CN103983189B

CN103983189B - 一种基于二次平台线阵ccd的水平位置测量方法

Info

Publication number: CN103983189B
Application number: CN201410208605.XA
Authority: CN
Inventors: 刘杨; 李理; 付振宪; 谭久彬
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2034-05-16
Also published as: CN103983189A

Abstract

本发明涉及基于二次平台线阵CCD的水平位置坐标的计算方法，属于超精密仪器设备测量系统的测量技术领域。本发明针对现有方法误差较大，致使整个线阵CCD测量系统的误差不符合指标或增加整个测量系统的硬件成本；二次平台系统仿真精确性和稳定性下降，影响全物理仿真的结果的问题。提出一种基于二次平台线阵CCD的水平位置测量方法：连接二次平台线阵CCD，将所有的线阵CCD摆放到预定的高度和位置；旋转半导体激光器，此时在系统中每过0.375ms都会有一个线阵CCD被扫过，从而发出一个有效的Z坐标数据；将所有实时得到的Z坐标数据进行计算处理，得到二次平台在水平位置的坐标。本发明适用于超精密仪器设备测量。

Description

一种基于二次平台线阵CCD的水平位置测量方法

技术领域

本发明涉及基于二次平台线阵CCD的水平位置测量方法，属于超精密仪器设备测量系统的测量技术领域。

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。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于二次平台线阵CCD的水平位置测量方法，以解决针对现有的测量方法的误差较大，导致的整个线阵CCD测量系统的误差不符合指标或者增加整个测量系统的硬件成本；也使整个二次平台系统仿真的精确性和稳定性下降，影响全物理仿真的结果的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

本发明所述的一种基于二次平台线阵CCD的水平位置测量方法，是按照以下步骤实现的：

步骤一、连接二次平台线阵CCD，将所有的线阵CCD摆放到预定的高度和位置；

步骤二、旋转半导体激光器，在系统中每过0.3～0.4ms都会有一个线阵CCD被扫过，从而发出一个有效的Z坐标数据；

步骤三、将所有实时得到的Z坐标数据进行计算处理，得到二次平台在水平位置的坐标的具体过程为：

步骤三(一)、将二次平台中心定义为原点，并定义出X轴、Y轴、Z轴，Z轴垂直于X轴与Y轴所形成的坐标平面，可直接从坐标平面得出各线阵的位置坐标；

步骤三(二)、设激光源以10000r/min的转速旋转，每次旋转都会打到线阵CCD上，假设在某一圈的旋转过程中，测到点A处被扫到的时间是t₁，点B处被扫到的时间是t₂，点C处被扫到的时间是t₃，由A点，B点，C点的时间差可求得激光源在从A点扫到B点以及从B点扫到C点所转过的角度：

α = \frac{10000 * 2 π}{60} * (t_{1} - t_{2}), β = \frac{10000 * 2 π}{60} * (t_{2} - t_{3});

步骤三(三)、连接AB，并以AB为弦作圆，并使得其圆周角的大小为α，其圆心角为2α；连接BC，并以BC为弦作圆，并使得其圆周角大小为β，其圆心角为2β；画出的两个圆，靠近平台中心的交点设为点D，在激光扫过的扇面中，D点的圆周角ADB和圆周角BDC分别是α和β，满足激光源在从A点扫到B点以及从B点扫到C点所转过的角度，得出点D正是激光源的位置；

步骤三(四)、设点D的坐标为(x，y)，则直线AD的斜率是直线BD的斜率是直线CD的斜率是

由直线夹角公式tanΓ＝k，tanφ＝u，则得出

\tan α = \frac{k_{1} - k_{2}}{1 + k_{1} k_{2}}, \tan β = \frac{k_{2} - k_{3}}{1 + k_{2} k_{3}};

\{\begin{matrix} α = \frac{10000 * 2 π}{60} * (t_{1} - t_{2}) \\ β = \frac{10000 * 2 π}{60} * (t_{2} - t_{3}) \\ \tan α = \frac{k_{1} - k_{2}}{1 + k_{1} k_{2}} \\ \tan β = \frac{k_{2} - k_{3}}{1 + k_{2} k_{3}} \\ k_{1} = \frac{21.5 - y}{3 - x} \\ k_{2} = \frac{12 - y}{16.5 - x} \\ k_{3} = \frac{4 - y}{16.5 - x} \\ - 15 < X < 15, - 20 < y < 20 \end{matrix}

至此得到D点坐标(x，y)的坐标值，从而确定出二次平台在水平位置的坐标。

本发明的有益效果是：

一、使整个线阵CCD测量系统的水平测量误差有所减小，并对硬件上某些环节产生的迟滞误差进行了补偿，节约了整个测量系统的硬件成本，增强了整个二次平台系统仿真的精确性和稳定性，使全物理仿真的结果更加可信。

二、可以在缩短响应时间的同时减少最后计算坐标结果的误差，并有着良好的实时性和准确性。

三、本发明产生的误差远低于毫米级，使系统在水平位置坐标测量上有了更好的准确性；时间误差为0.3～0.4ms,远远低于现有方法产生的误差，使系统在水平位置坐标测量上有了更好的实时性。

附图说明

图1为二次平台运动示意图，其中Rx和Ry是二次平台在水平倾角上绕X轴、Y轴的自由度，编号1～16均为CCD；图2为二次平台D点位置示意图，其中括号里为相应CCD的坐标值；图3为二次平台线阵CCD的水平测量系统示意图，其中1为二次平台，2为整个平台，3为旋转半导体激光器，4为线阵CCD。

