CN105091746B - 应用于航天器舱段地面对接的空间坐标系标定方法 - Google Patents

应用于航天器舱段地面对接的空间坐标系标定方法 Download PDF

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应用于航天器舱段地面对接的空间坐标系标定方法,属于空间靶标的高精度测量技术领域。为了解决现有航天器舱段地面对接时定位的方法精度低的问题。本发明利用激光跟踪仪靶球和T‑Probe进行测量,当进行水平对接时,设置靶球的位置,利用靶球的测量,分别建立移动段端面的标定坐标系和固定段端面的标定坐标系,进而确定固定段端面相对于移动段端面的相对位置关系;当进行垂直对接时,设置靶球和T‑Probe的位置,利用靶球和T‑Probe的测量,分别建立移动段端面的标定坐标系和固定段端面的标定坐标系,利用坐标系转换关系,从而确定固定段端面相对于移动段端面的相对位置关系。本发明用于航天器大型舱段的对接。

Description

应用于航天器舱段地面对接的空间坐标系标定方法
技术领域
本发明属于空间靶标的高精度测量技术领域。
背景技术
目前,大部分航天器大型舱段的对接和分离为垂直状态的吊装方式,其安全与质量主要依靠工艺人员的工程经验和操作人员的个体技能水平,对接的稳定性与精度均无法得到保证。而利用机械并联机构进行的舱段自动化对接可以有效的解决对接的稳定性问题,机械并联机构虽然具有较高的重复定位精度,但其定位精度收到自身结构的影响,不能达到高精度装配的要求。
空间坐标系标定技术在飞机、火箭及导弹的自动化装配生产过程中发挥了不可替代的重要作用。因此开展空间坐标系标定技术的研究,对于提升航天器生产的技术水平,具有非常重大的意义和价值。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有航天器舱段地面对接时定位的方法精度低的问题,本发明提供一种应用于航天器舱段地面对接的空间坐标系标定方法。
本发明的应用于航天器舱段地面对接的空间坐标系标定方法,
所述方法基于激光跟踪仪实现,所述激光跟踪仪的靶标分为靶球和T-Probe,靶球测量后输出靶球中心的空间三自由度坐标,T-Probe测量后输出T-Probe本体的空间六自由度坐标,所述方法包括:
当进行水平对接时,固定段端面与移动段端面均为平面,在固定段端面选取三个基准点,在选取的三个基准点上分别固定三个靶球S1、S2和S3,取S1和S2连线的中点S左移dmm的点O1为坐标原点,以向量为Z1轴,向量为Y1轴,X1轴垂直于S1、S2和S3组成的平面,指向由右手定则确定,且过点O1,由此建立固定段端面的标定坐标系O1-X1Y1Z1;d为端面到靶球球心的距离;
在移动段端面选取三个基准点,在选取的三个基准点上分别固定三个靶球M1、M2和M3,取M1和M2连线的中点M右移d mm的点O2为坐标原点,以向量为Z2轴,向量为Y2轴,X2轴垂直于组成的平面,指向由右手定则确定,且过点O2,建立移动段端面的标定坐标系O2-X2Y2Z2
根据获得固定段端面的标定坐标系O1-X1Y1Z1和移动段端面的标定坐标系O2-X2Y2Z2,确定固定段端面相对于移动段端面的相对位置关系;
当进行垂直对接时,在移动段端面的前半部分的两个销孔分别固定靶球S1和靶球S2,以向量为端面坐标系的z轴,S1与S2连线的中点为坐标系原点,利用T-Probe测量移动段端面后半部分端面的任意三个点在激光跟踪仪坐标系下的坐标,根据获得的任意三个点的坐标,确定相应端面的法相向量,所述法相向量指向为坐标系的y轴,同时根据右手定则确定出坐标系的x轴指向,由此建立舱段垂直对接的移动段端面的标定坐标系;
