CN106597019A - 对接机构综合试验系统在线校准装置直线速度校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明的空间对接机构综合试验系统在线校准装置直线速度校准方法，利用基于伺服电机和低频振动台组成的直线运动发生器作为进行直线运动速度参数的发生源，利用激光多普勒干涉仪作为直线运动速度校准比对测量工具，配合相应的工装夹具，将在线校准装置中的激光干涉仪反射球靶标底座与激光多普勒干涉仪的反射镜座安装在同一个进行直线运动的测量参考面上，通过同时监测两台设备的直线运动速度参数值，并对其数值进行比对，完成对空间对接机构综合试验系统在线校准装置直线速度的校准工作。

Description

对接机构综合试验系统在线校准装置直线速度校准方法

技术领域

本发明属于计量校准技术领域，运动速度校准技术，具体为空间对接机构综合试验系统在线校准装置直线速度验证方法。

背景技术

空间对接机构是个非常复杂的机电一体化机构，为了检验空间对接机构工作的可靠性以及考察空间恶劣环境对对接机构的影响，需要在地面进行大量的测试和试验。为此在空间对接机构研制的同时还研制了空间对接机构综合试验系统，其包括空间对接机构综合试验台、空间对接机构特性测试台和空间对接机构缓冲试验台，开展对空间对接机构整机性能及功能的全面测试试验，这些试验的数据为对接机构初始条件的建立和验证、对接机构的设计、性能的调整提供必要的依据。

空间对接机构综合试验系统多自由度运动模拟器可以模拟两个飞行器进行各种相对位置和姿态偏差条件下的对接，再现飞行器在特定空间环境条件下的接触、捕获、缓冲、拉紧和分离过程，也可以模拟航天器在对接过程中的滚转、偏航、俯仰等各种姿态。

空间对接机构综合试验系统运动速度校准装置用于对空间对接机构综合试验系统运动模拟器的直线运动速度和旋转运动速度进行校准。针对试验系统运动模拟器的运动特点，采用激光跟踪测量技术通过对运动模拟器上特征点的跟踪测量，利用CPU时钟进行采样，实现定时测距。将跟踪仪采样的数据(位移s-时间t)进行数据处理，利用内置软件转化成所需的速度量实现对运动模拟器位姿测量参数的校准。

运动速度校准装置由位姿校准单元（激光跟踪仪、控制器、反射靶镜、PC机等硬件）和SA软件组成，通过位姿校准单元动态测量和采集位移数据，同时基于计算机晶振实时采集时间参数，最后通过SA测量软件，经过数据处理，通过相应的软件算法，得到运动速度参数的值，实现对运动速度参数的现场校准。原理框图如图1所示。

测量时，将反射球放置在试验台运动平台上，跟踪仪对准反射球，反射球随运动平台作直线或旋转的匀速运动。激光跟踪仪通过软件设置采样频率，动态测量出反射球的运动轨迹。通过获取得到的位移参数和采样时间，利用软件算法计算得到运动平台的运动速度。

运动速度校准装置技术指标如下：

直线运动速度：

测量范围：（0.5～400）mm/s，测量不确定度：U _rel=1.0%，k=2

旋转运动速度：

测量范围：（0.1°/s ～ 2°/s），测量不确定度：U _rel=1.0%，k=2

目前对于运动速度校准装置的旋转运动速度参数的验证，主要可以采用高精密匀速转台配合相应的工装夹具，完成对其旋转速度的验证。但是对于直线运动速度参数的验证，目前国内外没有很好的解决办法。

