CN104457688A - 卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置，该装置将带有CCD成像和自动准直功能的经纬仪、视觉搜索相机、精密转台、精密导轨等装置进行集成，将被测卫星固定于精密转台上，根据卫星上多个待测设备的理论安装位置，通过精密导轨、精密转台进行测量装置的自动定位，再在小范围内通过视觉搜索相机对基准立方镜进行图像识别和搜索实现自动精确准直，最终实现批量设备姿态角度矩阵的自动化测量。本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置，在有理论安装数据的条件下，可实现以光学立方镜为基准的不同设备之间姿态角度矩阵的自动化测量，测量精度优于5″，测量效率可以达到每分钟一项。

Description

卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置

技术领域

本发明属于工业测量领域，具体涉及在卫星系统集成装配中，对大量以立方镜为基准坐标系的设备相对参考基准立方镜姿态角度矩阵进行高精度自动化测量的测量装置，该装置主要应用于航天器系统级总装集成、精密光学系统集成等先进工业制造中。

背景技术

在以卫星总装为代表的现代大型精密系统集成制造过程中，需要精密测量大量设备相对参考基准的姿态角度矩阵。需要高精密装配的设备的基准一般采用光学基准立方镜，用基准立方镜的镜面法线代表设备坐标系坐标轴的指向。因此测量设备相对参考基准的姿态角度矩阵，就是测量大量被测基准立方镜镜面法线相对参考基准立方镜镜面法线之间的空间夹角。由于大量的设备安装位置的随机性，镜面法线夹角测量就表现为远距离异面直线夹角的测量。测量难点表现为：1)任意两条法线之间不想交，且距离远；2)测量精度要求高，一般在角秒量级；3)测量工作量大，一颗类似航天器的复杂系统，需要测量的项目在几十项甚至达到上百项。

目前国内外异面直线间夹角测量技术研究的较少。天津大学的裘祖荣教授、张国雄教授课题组提出了基于摄影测量的异面直线夹角测量方法，即在不同被测设备或部件上固定多个靶标点，通过CCD成像测量靶标点拟合不同直线实现异面直线间的夹角测量，详见天津大学的胡文川在《光学精密工程》2012年第20卷第7期发表的论文“大尺寸空间异面直线夹角的检测”。该方法测量精度只能达到角分量级，且不适合以光学立方镜为基准的异面直线间的夹角测量。针对基于光学立方镜为基准的异面直线夹角测量，目前普遍采用的是经纬仪建站测量方法。即利用带有准直功能的高精度经纬仪如徕卡TM5100A等，分别准直待测的平面镜、立方镜，然后通过经纬仪之间的互瞄，利用经纬仪的码盘数值计算得到异面直线之间的夹角。如解放军信息工程大学的杨振等在2008年数字测绘与GIS技术应用研讨交流会上发表的论文“准直测量进行高精度立方镜间关系标定”。但由于经纬仪观测时必需用人眼观测，受经纬仪布站远近、光照等环境因素影响，测量精度不高，且无法实现自动化测量。本发明中提出了根据设备的安装理论数据，利用精密转台、精密导轨将带有CCD成像功能的自动准直经纬仪移动定位到理论测量位置，在此基础上利用视觉搜索相机对被测基准立方镜的姿态位置进行局部搜索，引导CCD自动准直经纬仪对位置和光管指向进行进一步精调，最后实现对大量基准立方镜姿态角度矩阵的高精度自动化测量。

随着航天航空以及大型精密光学系统等先进制造工业的发展，对以光学立方镜为测量基准的设备安装姿态角度矩阵测量需求越来越多，精度要求越来越高，因此大量设备安装姿态角度矩阵自动化测量方法具有广泛的应用前景，可以促进未来航天航空等大型复杂系统集成制造业的发展。