舱段垂直对接的固定段端面的标定坐标系方法与舱段垂直对接的移动段端面的标定坐标系方法相同;
根据获得固定段端面的标定坐标系和移动段端面的标定坐标系,利用坐标系转换关系,求得固定段端面坐标系相对于移动段端面坐标系的转换坐标系,从而确定固定段端面相对于移动段端面的相对位置关系。
当进行水平对接时,所述方法包括如下步骤:
步骤一:利用靶球S1、S2和S3确定固定段端面上三个基准点在激光跟踪仪坐标系下的坐标,分别为 且S1和S2连线的中点S在激光跟踪仪坐标系下的坐标为
步骤二:根据求得的三个基准点的坐标求出向量和向量获得向量和向量的夹角余弦值从而求出S1、S2和S3在固定段端面的标定坐标系下的坐标 其中,
步骤三:根据S1、S2和S3在激光跟踪仪坐标系下和固定段端面的标定坐标系下的坐标,利用坐标系转换方法求得固定段端面的标定坐标系;
步骤四:根据步骤一至步骤三的方法,获得移动段端面的标定坐标系;
步骤五:根据步骤三获得的固定段端面的标定和步骤四获得的移动段端面的标定坐标系,利用坐标系转换关系求得固定段端面的标定坐标系相对于移动段端面坐标系的转换坐标系,从而可以确定固定段端面相对于移动段端面的相对位置关系。
所述步骤三包括:
步骤三一:根据S1、S2和S3在固定段端面的标定坐标系下的坐标,获得向量利用叉乘公式求得向量将向量 单位化,得到固定段端面的标定坐标系下的矩阵 垂直于向量和向量
步骤三二:根据S1、S2和S3在激光跟踪仪坐标系下的坐标,获得三个单位化后向量在激光跟踪仪坐标系下的矩阵
步骤三三,根据公式Q=RLSP,求出固定段端面的标定坐标系到激光跟踪仪坐标系的转换矩阵RLS
步骤三四:根据步骤三三获得的转换矩阵RLS,利用公式获得固定段端面的标定坐标系下原点在激光跟踪仪坐标系下的坐标O1=(XS,YS,ZS)',以向量为Z1轴,向量为Y1轴,X1轴垂直于S1、S2和S3组成的平面,指向由右手定则确定,且过点O1,获得固定段端面的标定坐标系相对于激光跟踪仪坐标系的转换坐标系。
当进行垂直对接时,所述方法包括如下步骤:
步骤一:利用两个靶球先测量舱段固定段端面前半部分的两个销孔在激光跟踪仪下的坐标以向量为端面坐标系的z轴,将向量单位化,得到z轴单位向量S1与S2连线的中点为激光跟踪仪坐标系下原点坐标
步骤二:利用T-Probe测量舱段固定段端面后半部分平面上任意三个点在激光跟踪仪坐标系下的坐标分别为
步骤三:根据步骤二获得的三个点的坐标,求取固定段端面后半部分的法向量:
根据 获得向量求取舱段固定段端面后半部分平面法向量在激光跟踪仪坐标系下的坐标分量:
既为由三个点确定的平面的法相向量在激光跟踪仪坐标系下的坐标分量;
根据右手定则,将单位化,获得 即为固定段端面的标定坐标系的y轴单位向量在激光跟踪仪坐标系下的坐标分量;
步骤四:在固定段端面的标定坐标系下,利用下式根据右手定则求得固定段端面的z轴单位向量在激光跟踪仪坐标系下的坐标分量:
进而确定固定段端面的标定坐标系相对于激光跟踪仪坐标系的转换矩阵根据转换矩阵确定固定段端面的标定坐标系;
步骤五:根据步骤一到四的方法,利用靶球和T-Probe求取移动段端面的标定坐标系相对于激光跟踪仪坐标系的转换矩阵根据转换矩阵确定移动段端面的标定坐标系;步骤六:根据获得固定段端面的标定坐标系和移动段端面的标定坐标系,利用坐标系转换关系,求得固定段端面坐标系相对于移动段端面坐标系的转换坐标系,从而确定固定段端面相对于移动段端面的相对位置关系。
利用T-Probe测量移动段端面后半部分端面的任意三个点在激光跟踪仪坐标系下的坐标的方法为:
将T-Probe的尾端小球紧贴于移动段端面后半部分端面上任意一个点,调整T-Probe姿态使光线照射到T-Probe上,此时通过T-Probe测量得到T-probe尾端小球中心在激光跟踪仪坐标系下的坐标。
