，二次平台由安装在气浮平台上的激光器扫描，通过若干个线阵CCD图像传感器，将角度测量转换为长度测量，最终实现水平度精确实时测量。

二次平台系统的各项性能指标及参数如表1-1：

表1-1系统主要性能参数及指标

整个水平测量系统设计步骤如下：

1、测量方案设计

如图2所示，在基准平台周围1.5m处分布了4×4个线阵CCD传感器，CCD传感器像元平面垂线指向基准平台中心。在激光器扫描的一个周期内每枚传感器都会有一个感应区间，不在一条直线上任意3点确定一个平面，最终可以求出水平度偏角。

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3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。

2、测量系统的标定

测量系统安装完成后，需要进行标定，运行一段时间后由于地基的形变等原因也需要定期检定，所以设计测量系统方便、快捷、准确的标定方法也很重要。

标定基准：水平仪的测量精度为0.001mm/m，测量范围为0～±500mm/m，

标定内容：线阵CCD的零位，线阵CCD的倾角测量系数。

标定方法：

1)、零位的标定

A)、将二次平台置于大理石平台中心，误差为±1mm。最大量程范围内造成的测量误差为0.041"，水平仪误差为0.21"，可用于测量系统的标定。

2)、启动二次平台的激光扫描器，调整二次平台，高度位于各CCD的中心附近，倾角为0，

3)、记录各CCD的读数记为CCD0(1)、CCD0(2)…CCD0(24),CCD0(i),i＝1～24,即为CCD传感器的零位。

2)、倾角测量系数的标定

A)、在水平标定完成的基础上,调整二次平台绕Rx方向倾斜100"

如图2所示，标定5-8和13-16号CCD的倾角系数。

B)、调整二次平台绕Rx方向倾斜100标定1-4和9-12号CCD的倾角系数。

3)、记录各CCD的读数记为CCDK(1)、CCDK(2)…CCDK(24)，CCDK(i)，i＝1～24，换算成倾角记为CCDθ(1)、CCDθ(2)......CCDθ(24)，100/CCDθ(i)，即为CCD传感器的倾角测量系数。

3、线阵CCD的选择：

轴气浮转台带动基准光源高速旋转，设计单轴气浮台回转精度±0.5″，转速10000rpm，这样每6ms扫描一周，30×40m四周均匀安装16个线阵CCD。

激光扫描的可见区域中，调整机构的安装直径为1.5m，球铰链过光部分的直径均小于0.1m。被遮挡的概率为0.1*3/1.5/3.14＝6.37％，两台同时工作时被遮挡概率不大于12.74％。16个CCD至少12个可以看，由于3点即可决定一个平面，因此可以满足测量个数的需求。

已知基准平台平整度公差为±5mm，倾角为1.5角分，可以计算出由基准平台引起的误差投影到CCD上的位移为±17.45mm。气足的气膜波动引起的角度误差为±40″，投影到CCD上的位移±8mm。激光的束散角为0.35mrad，投影到CCD上的位移为±14.5mm，可以计算出全量程CCD最大长度需求为±39.95mm，最小长度为±25.45mm，进一步可以计算出长度为±25.45mm时的精度测量范围为±40′′，而最大测量范围为±112″。

设计CCD距光源的最小距离为2.5m，可以求出分辨率为±0.1″时,每个像素为1.21μm。若CCD距光源的最大距离为40.5m时，可以求出分辨率为±0.1″时，每个像素为19.63μm，二次平台位于距离大平台中央位置40m方向上需要的像素约为10μm,30m方向上为8μm，综合市场产品的实际情况选择7μm，使用高于10428个有效像元的线阵CCD器件即可。

4、半导体光源的选择：

激光波长范围：CCD应用系统可大致分为摄像和检测两种类型。不同类型对照明光源有不同的要求，应根据需要选用，显然本测量系统属于检测系统。

检测系统一般有两种：一种是通过测量被检测物体的像来测量被检测物体的某些特性参数；另一种是通过测量被检测物体的空间频谱分布确定被检测物体的某些特征参数。对于前者，只要选用白炽灯或卤钨灯作为照明光源就可以实现；而对于后者，应选用激光照明，因为它能满足单色性好、相干性好、光束准直精度高等要求。CCD器件的光谱响应范围为0.2～1.1μm，峰值响应波长为0.55μm，如图4所示，故选择波长为0.4～0.7μm的激光。

光源照度匹配：CCD器件是积分型器件，输出电流信号和CCD器件光敏面上的照度有关，也和两次取样的时间间隔，即积分时间有关。在正常工作范围有：

I＝KE_vt      (2-1)