发明内容

本发明的总体思想在于将带有CCD成像和自动准直功能的经纬仪、视觉搜索相机、精密转台、精密导轨等装置集成为一个自动测量系统，将被测卫星固定于精密转台上，根据卫星上待测设备的理论安装数据，计算出CCD准直经纬仪的最优位置，通过精密导轨、精密转台进行测量装置的自动定位，再在小范围内通过视觉搜索相机对基准立方镜进行图像识别和搜索实现自动准直，最终实现批量设备姿态角度矩阵的自动化测量，测量精度可以达到角秒级。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置，包括二维导轨Z向移动装置、二维导轨X向移动装置、二维调平装置、CCD自动准直经纬仪、视觉搜索相机、隔振平台、工控机、精密转台，二维导轨Z向移动装置和二维导轨X向移动装置组合成二维导轨，通过二维调平装置承载CCD准直经纬仪在XZ面内平行移动，视觉搜索相机用于对设置在精密转台上的被测卫星局部成像，通过模式识别搜索到被测卫星上设置的被测基准立方镜，并计算出基准立方镜相对CCD准直经纬仪的位置，视觉搜索相机机械固定在CCD准直经纬仪顶部，精密转台用于承载被测卫星，带动被测卫星绕Z轴转动，并给出实际转动角度值θ，通过转动使卫星上被测基准立方镜侧面法线指向CCD准直经纬仪，精密转台带有自动调平功能实现自动调平，隔振平台用于承载所有测量装置中的各部件，以减少外界振动对测量精度的影响；其中，隔振平台上还设置工控机，工控机控制测量装置中的各部件并采集其相应数据，计算出基准立方镜间的姿态角度矩阵。

其中，工控机与CCD自动准直经纬仪连接，读取经纬仪的CCD图像、经纬仪的水平角H和俯仰角E，并发出控制指令，使CCD自动准直经纬仪精确准直被测卫星上的被测基准立方镜的反射镜面；工控机与视觉搜索相机连接，读取相机的图像信息，并进行图像处理和计算；工控机与精密转台连接，向精密转台发出控制指令使转台转动，读取精密转台实际转动的角度θ；工控机与二维导轨Z向移动装置、二维导轨X向移动装置连接，向导轨发出控制指令使导轨带动CCD准直经纬仪平行移动所需要的距离。

其中，二维导轨Z向移动装置和精密转台通过螺钉固定安装在隔振平台上。

其中，CCD自动准直经纬仪用于准直基准立方镜的反射面并通过螺钉固定安装于二维调平装置上。

其中，二维调平装置用于承载CCD准直经纬仪，二维调平装置带有水平传感器和自动调平机构。

其中，二维调平装置通过螺钉固定安装于二维导轨X向移动装置上。

本发明具有如下的有益效果：

通过本发明中的高精度自动化测量方法及装置，在有理论安装数据的条件下，可以实现卫星上以光学立方镜为基准的不同设备之间姿态角度矩阵的自动化测量。测量精度优于5″，测量效率可以达到每分钟一项。目前该方法和装置在卫星总装中已经得到了良好的应用。

附图说明

图1为本发明中使用的通常的基准立方镜示意图。

图2为本发明中模拟卫星上的基准立方镜分布的示意图。

图3为本发明中基准立方镜间的相对姿态角度矩阵。

图4为本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置示意图。其中，1－二维导轨Z向移动装置、2—二维导轨X向移动装置、3－二维调平装置、4－CCD准直经纬仪、5－视觉搜索相机、6－隔振平台、7－工控机、8-隔振平台。

图5为本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置在XOY面的投影示意图。

图6为本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置在XOZ面的投影示意图。

图7为本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置的内部通信连接示意图。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

本文中，术语“基准立方镜”是指一个用光学玻璃做成的正交六面体，如图1所示，包括顶面、底面和四个侧面，每个面均镀有反射膜，每相邻的两个反射面法线相互正交，3个相互正交的镜面法线代表设备本体坐标系的坐标轴x,y,z指向。

被测卫星上可以用不同基准立方镜分别代表卫星上设置的不同设备，如图2所示，给出了本发明中模拟卫星上的基准立方镜分布的示意图，若干被测基准立方镜设置在被测卫星上以表示各个不同的设备。其中，本发明中涉及的姿态角度矩阵是指被测基准立方镜的3个坐标轴相对参考基准立方镜的3个坐标轴的空间夹角构成的角度矩阵。例如，图2中的被测基准立方镜C_bn相对参考基准立方镜C_bj的姿态角度矩阵如图3所示，分别由九个角度来表示。