本发明的有益效果在于,本发明利用激光跟踪仪进行高精度、大范围的测量,利用其精密测量技术通过将测量到的单点位置信息转换为对接端面的坐标系信息,建立空间坐标系对对接端面的空间位置进行标定,从而确定两对接端面间的空间相对位置关系,以达到提高定位精度,达到高精度安装的目的。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中的激光跟踪仪的靶球测量原理示意图。
图2是本发明具体实施方式中激光跟踪仪的T-Probe测量原理示意图。
图3是本发明具体实施方式中,当舱段当进行水平对接时,固定段端面和移动段端面标定坐标系的原理示意图。
图4是本发明具体实施方式中,当舱段当进行垂直对接时,固定段端面和移动段端面标定坐标系的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1和图3说明本实施方式,本实施方式所述的应用于航天器舱段地面对接的空间坐标系标定方法,所述方法基于激光跟踪仪实现,所述激光跟踪仪的靶标分为靶球和T-Probe,靶球测量后输出靶球中心的空间三自由度坐标,
激光跟踪仪测量精度控制在微米级,靶标为靶球时,激光跟踪仪测量的事目标靶球中心点的水平夹角α、垂直夹角β以及中心点与原点的距离S来测定其空间位置的,并通过如下球坐标系到直角坐标系三坐标转换得到如下表达式:
由此目标靶球中心点在激光跟踪仪坐标系下的坐标(X,Y,Z);
所述方法包括:
当进行水平对接时,固定段端面与移动段端面均为平面,在固定段端面选取三个基准点,在选取的三个基准点上分别固定三个靶球S1、S2和S3,取S1和S2连线的中点S左移dmm的点O1为坐标原点,以向量为Z1轴,向量为Y1轴,X1轴垂直于S1、S2和S3组成的平面,指向由右手定则确定,且过点O1,由此建立固定段端面的标定坐标系O1-X1Y1Z1;d为端面到靶球球心的距离;
在移动段端面选取三个基准点,在选取的三个基准点上分别固定三个靶球M1、M2和M3,取M1和M2连线的中点M右移d mm的点O2为坐标原点,以向量为Z2轴,向量为Y2轴,X2轴垂直于组成的平面,指向由右手定则确定,且过点O2,建立移动段端面的标定坐标系O2-X2Y2Z2
根据获得固定段端面的标定坐标系O1-X1Y1Z1和移动段端面的标定坐标系O2-X2Y2Z2,确定固定段端面相对于移动段端面的相对位置关系;
动段端面坐标系的转换坐标系,从而确定固定段端面相对于移动段端面的相对位置关系。
具体实施方式二:结合图1和图3说明本实施方式,本实施方式是对具体实施方式一所述的应用于航天器舱段地面对接的空间坐标系标定方法的进一步限定,
当进行水平对接时,所述方法包括如下步骤:
步骤一:利用靶球S1、S2和S3确定固定段端面上三个基准点在激光跟踪仪坐标系下的坐标,分别为 且S1和S2连线的中点S在激光跟踪仪坐标系下的坐标为
步骤二:根据求得的三个基准点的坐标求出向量和向量获得向量和向量的夹角余弦值从而求出S1、S2和S3在固定段端面的标定坐标系下的坐标 其中, d=25;此处三点在固定级段X方向坐标均为25mm是因为激光跟踪仪测的是靶球的球心位置,因此要加上靶球球心沿X轴方向的偏移量;
步骤三:根据S1、S2和S3在激光跟踪仪坐标系下和固定段端面的标定坐标系下的坐标,利用坐标系转换方法求得固定段端面的标定坐标系:
步骤三一:根据S1、S2和S3在固定段端面的标定坐标系下的坐标,获得向量利用叉乘公式求得向量将向量 单位化,得到固定段端面的标定坐标系下的矩阵 垂直于向量和向量
步骤三二:根据S1、S2和S3在激光跟踪仪坐标系下的坐标,获得三个单位化后向量在激光跟踪仪坐标系下的矩阵