中航工业北京长城计量测试技术研究所（航空304所）研制了圆轨迹发生器设计用于校准激光跟踪仪或其它具有目标跟踪能力的测量系统的动态性能，发生器本身可提供线速度范围为（0.5~10）m/s 的匀速转动，覆盖了当今市场主要跟踪仪跟踪速度的范围。可满足JJF 1242-2010 中规定的动态速度极限、动态示值误差和动态示值变动量等动态参数的校准，也可作为标准的转速用于其它仪器的检测或校准。使用时可由控制箱直接控制转速，操作方便。发生器体积小巧，便于携带。既适合实验室使用，又可用于现场使用。圆轨迹发生器主要部件为：转动部件、控制箱和控制电缆三部分；转动部分由伺服电机、驱动器和控制器等组成。控制箱内安装有电机的供电电源和再生放电钳。前后面板有操作开关、指示灯和通讯接口等。控制电缆用于连接转动部分和控制箱。

圆轨迹发生器技术指标为：

线速度测量范围：（0.5~10）m/s；

测量不确定度：U _rel=5%，k=2（3m/s条件下）；

加速度：默认为10 m/s² 或-10 m/s²。

航空304所的圆轨迹发生器虽然能够用于基于激光跟踪仪测量系统的在线校准装置的运动直线速度参数的校准，但是其加速度为恒定数值，与实际使用有一定差距，不能完全验证装置的技术能力。此外，圆轨迹发生器的相对测量不确定度为5%，与在线校准装置的1%有较大差距，难以对其进行校准。

对于基于激光干涉测量系统的在线校准装置的直线速度参数，没有与此相关的校准手段可供参考。目前也没有查阅到相关对于直线运动速度参数的在线校准的国内外研究资料。

发明内容

现有技术没有对于基于激光干涉测量系统的在线校准装置的直线速度参数，没有与此相关的校准手段可供参考。因此业界需要对接机构综合试验系统在线校准装置直线速度校准方法，，完成对空间对接机构综合试验系统在线校准装置直线速度的校准工作。

本发明的技术方案为：一种对接机构综合试验系统在线校准装置直线速度校准方法，其步骤包括：

步骤一、采用基于伺服电机和低频振动台组成的直线运动发生器作为进行直线运动速度参数的发生源；

步骤二、将在线校准装置中的激光干涉仪反射球靶标底座与激光多普勒干涉仪的反射镜座安装在同一个进行直线运动的测量参考面上；

步骤三、通过同时监测步骤二中两台设备的直线运动速度参数值，并对其数值进行比对，完成对空间对接机构综合试验系统在线校准装置直线速度的校准工作。

优选地，步骤一采用高精密直线导轨和伺服电机控制系统组成低速直线匀速运动发生装置，能够提供平稳、连续的低速直线匀速运动。采用标准振动台和气浮平台装置组成中高速直线往复运动发生装置，能够产生标准正弦信号，控制精度高，干扰小，通过识别正弦信号的峰值来进行直线运动速度的校准，方法易于操作。

优选地，步骤二采用激光多普勒干涉仪作为直线速度比对校准的标准装置，基于激光多普勒测速原理，能够对运动状态下的被测物体进行运动速度的校准。将激光多普勒干涉仪的反射镜座与在线校准装置中的激光干涉仪反射球靶标底座安装在同一个运动平台（或移动横梁）上，同时确保反射镜座的运动轴线与运动平台的运动轴线一致。

优选地，步骤三修正在线校准装置与激光多普勒干涉仪的晶振时间，使其保持一致，确保时间同步性。将在线校准装置中激光跟踪仪与激光多普勒干涉仪所测量的信号数据导入数据库，通过LabVIEW软件分析处理，获得相应的直线运动速度数据和运动曲线，以及相对误差和比对结果，完成对在线校准装置直线速度的校准。

本发明内容的有益效果：

1）采用高精密直线导轨和伺服电机控制系统组成低速直线匀速运动发生装置，能够提供平稳、连续的低速直线匀速运动。采用标准振动台和气浮平台装置组成中高速直线往复运动发生装置，能够产生标准正弦信号，控制精度高，干扰小，通过识别正弦信号的峰值来进行直线运动速度的校准，方法易于操作。