图4为本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置示意图。图5为本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置在XOY面的投影示意图。图6为本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置在XOZ面的投影示意图。整个测量系统全局坐标系原点定义在精密转台的上端面中心，垂直水平面向上为Z轴，沿二维导轨X向移动装置的移动方向为X轴，Y轴由右手法则确定，二维导轨坐标系与全局坐标系平行。在XOY投影平面上布局如图5所示，二维导轨X向移动装置中心与精密转台中心连线平行于Y轴，到原点的距离设为ΔY。在XOZ投影平面上布局如图6所示，将精密转台的上端面设为Z方向的初始位置0。其中，本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置，包括二维导轨Z向移动装置1、二维导轨X向移动装置2、二维调平装置3、CCD自动准直经纬仪4、视觉搜索相机5、隔振平台6、工控机7、精密转台8，二维导轨Z向移动装置1和二维导轨X向移动装置2组合成二维导轨，通过二维调平装置3承载CCD准直经纬仪4在XZ面内平行移动，视觉搜索相机5用于对设置在隔振平台6上的被测卫星局部成像，通过模式识别搜索到被测卫星上设置的被测基准立方镜，并计算出基准立方镜相对CCD准直经纬仪4的位置，视觉搜索相机5机械固定在CCD准直经纬仪4顶部，精密转台8用于承载被测卫星，带动被测卫星绕Z轴转动，并给出实际转动角度值θ，通过转动使卫星上被测基准立方镜侧面法线指向CCD准直经纬仪4，精密转台8带有自动调平功能实现自动调平，隔振平台6用于承载所有测量装置中的各部件，以减少外界振动对测量精度的影响；其中，隔振平台6上还设置工控机7，工控机7与CCD自动准直经纬仪4连接，读取经纬仪的CCD图像、经纬仪的水平角H和俯仰角E，并发出控制指令，使CCD自动准直经纬仪4精确准直被测卫星上的被测基准立方镜的反射镜面；工控机7与视觉搜索相机5连接，读取相机的图像信息，并进行图像处理和计算；工控机7与精密转台8连接，向精密转台8发出控制指令使转台转动，读取精密转台8实际转动的角度θ；工控机7与二维导轨Z向移动装置1、二维导轨X向移动装置2连接，向导轨发出控制指令使导轨带动CCD准直经纬仪4平行移动所需要的距离，本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置的内部通信连接示意图如图7所示。二维导轨Z向移动装置1和精密转台8通过螺钉固定安装在隔振平台6上；CCD自动准直经纬仪4用于准直基准立方镜的反射面并通过螺钉固定安装于二维调平装置3上，二维调平装置3用于承载CCD准直经纬仪4，二维调平装置3带有水平传感器和自动调平机构，二维调平装置3通过螺钉固定安装于二维导轨X向移动装置上。

使用本发明中的测量装置测量卫星上多个被测基准立方镜相对参考基准立方镜姿态角度矩阵时，首先将被测卫星通过销螺钉固定安装在精密转台上。通过转台上的销钉孔进行定位，使卫星本体坐标系与精密转台坐标系重合。同时将卫星上基准立方镜C_bj、C_b1、C_b2……C_bn相对卫星本体坐标系的理论安装位置和姿态角度矩阵输入到工控机中，由工控机根据输入的理论安装数据计算出测量每个基准立方镜上两个相邻侧面法线(如图2中的X_bj、Y_bj、X_b1、Y_b1、X_b2、Y_b2……X_bn、Y_bn)时，精密转台所需要转动的角度θ，CCD准直经纬仪的水平角H和俯仰角E以及CCD准直经纬仪在二维导轨的X向和Z向需要移动的距离ΔX、ΔZ。如对于被测基准镜C_bn的镜面法线X_bn，则得到以下信息(θ′_Xbn、H′_Xbn、E′_Xbn、ΔX_Xbn、ΔZ_Xbn)。工控机根据得到的上述理论信息，对测量各个镜面法线的顺序进行优化，将CCD准直经纬仪沿二维导轨X向或Z向依次移动到需要测量的位置，将CCD准直经纬仪水平角和俯仰角预置成理论角度H′_Xbn、E′_Xbn，将精密转台转动预定的角度θ′_Xbn。此时若被测镜面法线X_bn进入CCD准直经纬仪的视野，则CCD准直经纬仪会自动进行水平角和俯仰角调整实现精确准直，根据最终实际测量得到的经纬仪水平角H_Xbn和俯仰角E_Xbn以及精密转台的转动角θ_Xbn计算出镜面法线X_bn相对全局坐标系X轴、Y轴、Z轴的空间夹角α_xnX、β_xnY、γ_xnZ。若被测镜面X_bn没有进入CCD准直经纬仪的视野，则视觉搜索相机自动执行搜索程序，引导CCD准直经纬仪沿二维导轨的X轴、Z轴移动，并调整经纬仪的水平角H_Xbn和俯仰角E_Xbn，使被测镜面法线X_bn进入CCD准直经纬仪的视野，然后再开始测量得到镜面法线X_bn相对全局坐标系X轴、Y轴、Z轴的空间夹角α_xnX、β_xnY、γ_xnZ。计算α_xnX、β_xnY、γ_xnZ角的余弦值，可以得到镜面法线X_bn在全局坐标系下的单位矢量 $\stackrel{\→}{X_{\mathrm{bn}}}=(\cos \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{xnX}}\right),\cos \left({\mathrm{\β}}_{\mathrm{xnX}}\right),\cos \left(Y_{\mathrm{xnX}}\right)).$ 最后依次测量得到所有基准镜侧面法线在全局坐标系下的单位矢量每个基准立方镜的两个相邻侧面法线矢量可以叉乘得到顶面的法线矢量，从而得到 $\stackrel{\→}{Z_{b1}},\stackrel{\→}{Z_{b1}},\stackrel{\→}{Z_{\mathrm{bn}}}.$