步骤三三,根据公式Q=RLSP,求出固定段端面的标定坐标系到激光跟踪仪坐标系的转换矩阵RLS
步骤三四:根据步骤三三获得的转换矩阵RLS,利用公式获得固定段端面的标定坐标系下原点在激光跟踪仪坐标系下的坐标O1=(XS,YS,ZS)',以向量为Z1轴,向量为Y1轴,X1轴垂直于S1、S2和S3组成的平面,指向由右手定则确定,且过点O1,获得固定段端面的标定坐标系相对于激光跟踪仪坐标系的转换坐标系;
步骤四:根据步骤一至步骤三的方法,获得移动段端面的标定坐标系;
步骤五:根据步骤三获得的固定段端面的标定和步骤四获得的移动段端面的标定坐标系,利用坐标系转换关系求得固定段端面的标定坐标系相对于移动段端面坐标系的转换坐标系,从而可以确定固定段端面相对于移动段端面的相对位置关系。
具体实施方式三:结合图1、图2和图4说明本实施方式,本实施方式所述的应用于航天器舱段地面对接的空间坐标系标定方法,所述方法基于激光跟踪仪实现,所述激光跟踪仪的靶标分为靶球和T-Probe,靶球测量后输出靶球中心的空间三自由度坐标,T-Probe测量后输出T-Probe本体的空间六自由度坐标;
靶标为靶球时,激光跟踪仪测量的事目标靶球中心点的水平夹角α、垂直夹角β以及中心点与原点的距离S来测定其空间位置的,并通过如下球坐标系到直角坐标系三坐标转换得到如下表达式:
由此目标靶球中心点在激光跟踪仪坐标系下的坐标(X,Y,Z);
靶标为T-Probe时,T-Probe自身的坐标系及转动方向如图2所示。激光跟踪仪捕捉的位置信息为靶球尾端的小球S在激光跟踪仪坐标系下的坐标分量,转换为直角坐标系后的点坐标为(X,Y,Z),对于其角度信息,定义绕X轴转动角为俯仰角(Pitch),绕Y轴转动角为偏航角(Yaw),绕Z轴转动角为滚转角(Roll)。通过T-Probe上集成的反射球可以测出其雷尼绍探头相对于激光跟踪仪的位置;通过T-Probe上十个LED灯阵,配合激光跟踪仪的T-Cam,可以测出其滚转角、偏航角和俯仰角6,由这三个角可以即可得出T-Probe坐标系到激光跟踪仪本体坐标系的转换矩阵;
根据T-Probe测得三个欧拉角,利用激光跟踪仪默认的转换顺序可以求出T-Probe坐标系到激光跟踪仪坐标系的转换矩阵RLeica,如下式所示。
所述方法包括:
当进行垂直对接时,在移动段端面的前半部分的两个销孔分别固定靶球S1和靶球S2,以向量为端面坐标系的z轴,S1与S2连线的中点为坐标系原点,利用T-Probe测量移动段端面后半部分端面的任意三个点在激光跟踪仪坐标系下的坐标,根据获得的任意三个点的坐标,确定相应端面的法相向量,所述法相向量指向为坐标系的y轴,同时根据右手定则确定出坐标系的x轴指向,由此建立舱段垂直对接的移动段端面的标定坐标系;
舱段垂直对接的固定段端面的标定坐标系方法与舱段垂直对接的移动段端面的标定坐标系方法相同;
根据获得固定段端面的标定坐标系和移动段端面的标定坐标系,利用坐标系转换关系,求得固定段端面坐标系相对于移
具体实施方式四:结合图1、图2和图4说明本实施方式,本实施方式是对具体实施方式三所述的应用于航天器舱段地面对接的空间坐标系标定方法的进一步限定,当进行垂直对接时,所述方法包括如下步骤:
步骤一:利用两个靶球先测量舱段固定段端面前半部分的两个销孔在激光跟踪仪下的坐标以向量为端面坐标系的z轴,将向量单位化,得到z轴单位向量S1与S2连线的中点为激光跟踪仪坐标系下原点坐标
步骤二:利用T-Probe测量舱段固定段端面后半部分平面上任意三个点在激光跟踪仪坐标系下的坐标分别为 可以得知由这三个点确定的平面与固定段端面后半部分平面相平行,因此,这三个点确定的平面的法相向量即为固定段端面后半部分平面的法相向量;