2）采用激光多普勒干涉仪作为直线速度比对校准的标准装置，测速精度高、响应快、现场环境适应性好。

3）通过晶振时间修正，确保在线校准装置的激光跟踪仪与激光多普勒干涉仪的直线运动速度测量时间同步性。通过LabVIEW软件将激光跟踪仪与激光多普勒干涉仪测量采集得到的数据，处理成直线运动速度值和运动曲线，数据直观、分析方便快捷。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是运动速度校准装置原理框图；

图2是本发明的直线速度校准方法原理框图；

图3是低速段直线运动速度水平方向校准示意图（同向）；

图4 是低速段直线运动速度校准水平方向示意图（侧向）；

图5 是低速段直线运动速度垂直方向校准示意图；

图6是中高速段直线运动速度校准示意图。

具体实施方式

结合图2，本发明实施例的空间对接机构综合试验系统在线校准装置直线速度校准方法的基本原理是利用基于伺服电机和低频振动台组成的直线运动发生器作为进行直线运动速度参数的发生源，利用激光多普勒干涉仪作为直线运动速度校准比对测量工具，配合相应的工装夹具，将在线校准装置中的激光干涉仪反射球靶标底座与激光多普勒干涉仪的反射镜座安装在同一个进行直线运动的测量参考面上，通过同时监测两台设备的直线运动速度参数值，并对其数值进行比对，完成对空间对接机构综合试验系统在线校准装置直线速度的校准工作。

6.1 低速直线运动速度校准

（1）水平方向

直线导轨由高精密度不锈钢材料制成，具有极高的直线度，材料膨胀系数十分稳定。并通过直线导轨上安装的温度传感器进行温度补偿修正。运动平台安装在直线导轨上，由伺服电机控制其在直线导轨上运动，精密控制器控制直线运动速度，确保其按设定的匀速值进行直线运动。

采用高准确度的激光干涉仪对其进行校准。激光跟踪仪冷启动稳频15分钟，经自校准后，将激光跟踪仪靶球和激光干涉仪的反射镜固定在运动平台上。调整反射镜底座，确保激光干涉仪、反射镜形成的光路测量轴线与直线导轨运动平台的水平运动轴线平行。

为了验证架设不同位置测量被测对象的直线运动速度的准确性，需要将激光跟踪仪分别放置在运动轴线的同向和侧向，更全面的校准在线校准装置的直线运动速度的技术指标能力。同向直线运动速度校准示意图如图3所示，侧向直线运动速度校准示意图如图4所示。

控制伺服电机驱动运动平台作设定的匀速直线运动，激光跟踪仪和激光干涉仪分别通过内置的测量软件进行直线速度测量，得到相应的速度测量值，数据导入LabVIEW软件中，进行数据分析处理，完成对直线速度水平方向的校准。

（2）垂直方向

垂直方向的匀速直线运动发生装置由直线导轨、垂直移动横梁、伺服电机控制机构等组成。图5 是低速段直线运动速度垂直方向校准示意图。

两根直线导轨垂直放置，和水平放置的垂直移动横梁组成门框式结构。移动横梁由伺服电机控制机构控制其作匀速直线运动。

同样采用高准确度的激光干涉仪对其进行校准。激光跟踪仪冷启动稳频15分钟，经自校准后，将激光跟踪仪靶球和激光干涉仪的反射镜固定在移动横梁上。由于移动横梁距离地面较高，激光干涉仪无法水平对准反射镜，因此在反射镜垂直下方固定一个90°角镜，将激光光路从移动横梁引到匀速直线运动发生装置下部平台，通过调整反射镜底座和90°角镜，确保激光干涉仪、反射镜形成的光路测量轴线垂直部分与直线导轨运动平台的运动轴线平行。

伺服电机控制机构控制横梁作设定的匀速直线运动，激光跟踪仪和激光干涉仪分别通过内置的测量软件进行直线速度测量，得到相应的速度测量值，数据导入LabVIEW软件中，进行数据分析处理，完成对直线速度垂直方向的校准。