具体实施方式

本发明所述方法是基于二次平台线阵CCD系统实现的，所述系统为：二次平台在一个30m*40m的大平台上运动，大平台四个边各有四个线阵CCD，共16个；其中型号为DL-635-100的半导体激光器固定在二次平台底座中心处的飞轮电机上，线阵CCD摆放高度应与半导体激光器基本一致，每个CCD连接自己的数据采集处理板卡，将数据处理的结果通过无线通信模块传送给上位机和二次平台的运动控制板卡。

具体实施方式一：本实施方式所述的一种基于二次平台线阵CCD的水平位置测量方法，是按照以下步骤实现的：

α = \frac{10000 * 2 π}{60} * (t_{1} - t_{2}), β = \frac{10000 * 2 π}{60} * (t_{2} - t_{3});

由直线夹角公式tanΓ＝k，tanφ＝u，则得出

\tan α = \frac{k_{1} - k_{2}}{1 + k_{1} k_{2}}, \tan β = \frac{k_{2} - k_{3}}{1 + k_{2} k_{3}};

\{\begin{matrix} α = \frac{10000 * 2 π}{60} * (t_{1} - t_{2}) \\ β = \frac{10000 * 2 π}{60} * (t_{2} - t_{3}) \\ \tan α = \frac{k_{1} - k_{2}}{1 + k_{1} k_{2}} \\ \tan β = \frac{k_{2} - k_{3}}{1 + k_{2} k_{3}} \\ k_{1} = \frac{21.5 - y}{3 - x} \\ k_{2} = \frac{12 - y}{16.5 - x} \\ k_{3} = \frac{4 - y}{16.5 - x} \\ - 15 < X < 15, - 20 < y < 20 \end{matrix}

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述方法还包括对水平坐标测量结果的误差补偿的步骤四：系统中的每个CCD的响应时间分别是固定的，记为T标定，响应时间造成的迟滞时间不变，在迟滞时间内的平台水平坐标变化所产生的误差的补偿方法为：D点坐标(x，y)的坐标值再加上响应时间T_标定*平台的水平移动速度V，误差补偿的表达式为:

D_x'＝D_x+V_x*T_标定；D_y'＝D_y+V_y*T_标定，从而得到更加精确的测量结果。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

本发明的实施例如下：

如图1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，经过算法处理确定感应点。

现有的算法一般是根据光线扫过的三个标定点来确定一个平面，由平面与基础平面和光线的运动平面之间的交线来确定平台的水平位置的坐标。但在这种算法里，这个环节所产生的误差将会因为标定相应时间而累积3次，因为光点的运动时间累计两次，并且在平台进行无规则运动时，平面所确定的点也会产生较大的误差。所以我们采用了基于二次平台线阵CCD的水平位置测量算法，可以在缩短响应时间的同时减少最后计算坐标结果的误差。

表1-1系统主要性能参数及指标

采用表1-1数据的实施例为：平台移动的速度在0.35m/s,在选用线阵CCD在24k行频左右时候，本发明产生的误差将远低于毫米级，时间误差为0.375ms,这种算法使系统在水平位置坐标测量上有了更好的准确性和实时性。

本发明中误差的产生和补偿如下：

本发明的误差主要来自默认在激光扫过三个线阵CCD计算坐标时，平台此间的水平位置坐标变化忽略不计，所以在10000r/min的16个线阵CCD的测量系统中，每0.3～0.4ms计算出一个水平坐标值，在0.3～0.4ms内的平台水平坐标变化便是无法补偿的系统误差。

误差补偿方法为：光源打到线阵CCD上之后，需要经历响应时间才能真正的把Z坐标的输出结果发送到系统中，以现有系统的线阵CCD为例，行频是24Khz，再加上采集处理数据的时间，确定系统中的CCD响应时间应该是固定的，记为响应时间T(几十微秒级)，由于系统中响应时间T造成的结果迟滞时间基本不变。所以，最后的水平坐标应该再加上响应时间T*V平台(平台的水平移动速度)，才是更加精确的，考虑了迟滞时间的水平坐标结果。

Claims

1.一种基于二次平台线阵CCD的水平位置测量方法，其特征在于所述方法是按照以下步骤实现的：

α = \frac{10000 * 2 π}{60} * (t_{1} - t_{2}), β = \frac{10000 * 2 π}{60} * (t_{2} - t_{3});

由直线夹角公式tanΓ＝k，tanφ＝u，则得出

\tan α = \frac{k_{1} - k_{2}}{1 + k_{1} k_{2}}, \tan β = \frac{k_{2} - k_{3}}{1 + k_{2} k_{3}};

\{\begin{matrix} α = \frac{10000 * 2 π}{60} * (t_{1} - t_{2}) \\ β = \frac{10000 * 2 π}{60} * (t_{2} - t_{3}) \\ \tan α = \frac{k_{1} - k_{2}}{1 + k_{1} k_{2}} \\ \tan β = \frac{k_{2} - k_{3}}{1 + k_{2} k_{3}} \\ k_{1} = \frac{21.5 - y}{3 - x} \\ k_{2} = \frac{12 - y}{16.5 - x} \\ k_{3} = \frac{4 - y}{16.5 - x} \\ - 15 < X < 15, - 20 < y < 20 \end{matrix}

2.根据权利要求1所述的一种基于二次平台线阵CCD的水平位置测量方法，其特征在于所述方法还包括对水平坐标测量结果的误差补偿的步骤四：系统中的每个CCD的响应时间分别是固定的，在迟滞时间内的平台水平坐标变化所产生的误差的补偿方法为：D点坐标(x，y)的坐标值再加上响应时间T_标定*平台的水平移动速度V，误差补偿的表达式为:D_x'＝D_x+V_x*T_标定；D_y'＝D_y+V_y*T_标定。