步骤三:根据步骤二获得的三个点的坐标,求取固定段端面后半部分的法向量:
根据 获得向量求取舱段固定段端面后半部分平面法向量在激光跟踪仪坐标系下的坐标分量:
既为由三个点确定的平面的法相向量在激光跟踪仪坐标系下的坐标分量;
根据右手定则,将单位化,获得即为固定段端面的标定坐标系的y轴单位向量在激光跟踪仪坐标系下的坐标分量;
步骤四:在固定段端面的标定坐标系下,利用下式根据右手定则求得固定段端面的z轴单位向量在激光跟踪仪坐标系下的坐标分量:
进而确定固定段端面的标定坐标系相对于激光跟踪仪坐标系的转换矩阵根据转换矩阵确定固定段端面的标定坐标系;
步骤五:根据步骤一到四的方法,利用靶球和T-Probe求取移动段端面的标定坐标系相对于激光跟踪仪坐标系的转换矩阵根据转换矩阵确定移动段端面的标定坐标系;步骤六:根据获得固定段端面的标定坐标系和移动段端面的标定坐标系,利用坐标系转换关系,求得固定段端面坐标系相对于移动段端面坐标系的转换坐标系,从而确定固定段端面相对于移动段端面的相对位置关系。
本实施方式中,利用T-Probe测量移动段端面后半部分端面的任意三个点在激光跟踪仪坐标系下的坐标的方法为:
将T-Probe的尾端小球紧贴于移动段端面后半部分端面上任意一个点,调整T-Probe姿态使光线照射到T-Probe上,此时通过T-Probe测量得到T-probe尾端小球中心在激光跟踪仪坐标系下的坐标。

Claims (5)

1.一种应用于航天器舱段地面对接的空间坐标系标定方法,所述方法基于激光跟踪仪实现,所述激光跟踪仪的靶标分为靶球和T-Probe,靶球测量后输出靶球中心的空间三自由度坐标,T-Probe测量后输出T-Probe本体的空间六自由度坐标,其特征在于,所述方法包括:
当进行水平对接时,固定段端面与移动段端面均为平面,在固定段端面选取三个基准点,在选取的三个基准点上分别固定三个靶球S1、S2和S3,取S1和S2连线的中点S左移d mm的点O1为坐标原点,以向量为Z1轴,向量为Y1轴,X1轴垂直于S1、S2和S3组成的平面,指向由右手定则确定,且过点O1,由此建立固定段端面的标定坐标系O1-X1Y1Z1;d为端面到靶球球心的距离;
在移动段端面选取三个基准点,在选取的三个基准点上分别固定三个靶球M1、M2和M3,取M1和M2连线的中点M右移dmm的点O2为坐标原点,以向量为Z2轴,向量为Y2轴,X2轴垂直于M1、M2和M3组成的平面,X2轴的指向由右手定则确定,且过点O2,建立移动段端面的标定坐标系O2-X2Y2Z2
根据获得固定段端面的标定坐标系O1-X1Y1Z1和移动段端面的标定坐标系O2-X2Y2Z2,确定固定段端面相对于移动段端面的相对位置关系;
当进行垂直对接时,在移动段端面的前半部分的两个销孔分别固定靶球S1和靶球S2,以向量为端面坐标系的z轴,S1与S2连线的中点为坐标系原点,利用T-Probe测量移动段端面后半部分端面的任意三个点在激光跟踪仪坐标系下的坐标,根据获得的任意三个点的坐标,确定相应端面的法相向量,所述法相向量指向为坐标系的y轴,同时根据右手定则确定出坐标系的x轴指向,由此建立舱段垂直对接的移动段端面的标定坐标系;
舱段垂直对接的固定段端面的标定坐标系方法与舱段垂直对接的移动段端面的标定坐标系方法相同;
根据获得固定段端面的标定坐标系和移动段端面的标定坐标系,利用坐标系转换关系,求得固定段端面坐标系相对于移动段端面坐标系的转换坐标系,从而确定固定段端面相对于移动段端面的相对位置关系。
2.根据权利要求1所述的应用于航天器舱段地面对接的空间坐标系标定方法,其特征在于,当进行水平对接时,所述方法包括如下步骤:
步骤一:利用靶球S1、S2和S3确定固定段端面上三个基准点在激光跟踪仪坐标系下的坐标,分别为且S1和S2连线的中点S在激光跟踪仪坐标系下的坐标为
