CN1055237A - 摆动物体的运动参数动态测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种摆动物体的运动参数动态测量方 法及测量系统，采用多路同步工作的光电传感器，测 出设置在摆动物体上各光标相对于各自原始位置在 物体摆动时的线位移值和沿摆轴的轴向位移，经光电 信号转换和处理后，微机按一定的数学模型计算，并 对计算出的参数进行误差实时校正。消除了由于摆 心浮动和物体绕摆轴旋转对测量的影响，提高了测量 的精度和实时性，本发明还可作为检测单元参加导弹 控制系统的仿真试验和检验其设计的正确性。

Description

本发明是一种摆动物体的运动参数动态测量方法及装置，涉及到摆心浮动的摆动物体双向摆角及摆心位移的动态实时测量方法及测量系统。适用于测量导弹喷管运动的动态参数。

已有技术中，对摆心浮动的摆动物体的运动参数测量，尤其是对采用了柔性喷管的大型固体导弹、航天飞机的喷管摆角的测量，一般都采用与被测物有机械连接的接触式测量方法进行。国外广泛应用交流反馈传感器（差动变压器LVDT），固定在伺服系统的动作器上作为伺服回路的检测单元，输出一个与伺服机构作动筒位移成正比的信号来测量喷管的摆角，如美国北极星导弹A3一级发动机伺服控制系统的检测单元[NASASP-8114]。国内是采用接触式电位计或机械式位移传感器固定于伺服机构上来测量喷管摆角[宇航学报1985.1.NO1]。这类接触式的测量方法和装置，存在着以下不足之处：

1、测量精度低。一般电位计或差动变压器、机械位移传感器的自身精度低，参数一致性差，影响测量精度因素多，系统精度一般只能保证在0.5%～1%。

2、无法真实地测量被测参数。由于这类系统传感器均固定在伺服机构上，随伺服机构作动筒运动而运动，或者与喷管相连，随喷管摆动而运动，所以工作中因加载或高频振动引起的各种机械部件瞬时变形，导致的摆角变化，这些传感器是无法测出的。

3、难以测量被测量的高频部分。因为是机械连接，运动中，由于摩擦、机械构件的惯量等使测量系统的响应频率降低，故难以对被测物的高频部分敏感和测量。

4、用电位计的测量系统，因传感器数量较多，数学模型复杂，运算繁锁，因而测量的实时性受到限制，而且只能输出模拟信号。

本发明的目的在于避免上述现有技术的不足，而提供一种对摆心浮动的物体运动参数的动态非接触测量方法，以及利用该方法的实时测量系统。

本发明的技术方案是：采用线位移差测量原理，以大地座标系为基准，以摆动物体的摆动轴线原始位置为测量原点，采用多路同步工作的高速线阵CCD光电传感器，测出设置在摆动物体上各靶板上光标相对于各自原始位置在物体摆动时的线位移差值，以及光标沿摆轴的轴向线位移值（如图1所示），经过光电信号转换与数字信号处理后，送入微机按一定的数学模型进行运算，并对计算出的参数进行误差实时校正，得到所测的摆动物体运动参数的实时测量数据。

本发明测量系统的技术方案如下：测量系统由设置于摆动物体上的靶板和两个光电测量头、电气转接站及运算控制台组成。各路CCD光学测量头（Xn、Yn、Z）和各自的驱动电路，安装在光电测量头内。CCD光学测量头输出信号处理电路中，采用了匹配饱和放大电路及浮动阀值电平二值化处理电路，在整个系统中，采用统一时钟控制多路信号提取电路，保证多路信号同步采样，同时采用系统可变测量零点，确保测量精度。各路电路的输出、数据采集、传送和处理由计算机控制。

附图说明：

图1为本发明的测量原理图

图2为本发明测量系统方框图

图3为本发明光电测量头结构图

图4为本发明信号处理电路方框图。

本发明下面将结合实施例作进一步详进：

下面是本发明用于测量固体发动机柔性喷管的摆角、摆心位移参数实时测量的一个实施方案。如图2所示：采用五路同步工作的CCD光学测量头4，以大地座标系为基准，检测出设置在喷管1′壁上的靶标1及光标2绕喷管X、Y轴转动和沿Z轴方向运动时的相对线位移量，经光电转换与数字信号处理后，送入微机计算出喷管1′的瞬时摆角α_X、α_Y和摆心在Z轴方向的位移量Z。微机根据系统设置的基准参数，对α_X、α_Y、Z进行实时校正，以减少系统测量误差，最后输出实测摆角及摆心位移的数据。其测量系统由两个光电探测头3、电气转站9，运算控制台16、靶板1组成，各部分之间通过多芯电缆进行信号连接。

