CN105043438A - 空间物体多维参数测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种空间物体多维参数测量装置,包括三个角度编码器N1、N2、N3和一个直线位移传感器,角度编码器N1的旋转轴与角度编码器N2的旋转轴垂直相交于一点;角度编码器N3的旋转轴连接被测物体,且垂直于被测物体的旋转平面(平行于被测物体B的旋转轴线),直线位移传感器连接在度编码器N1、N2的交点与角度编码器N3之间。本发明结构简单,测量过程简便,能够对空间运动物体的多维参数进行测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间运动物体的位置状态测量装置。
背景技术
运动物体的测量参数包括平面坐标、线速度、加速度、角速度和空间坐标等,但目前的测量装置测量参数少,没有一台测量设备能单独完成三维空间中物体多维参数的测量。如要完成三维空间中物体多维参数的测量,则需要使用多台测量设备共同进行测量,造成测量设备体积庞大、线路复杂。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种空间物体多维测量装置,体积小、外接线路简单。不仅可测量空间点坐标,还可以测量空间物体的运动状态。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括三个角度编码器N1、N2、N3和一个直线位移传感器;角度编码器N1的旋转轴与角度编码器N2的旋转轴垂直相交于一点;角度编码器N3的旋转轴连接被测物体,且垂直于被测物体的旋转平面(平行于被测物体B的旋转轴线),直线位移传感器连接在度编码器N1、N2的交点与角度编码器N3之间。
在空间直角坐标系xyz中,所述的角度编码器N1用于测量直线位移传感器与坐标Z轴之间的夹角β;角度编码器N2用于测量直线位移传感器在xoy平面内的投影与X轴之间的夹角α;角度编码器N3用于测量被测物体的旋转角度θ;直线位移传感器用于测量被测物体的移动长度L。
所述被测物体在空间直角坐标系xyz中的坐标为(Lsinβcosα,Lsinβsinα,Lcosβ);经过时间t后移动到点A’(x’,y’,z’)后的位移量为(Lsinβcosα-L’sinβ’cosα’,Lsinβsinα-L’sinβ’sinα’,Lcosβ-L’cosβ’);移动速度Vx=Δx/t=(Lsinβcosα-L’sinβ’cosα’)/t,Vy=Δy/t=(Lsinβsinα-L’sinβ’sinα’)/t,Vz=Δz/t=(Lcosβ-L’cosβ’)/t;加速度ax=ΔVx/t,ay=ΔVy/t,az=ΔVz/t;角速度ω=θ/t。
本发明的有益效果是:装置结构简单,测量过程简便,能够对空间运动物体的多维参数进行测量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是A点空间物体B在坐标系中的坐标确定示意图;
图3是A点空间方向的位移(Δx,Δy,Δz)示意图;
图4是空间物体B的旋转示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明,本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供一种多维测量装置,包括三个角度编码器N1、N2、N3和一个直线位移传感器L,由数据采集卡采集信息,再通过程序计算,最终通过屏幕显示所测参数。
如图1所示,在空间三维直角坐标系xyz中,O点是原点(或参考点),坐标为(x0,y0,z0);W是由直线OA(直线位移传感器L)和Z轴形成的平面,点A(x,y,z)是W平面中的任意一点;α角是点A(x,y,z)在xoy平面内的投影点a’(x,y)与原点O形成的直线与坐标轴X形成的夹角,α角也就是W平面与坐标轴X形成的夹角;β角是W平面内的直线OA与坐标轴Z之间的夹角。角度编码器N1旋转轴垂直于W平面,平行于xoy平面。角度编码器N1旋转轴与W平面垂直连接(即与测量用直线位移传感器L垂直);角度编码器N2旋转轴垂直于平面xoy,平行于W平面,角度编码器N1旋转轴和角度编码器N2旋转轴相互垂直;角度编码器N3旋转轴垂直于被测物体B的旋转平面(平行于被测物体B的旋转轴线),并与被测物体B连接,角度编码器N3与直线位移传感器L连接。