步骤二:根据求得的三个基准点的坐标求出向量和向量获得向量和向量的夹角余弦值从而求出S1、S2和S3在固定段端面的标定坐标系下的坐标其中,
步骤三:根据S1、S2和S3在激光跟踪仪坐标系下和固定段端面的标定坐标系下的坐标,利用坐标系转换方法求得固定段端面的标定坐标系;
步骤四:根据步骤一至步骤三的方法,获得移动段端面的标定坐标系;
步骤五:根据步骤三获得的固定段端面的标定坐标系和步骤四获得的移动段端面的标定坐标系,利用坐标系转换关系求得固定段端面的标定坐标系相对于移动段端面的标定坐标系的转换坐标系,从而可以确定固定段端面相对于移动段端面的相对位置关系。
3.根据权利要求2所述的应用于航天器舱段地面对接的空间坐标系标定方法,其特征在于,所述步骤三包括:
步骤三一:根据S1、S2和S3在固定段端面的标定坐标系下的坐标,获得向量利用叉乘公式求得向量将向量单位化,得到固定段端面的标定坐标系下的矩阵 垂直于向量和向量
步骤三二:根据S1、S2和S3在激光跟踪仪坐标系下的坐标,获得三个单位化后向量在激光跟踪仪坐标系下的矩阵
步骤三三,根据公式Q=RLSP,求出固定段端面的标定坐标系到激光跟踪仪坐标系的转换矩阵RLS
步骤三四:根据步骤三三获得的转换矩阵RLS,利用公式获得固定段端面的标定坐标系下原点在激光跟踪仪坐标系下的坐标O1=(XS,YS,ZS)′,以向量为Z1轴,向量为Y1轴,X1轴垂直于S1、S2和S3组成的平面,指向由右手定则确定,且过点O1,获得固定段端面的标定坐标系相对于激光跟踪仪坐标系的转换坐标系。
4.根据权利要求1所述的应用于航天器舱段地面对接的空间坐标系标定方法,其特征在于,
当进行垂直对接时,所述方法包括如下步骤:
步骤一:利用两个靶球先测量舱段固定段端面前半部分的两个销孔在激光跟踪仪下的坐标以向量为端面坐标系的z轴,将向量单位化,得到z轴单位向量S1与S2连线的中点为激光跟踪仪坐标系下原点坐标
步骤二:利用T-Probe测量舱段固定段端面后半部分平面上任意三个点在激光跟踪仪坐标系下的坐标分别为
步骤三:根据步骤二获得的三个点的坐标,求取固定段端面后半部分的法向量:
根据获得向量求取舱段固定段端面后半部分平面法向量在激光跟踪仪坐标系下的坐标分量:
既为由三个点确定的平面的法相向量在激光跟踪仪坐标系下的坐标分量;
根据右手定则,将单位化,获得 即为固定段端面的标定坐标系的y轴单位向量在激光跟踪仪坐标系下的坐标分量;
步骤四:在固定段端面的标定坐标系下,利用下式根据右手定则求得固定段端面的z轴单位向量在激光跟踪仪坐标系下的坐标分量:
进而确定固定段端面的标定坐标系相对于激光跟踪仪坐标系的转换矩阵根据转换矩阵确定固定段端面的标定坐标系;
步骤五:根据步骤一到四的方法,利用靶球和T-Probe求取移动段端面的标定坐标系相对于激光跟踪仪坐标系的转换矩阵根据转换矩阵确定移动段端面的标定坐标系;步骤六:根据获得固定段端面的标定坐标系和移动段端面的标定坐标系,利用坐标系转换关系,求得固定段端面坐标系相对于移动段端面坐标系的转换坐标系,从而确定固定段端面相对于移动段端面的相对位置关系。
5.根据权利要求4所述的应用于航天器舱段地面对接的空间坐标系标定方法,其特征在于,利用T-Probe测量移动段端面后半部分端面的任意三个点在激光跟踪仪坐标系下的坐标的方法为:
将T-Probe的尾端小球紧贴于移动段端面后半部分端面上任意一个点,调整T-Probe姿态使光线照射到T-Probe上,此时通过T-Probe测量得到T-probe尾端小球中心在激光跟踪仪坐标系下的坐标。
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