如图2所示：喷管1′上设置有两个靶板1，两个靶板1上共有五条有一定间隔的光标2及2′，与光标2及2′相对应的五个CCD光学测量头4（X₁4、X₂4、Y₁4、Y₂4、Z）和驱动电路5（X₁5、X₂5、Y₁5、Y₂5、Z5），分别安装在两个光电测量头X₃、Y₃内，一个光电测量头X₃中有三个CCD光学测量头X₁4、X₂4、Z₄（如图3所示），另一个光电测量头Y₃中有两个CCD光学测量头Y₁4、Y₂4，并且CCD都置于各自光学系统相应的焦面位置上。

测量时，五路CCD光学测量头同步工作，各自以喷管1′靶板上的光标2及2′为目标，通过光电测量头3中的各路光学系统成象在各路的CCD象面上。CCD光电传感器将光学信号转换为电信号并实时转换输出，通过统一的时序脉冲的驱动控制，实现对各光标2及2′的光学信息的同步光电转换和信号读出，使两个光电测量头3（X3、Y3），同时分别测出各个光标在喷管1′摆动时相对于测量中心的瞬时位移量X₁、X₂、Y₁、Y₂、Z、（如图1所示）。通过接口电路10把各路数据送入微机、计算出光标在X、Y、Z方向上相对于其原始位置测量中心的位移量和求出α_X、α_Y、Z值，其计算公式为：

α_X=tg^-1(Kx(X₁-X₂))/(H) α_y=tg^-1(Ky(y₁-y₂))/(H) Z＝Kz·Z′

考虑到测量中物距变化引起误差的校正及光学畸变的校正，α_X、α_Y、Z的计算公式为：

α_X=tg^-1｛ 1/(H) ｛ (X＇1)/(F1) ［L₁±(R₁－rtg (αy)/2 )tgα_y+ (L₁)/(X₁) △Xdis₁］-

(X＇₂)/(F₂) ［L₂±(R₂-rtg (αy)/2 )tgα_y+ (L₂)/(X₂) △Xdis₂］｝｝

αy=tg^-1｛ 1/(H) ｛ (y^＇ ₁)/(F₁) ［L₁±(R₁－rtg (α_y)/2 )tgα_X+ (L₁)/(y₁) △ydis₁］-

(y^＇ ₂)/(F₂) ［L₂±(R₂-rtg (αx)/2 )tgα_X+ (L₂)/(y₂) △ydis₂］｝｝

Z= (Z＇)/(F₃) ｛L₃±［R(1-COSαy)+R_ZSecα_XSinαy］｝-

Rz(Secα_X·COSα_y-1)-RSinα_y

其中：K_x、K_y、K_z为光学系统放大率，F₁、F₂、F₃为光学系统象距R_Z、H、R₁、R₂、L₁、L₂、r为光电测头及喷管的几何参数的（见图1）X1₁、X1₂、Y1₁、Y1₂、Z₁为光标象在CCD接收面上的实际位移△Xdls₁、△Xdls₂、△Ydls₁、△Ydls₂为光学系统畸变值。

由于喷管1′做随机运动，使光学图象离焦，或者由于光标2及2′亮度变化，其象成为模糊象斑，而引起CCD光学测量头4的输出信号幅度和前后沿斜率发生变化，造成测量误差。为精确测出模糊象斑中心位量，如图4所示，信号处理电路6中采用了匹配饱和放大电路，得到信号幅度或信号前后沿斜率基本稳定的输出信号，采用浮动阀值电平二值化处理电路，将可调直流电平和随信号幅度变化的直流电平同时送至比较器作为二值化阀值电平，即可使阀值电平随信号幅度的变化而变化，又可消除电路直流漂移和物距变化对阀值电平的影响。整个电路系统中，采用统一时钟控制电路8。主时钟由20MH_Z晶振产生，经多组分频与组合，产生系统工作所需的各种时序脉冲，分别送至各路CCD驱动电路5和信号处理电路，使系统在同一个时钟源的控制下同步工作。在对各路光标信号中心进行脉冲计数的计数电路中，以光积分控制脉冲的后沿作为计数的起始点，光标信号中心作为计数的终止点，计算机根据这些数据、计算出光标中心在测量座标系中的位置。系统的测量零位采用可变零位。在测量中每次测量时，由于被测目标很难精确回归测量座标原点，使下一次测量时测量座标原点发生变化，从而带入测量系统误差，此系统误差在不同次测量中不同，是无法预测的，因此不能予以校正。为消除这一误差影响，系统中采用可变测量零点的方法，使系统具有清零功能，即任何一次的测量终点都可以作为下一次测量零点，消除了零点变动带来的误差。