6.2 中高速直线运动速度校准

中高速直线运动速度校准方法采用正弦运动发生装置作为直线运动速度发生源。正弦运动发生装置由标准振动台、气浮平台及其控制器等组成。图6是中高速段直线运动速度校准示意图。

标准振动台为水平振动台，能够提供标准正弦振动信号，信号失真度小、干扰低，能够作为理想的运动速度发生源。采用基于气浮平台的运动平台结构，与普通振动台相比，在高速运动情况下能够提供更大位移的直线往复运动，能够满足激光干涉仪的测量响应要求。

直线导轨由高精密度不锈钢材料制成，具有极高的直线度，材料膨胀系数十分稳定。并通过直线导轨上安装的温度传感器进行温度补偿修正。运动平台安装在直线导轨上，由伺服电机控制其在直线导轨上运动，精密控制器控制直线运动速度，确保其按设定的匀速值进行直线运动。

同样采用高准确度的激光干涉仪对其进行校准。激光跟踪仪冷启动稳频15分钟，经自校准后，将激光跟踪仪靶球和激光干涉仪的反射镜固定在气浮平台上。调整反射镜底座，确保激光干涉仪、反射镜形成的光路测量轴线与直线导轨运动平台的水平运动轴线平行。

控制标准振动台作中低频振动，产生直线往复运动，激光跟踪仪和激光干涉仪分别通过内置的测量软件进行测量和数据处理分析，得到相应的速度测量值，数据导入LabVIEW软件中，进行数据分析处理，得到正弦运动曲线，通过分析获得正弦曲线的峰值，即直线运动速度值，完成对直线速度垂直方向的校准。

6.3直线运动速度校准验证

最后对两台设备的运动速度值进行比对法验证：

上式中y为激光跟踪仪测量得到的运动物体线速度值；为激光跟踪仪和激光干涉仪给出测量结果的算术平均值；U _rel为被验证的计量标准器具的扩展不确定度，U _rel=1.0%（k=2）。

当上式不等式成立时，即在线校准装置直线运动速度技术指标验证成功，完成对其校准工作。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种对接机构综合试验系统在线校准装置直线速度校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、采用基于伺服电机和低频振动台组成的直线运动发生器作为进行直线运动速度参数的发生源；

步骤二、将在线校准装置中的激光干涉仪反射球靶标底座与激光多普勒干涉仪的反射镜座安装在同一个进行直线运动的测量参考面上；

步骤三、通过同时监测步骤二中两台设备的直线运动速度参数值，并对其数值进行比对，完成对空间对接机构综合试验系统在线校准装置直线速度的校准工作。

2.如权利要求1所述的对接机构缓冲试验台位置姿态参数现场校准方法，其特征在于：所述步骤一，采用高精密直线导轨和伺服电机控制系统组成低速直线匀速运动发生装置，采用标准振动台和气浮平台装置组成中高速直线往复运动发生装置。

3.如权利要求1所述的对接机构缓冲试验台位置姿态参数现场校准方法，其特征在于：所述步骤二，采用激光多普勒干涉仪作为直线速度比对校准的标准装置，将激光多普勒干涉仪的反射镜座与在线校准装置中的激光干涉仪反射球靶标底座安装在同一个运动平台或移动横梁上，同时确保反射镜座的运动轴线与运动平台的运动轴线一致。

4.如权利要求1所述的对接机构缓冲试验台位置姿态参数现场校准方法，其特征在于：所述步骤三，修正在线校准装置与激光多普勒干涉仪的晶振时间，使其保持一致，确保时间同步性。

5.如权利要求1或4所述的对接机构缓冲试验台位置姿态参数现场校准方法，其特征在于：所述步骤三，将在线校准装置中激光跟踪仪与激光多普勒干涉仪所测量的信号数据导入数据库，通过LabVIEW软件分析处理，获得相应的直线运动速度数据和运动曲线，以及相对误差和比对结果，完成对在线校准装置直线速度的校准。