角度编码器N1用于测量直线位移传感器L与坐标Z轴之间的夹角β;角度编码器N2用于测量直线位移传感器L上的点A(x,y,z)投影在xoy平面内的点a’(x,y)与原点O形成的直线与X轴之间的夹角α;角度编码器N3用于测量在点A(x,y,z)的空间物体B的旋转角度θ;直线位移传感器L用于测量空间物体A点到原点O的直线OA长度。
根据采集的角度α、β、θ、长度值和时间参数t,通过公式数学计算,可以精确得到出空间物体B的A点空间坐标(x,y,z),以及空间物体B的空间方向位移(Δx,Δy,Δz)、空间方向速度(Vx,Vy,Vz)、空间方向加速度(ax,ay,az)、旋转角度θ和角速度ω。其原理如下:
(1)A点在坐标系中的坐标确定
空间物体B在xyz空间直角坐标系中轴上的投影是
x=Lsinβcosα(1-1)
y=Lsinβsinα(1-2)
z=Lcosβ(1-3)
由以上可得出空间物体B的坐标(Lsinβcosα,Lsinβsinα,Lcosβ);
(2)空间物体B的空间方向位移(Δx,Δy,Δz)
空间物体B从点A(x,y,z)移动到A’(x’,y’,z’)后,在A-A’之间就出现位移
︱AA’︱,这个位移在空间直角坐标系xyz中的投影是(Δx,Δy,Δz)(见图3)。
Δx=x-x’=Lsinβcosα-L’sinβ’cosα’(2-1)
Δy=y-y’=Lsinβsinα-L’sinβ’sinα’(2-2)
Δz=z-z’=Lcosβ-L’cosβ’(2-3)
因此,A点移动到A’点的位移在xyz空间直角坐标系投影是(Lsinβcosα-L’sinβ’cosα’,Lsinβsinα-L’sinβ’sinα’,Lcosβ-L’cosβ’);
(3)A点空间物体B的速度(Vx,Vy,Vz)测量
引入时间变量,可以测量出A点空间物体B在空间中运行的瞬时速度。即:V=ΔS/t。所以空间物体B在x方向、y方向和z方向运动的瞬时速度为
Vx=Δx/t=(Lsinβcosα-L’sinβ’cosα’)/t(3-1)
Vy=Δy/t=(Lsinβsinα-L’sinβ’sinα’)/t(3-2)
Vz=Δz/t=(Lcosβ-L’cosβ’)/t(3-3)
(4)A点空间物体B的加速度(ax,ay,az)测量
测量出A点空间物体B在空间中运行的速度变化情况,即加速度a=ΔV/t。所以,间物体B在x方向、y方向和z方向运动的加速度为
ax=ΔVx/t(4-1)
ay=ΔVy/t(4-2)
az=ΔVz/t(4-3)
(5)A点空间物体B的旋转角速度ω
采用角度编码器N3测量空间物体B的旋转的角度θ,再通过时间变量t计算角速度ω=θ/t。
Claims (3)
1.一种空间物体多维参数测量装置,包括三个角度编码器N1、N2、N3和一个直线位移传感器,其特征在于:角度编码器N1的旋转轴与角度编码器N2的旋转轴垂直相交于一点;角度编码器N3的旋转轴连接被测物体,且垂直于被测物体的旋转平面(平行于被测物体B的旋转轴线),直线位移传感器连接在度编码器N1、N2的交点与角度编码器N3之间。
2.根据权利要求1所述的空间物体多维参数测量装置,其特征在于:在空间直角坐标系xyz中,所述的角度编码器N1用于测量直线位移传感器与坐标Z轴之间的夹角β;角度编码器N2用于测量直线位移传感器在xoy平面内的投影与X轴之间的夹角α;角度编码器N3用于测量被测物体的旋转角度θ;直线位移传感器用于测量被测物体的移动长度L。
3.根据权利要求2所述的空间物体多维参数测量装置,其特征在于:所述被测物体在空间直角坐标系xyz中的坐标为(Lsinβcosα,Lsinβsinα,Lcosβ);经过时间t后移动到点A’(x’,y’,z’)后的位移量为(Lsinβcosα-L’sinβ’cosα’,Lsinβsinα-L’sinβ’sinα’,Lcosβ-L’cosβ’);移动速度Vx=Δx/t=(Lsinβcosα-L’sinβ’cosα’)/t,Vy=Δy/t=(Lsinβsinα-L’sinβ’sinα’)/t,Vz=Δz/t=(Lcosβ-L’cosβ’)/t;加速度ax=ΔVx/t,ay=ΔVy/t,az=ΔVz/t;角速度ω=θ/t。
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