式中：E_v为光敏面的照度；I为输出电流信号；K为比例常数；t为两次取样时间间隔。

Q_v＝E_vt      (2-2)

式中:Q_v曝光量(lx·s)。

对于既定元件，曝光量应限定在一定的范围内，其上限为饱和曝光量Q_sat。对于摄像和以光度测量为基础的CCD应用系统，光敏面上任何光敏单元上的曝光量Q_v均应低于Q_sat，否则将产生画面亮度失真或者产生较大的测量误差。

由公式(2-2)可知，可通过适当选择CCD器件光敏面上的照度和两次采样间隔时间t两个参数来达到要求。但是，采样时间一般由驱动器的转移脉冲周期决定，通常为确定值，所以调节曝光量通常是通过调节CCD光敏面上的光照来实现。要求光敏面上的任何一点的照度应满足：

$E_v<\frac{Q_{\mathrm{sat}}}{t}---(2-3)$

光敏面的照度也不能太低，如果某点的照度低于CCD的灵敏阈，这些较暗部分便无法测出，从而产生较大的测量误差。

激光器发光功率匹配：

一般来讲，不会以发光强度作为激光的标称值，取而代之的是发光功率，而发光功率和光敏面的照度有着密切关系。

通常认为，当距离大于辐射源线度尺寸10倍以上时，可以看成点光源。图4给出了点源对微面元的照度，设O为点源，由几何关系不难得出：

A_F＝π(R_L+0.5θl)²/cosδ      (2-4)

式中A_F为距光源l处光斑面积(mm²)；R_L为激光的光束半径(mm)；θ为激光的光束发散角(mrad)；δ为受照面所在平面法线n与辐射方向夹角(°)；l为受照面距点源的距离(m)。

如果不考虑传播中的能量损失，则有：

P_v＝E_vA_F      (2-5)

式中P_v为点源向光斑的发射功率(μw)。

据此公式，进而根据平台的具体情况来选择不同功率和束散角的半导体激光器。

根据本发明，最后的误差将取决于CCD的分辨率、行频和所采用的算法的误差，当采用12280*1分辨率，24k行频的CCD时，测量系统最后的误差在控制在40角秒以内，在二次平台动态环境下的线阵CCD水平测量的实时性，准确性和稳定性远小于单独依靠倾角传感器或是光栅式编码器所进行的测量结果。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于线阵CCD的二次平台水平度测量系统的区别在于，它还包括倾角传感器，所述倾角传感器设置在二次平台上。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的基于线阵CCD的二次平台水平度测量系统的区别在于，它还包括DSP，所述DSP的N个CCD传感器信号输入端与N个CCD传感器的输出端连接。

具体实施方式四、基于具体实施方式一的基于线阵CCD的二次平台水平度测量方法，它的方法为：

当二次平台在工作过程中，飞轮电机带动激光器1-1旋转，使激光器1-1发出的激光光束依次扫描N个CCD传感器1-3；

采集相邻三个CCD传感器1-3上的激光位置，并根据该三个激光位置的高度构成一个平面，求解该平面的倾角，并作为二次平台的水平度测量结果。

Claims (4)

1.基于线阵CCD的二次平台水平度测量系统，其特征是：它包括二次平台、飞轮电机、激光器(1-1)和4N个CCD传感器(1-3)；N为大于或等于3的整数；

二次平台包括基准平台(1-2)和单轴精密气浮转台；单轴精密气浮转台设置在基准平台(1-2)的中心位置；所述基准平台(1-2)为矩形平板结构；

飞轮电机的定子竖直固定在单轴精密气浮转台的中心，激光器(1-1)固定在飞轮电机的转子上；所述激光器(1-1)输出的激光在水平方向传播；

每N个CCD传感器(1-3)等间距设置在基准平台(1-2)的一侧；基准平台(1-2)的每一侧的相邻两个CCD传感器(1-3)的间距均相等。

2.根据权利要求1所述的基于线阵CCD的二次平台水平度测量系统，其特征在于它还包括倾角传感器，所述倾角传感器设置在二次平台上。

3.根据权利要求1或2所述的基于线阵CCD的二次平台水平度测量系统，其特征在于它还包括DSP，所述DSP的N个CCD传感器信号输入端与N个CCD传感器的输出端连接。

4.基于权利要求1的基于线阵CCD的二次平台水平度测量方法，其特征在于，它的方法为：

当二次平台在工作过程中，飞轮电机带动激光器(1-1)旋转，使激光器(1-1)发出的激光光束依次扫描N个CCD传感器(1-3)；

采集相邻三个CCD传感器(1-3)上的激光位置，并根据该三个激光位置的高度构成一个平面，求解该平面的倾角，并作为二次平台的水平度测量结果。