信号处理电路6、内接口电路10组装在电气转接站9内，各路输出、数据采集、传送和处理由运算控制台16中的微机11控制，其测量结果在CRT上显示由打印机14记录，或经D/A或A/D转换在模拟信号显示器13上显示，或经接口电路12输出。

本发明并不仅限于对摆角的测量，还可对伺服系统及被测装置的动态特性进行检测。除此以外，还可代替发动机喷管伺服系统检测单元参加控制回路工作，满足火箭姿态控制系统仿真试验要求。

本发明相比已有技术具有如下优点：

1、采用线位移差测量确定动态参数，不仅数学模型简单，且消除了由摆心浮动和摆动物体绕轴转动对测量的影响，提高了精度和实时性，扩大了测量范围。

2、测量时，以大地座标系为基准，以设置的光标为目标，测头与被测物无机械联系，不受被测物变形及振动等影响，能真实地测出被测物的摆角变化、支架的位移、变形和振动影响的瞬态过程。

3、测量系统的信号处理电路中采用匹配饱和放大技术及浮动阀值电平二值化处理技术，保证了稳定信号输出，消除了电流漂移的影响及测量中物距变化引起的象斑模糊的影响，提高了测量精度。

4、采用统一时钟控制多路信号提取，保证了多路采样同步，同时采用可变测量零点，使每次测量中避免了系统的归零误差，确保了测量精度。

5、测量系统自动化程度高，系统工作时实现了数据采集、变换、处理、传送、记录、显示、输出的全部自动化。

6、系统功能强。既可作为测量系统对各类摆角、位移及伺服控制系统的动态特性进行测量，由于系统有数字和模拟两种输出形式，也可作为检测单参加导弹控制系统的仿真试验，检验导弹控制系统设计的正确性及指示改进的方向。

7、系统的测量范围大，如：单向摆动最大角±8°（16°）

双向摆动最大合成角±11.314°

（22.624°）

8、系统的测量精度高，如：单向摆动时测角误差≤0.416‰

双向摆动时测角误差≤0.614‰

9、实时性好，采样及运算，数据输出频率达980H_Z、输出数据延时≤2.5毫秒。

Claims (10)

1、一种采用传感器测量摆动物体运动参数的动态测量方法，其特征在于以大地座标系为基准，以摆动物体的摆动轴线原始位置为测量原点，采用多路同步工作的线阵CCD光电传感器，测出设置于摆动物体上的各路光标相对于各自原始位置在物体摆动时标线两点间的线位移差值，以及光标沿物体摆动轴面的向线位移值，经过光电信息转换及数字信号处理，送入微机按一定的数学模型进行运算，并对计算出的参数进行误差实时校正，从而得到所测的摆动物体运动参数的实时测量数据。

2、如权利要求1所述的测量方法，其特征在于对在有限距离内光学成象的测量，采用模糊象斑中心位置测量来确定各点处的线位移值，并对物距变化引起的位移测量误差进行实时校正。

3、如权利要求1、2所述的测量方法，其特征在于为精确确定模糊象斑边缘及中心位置，采用匹配饱合放大和二值化浮动阀值电平技术。

4、如权利要求1、2、3所述的测量方法，其特征在于为保证多路信号采集及测量精度，采用统一时钟控制方法。

5、如权利要求1、2所述的测量方法，其特征在于为消除系统误差对测量精度的影响，采用了可变测量零点的方法。

6、一种由传感器接收目标信号的摆动物体运动参数的动态测量系统，其特征在于由摆动物体1′上的靶板1和与之对准的两个光电测量头3，以及对光电测量头3的输出信号进行模拟和数字处理和提供统一时钟信号的电气转接站9，和数据处理控制系统的运算控制台16组成。

7、如权利要求6所述的测量系统，其特征在于光电测量头3中安装有各路CCD光学测量头4及其驱动电路5，并且CCD光电传感器置于各路光学系统相应的焦面位置上。

8、如权利要求6所述的测量系统，其特征在于靶板1位于摆动物体轴线与摆动物体伺服动作器所在的平面内，并与摆动物体的摆轴平行。

9、如权利要求6、8所述的测量系统，其特征在于每个靶板1上至少有二条光标2（2′），CCD光学测量头的个数与光标数相对应。

10、如权利要求6所述的测量系统，其特征在于电气转接站9中信号处理电路6由时序脉冲发生器6-1、匹配饱和放大器6-2，浮动阀值二值化处理电路6-3、计数电路6-4组成。

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