最后由矢量夹角计算公式得到被测基准镜Cbn镜面法线相对于参考基准立方镜C_bj镜面法线的夹角。如与的夹角被测基准镜C_bn相对于参考基准立方镜C_bj镜的姿态角度矩阵如公式(1)所示。

$\left\{\begin{array}{ccc}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{xbnxbj}}& {\mathrm{\β}}_{\mathrm{xbnybj}}& {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xbnzbj}}\\ {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ybnxbj}}& {\mathrm{\β}}_{\mathrm{ybnybj}}& {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ybnzbj}}\\ {\mathrm{\α}}_{\mathrm{zbnxbj}}& {\mathrm{\β}}_{\mathrm{zbnybj}}& {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{zbnzbj}}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以根据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.卫星上批量设备姿态角度矩阵的自动化测量装置，包括二维导轨Z向移动装置、二维导轨X向移动装置、二维调平装置、CCD自动准直经纬仪、视觉搜索相机、隔振平台、工控机、精密转台，二维导轨Z向移动装置和二维导轨X向移动装置组合成二维导轨，通过二维调平装置承载CCD准直经纬仪在XZ面内平行移动，视觉搜索相机用于对设置在精密转台上的被测卫星局部成像，通过模式识别搜索到被测卫星上设置的被测基准立方镜，并计算出基准立方镜相对CCD准直经纬仪的位置，视觉搜索相机机械固定在CCD准直经纬仪顶部，精密转台用于承载被测卫星，带动被测卫星绕Z轴转动，并给出实际转动角度值θ，通过转动使卫星上被测基准立方镜侧面法线指向CCD准直经纬仪，精密转台带有自动调平功能实现自动调平，隔振平台用于承载所有测量装置中的各部件，以减少外界振动对测量精度的影响；其中，隔振平台上还设置工控机，工控机控制测量装置中的各部件并采集其相应数据，计算出基准立方镜间的姿态角度矩阵。

2.如权利要求1所述的自动化测量装置，其中，工控机与CCD自动准直经纬仪连接，读取经纬仪的CCD图像、经纬仪的水平角H和俯仰角E，并发出控制指令，使CCD自动准直经纬仪精确准直被测卫星上的被测基准立方镜的反射镜面；工控机与视觉搜索相机连接，读取相机的图像信息，并进行图像处理和计算；工控机与精密转台连接，向精密转台发出控制指令使转台转动，读取精密转台实际转动的角度θ；工控机与二维导轨Z向移动装置、二维导轨X向移动装置连接，向导轨发出控制指令使导轨带动CCD准直经纬仪平行移动所需要的距离。

3.如权利要求1所述的自动化测量装置，其中，二维导轨Z向移动装置和精密转台通过螺钉固定安装在隔振平台上。

4.如权利要求1所述的自动化测量装置，其中，CCD自动准直经纬仪用于准直基准立方镜的反射面并通过螺钉固定安装于二维调平装置上。

5.如权利要求1-4任一项所述的自动化测量装置，其中，二维调平装置用于承载CCD准直经纬仪，二维调平装置带有水平传感器和自动调平机构。

6.如权利要求1-4任一项所述的自动化测量装置，其中，二维调平装置通过螺钉固定安装于二维导轨X向移动装置上。