CN110160553A - 被约束体微小姿态动态测试装置以及解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微小姿态动态测试领域，具体是一种被约束体微小姿态动态测试装置以及解算方法，通过对被约束体安装加速度测试装置和激光阵列发射装置，设计相应的光电位置传感阵列接收装置，组成微小姿态的动态测试系统。实现对狭窄空间内被约束体的加速度、速度、位移、俯仰角、偏摆角、滚动角等姿态参数的全过程测试和解算。激光阵列发射装置包括激光发射器Ⅰ、激光发射器Ⅱ以及外围电路，所述光电位置阵列接收装置包括二维光电位置传感器Ⅰ、二维光电位置传感器Ⅱ以及外围电路，二维光电位置传感器Ⅱ与激光发射器Ⅱ相对，二维光电位置传感器Ⅰ与激光发射器Ⅰ相对。测试装置对被测对象的空气动力学没有影响，同时环境因素对测试过程、结果的影响小。

Description

被约束体微小姿态动态测试装置以及解算方法

技术领域

本发明涉及微小姿态动态测试领域，具体是一种被约束体微小姿态动态测试装置以及解算方法，通过对被约束体安装加速度测试装置和激光阵列发射装置，设计相应的光电位置传感阵列接收装置，组成微小姿态的动态测试系统。实现对狭窄空间内被约束体的加速度、速度、位移、俯仰角、偏摆角、滚动角等姿态参数的全过程测试和解算。

背景技术

被约束体微小姿态的动态测试，要求在不干扰被约束体状态性质的前提下测试其全过程动态姿态变化。考虑到这些直观环境，对测试系统要求具备特性进行总结：要求测试系统具有测试短时间动态参量和丰富频率成分的高性能；要求测试系统在能在被约束体上安装的前提下还需保证测试装置不能破坏和影响被约束体的运动规律；要求测试系统考虑测试中测试装置的重复使用，采取有效的措施来提高测试系统的抗高过载性能；要求测试系统能通过数据处理得到有关姿态的多参数高精度表述。

目前，主要国内外对于动态姿态的测试方法，包括微波干涉法、视觉坐标测量法、激光反射测轴心姿态等。微波干涉法有一定的局限性，会受到微波自身波长的影响，当被测对象的运动速度比较小时，使用该方法得到测量结果的准确度就相对较低。视觉坐标测量法由于高速摄影技术空间分辨率有限，在测量精度上难以满足要求，同时摄影设备在测试中使用不稳定，引入的误差掩盖微小姿态测试信号。激光反射测轴心姿态多次使用平面镜反射激光，使得光路复杂，对测试顺利完成要求高，所获取的数据量太少，难以用于后续的分析与处理，不易求解轴心姿态，同时测试参数单一，无法做到对多参数(如：位移、俯仰角、偏摆角、滚动角)的参数解算。

发明内容

本发明为了解决对处于持续微小姿态变化运动状态的被约束体姿态进行测试的问题，同时克服现有微波干涉法测试应用的局限性，视觉坐标测量测量精度的不足，激光反射测试参数单一的问题，本发明提供一种微小姿态动态变化测试及解算方法。使用加速度测试装置测试被约束体的加速度参数，采用高精度的光电传感器阵列接收激光阵列传达的轨迹信息，对被约束体的加速度、速度、位移、俯仰角、偏摆角、滚动角等姿态参数的全过程测试和解算。

本发明是通过以下技术方案实现的：被约束体微小姿态动态测试装置，包括安装于被约束体上的加速度测试传感器，安装于被约束体被约束体尾部上的激光阵列发射装置，安装于约束体尾部外侧的光电位置阵列接收装置，

所述激光阵列发射装置包括激光发射器Ⅰ、激光发射器Ⅱ以及外围电路，所述光电位置阵列接收装置包括二维光电位置传感器Ⅰ、二维光电位置传感器Ⅱ以及外围电路，所述二维光电位置传感器Ⅱ相对于二维光电位置传感器Ⅰ更加靠近被约束体，且二维光电位置传感器Ⅰ与二维光电位置传感器Ⅱ相互错开，二维光电位置传感器Ⅱ与激光发射器Ⅱ相对，二维光电位置传感器Ⅰ与激光发射器Ⅰ相对，所述二维光电位置传感器Ⅰ和二维光电位置传感器Ⅱ之间相平行且均位于垂直平面内。

本发明进一步提供了一种被约束体微小姿态动态测试解算方法，该解算方法是通过所述的被约束体微小姿态动态测试装置实现的，

所述解算方法包括：

S1，确定参数

运动状态的被约束体相比初始位置的俯仰角记为θ₂、偏摆角记为θ₁、滚动角记为θ₃，运动状态的被约束体相比初始位置在垂直方向位移记为y，运动状态的被约束体相比初始位置在水平方向位移记为x，运动状态的被约束体相比初始位置在轴向位移记为z，建立X、Y、Z坐标体系，加速度测试传感器输出加速度记为a_z，两二维光电位置传感器之间的间距记为l，二维光电位置传感器Ⅱ与被约束体初始位置的距离记为d，二维光电位置传感器Ⅰ接收激光发射器Ⅰ的激光信号，并输出轨迹坐标(x₁,y₁)，二维光电位置传感器Ⅱ接收激光发射器Ⅱ的激光信号，并输出轨迹坐标(x₂,y₂)；

S2，解算步骤

①通过对加速度a_z积分计算轴向位移z：

②根据三角几何性质，在二维光电位置传感器Ⅱ虚拟放置二维光电位置传感器Ⅲ，虚拟的二维光电位置传感器Ⅲ接收激光发射器Ⅰ发射的激光光路m，输出轨迹坐标(x₃,y₃)，

在YOZ平面，根据相似三角形定理，虚拟的二维光电位置传感器Ⅲ的输出轨迹坐标y₃减去垂直方向位移y的值与二维光电位置传感器Ⅰ的输出轨迹坐标y₁减去垂直方向位移y的值之间具有比例关系：

同理用于XOZ平面：

二维光电位置传感器Ⅱ输出的轨迹坐标(x₂,y₂)，二维光电位置传感器Ⅲ输出的轨迹坐标(x₃,y₃)，通过Δx、Δy利用三角函数计算滚动角θ₃：

③计算偏摆角θ₁和俯仰角θ₂：

④计算水平方向位移x和垂直方向位移y：

x＝x₂-Δx-(z+d)tanθ₁

y＝y₂+Δy-(z+d)tanθ₂

综合利用步骤②、③、④中的公式运算获得运动状态的被约束体的位移、θ₁、θ₂、θ₃。本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

1.测试装置对被测对象的空气动力学没有影响，同时环境因素对测试过程以及结果的影响小；

2.高精度，针对量程改变装置的安装距离，可以使得测试精度优于1″；

3.利用光学杠杆原理对各参数实现不同的增益，采集的光路轨迹根据不同增益完成对各参数的解耦，能完成对姿态的多个参数经行解算。

4.通过对被约束体安装的加速度测试装置和激光阵列发射装置，使用对应设计的光电位置传感阵列接收装置，实现对狭窄空间内被约束体的加速度、速度、位移、俯仰角、偏摆角、滚动角等姿态参数的全过程测试和解算。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述被约束体微小姿态动态测试装置的原理图。

图2为参数的定义图。

图3为各二维光电位置传感器的布置示意图。

图4为YOZ平面计算示意图。

图5为XOY平面计算示意图。

图中：1-激光发射器Ⅰ，2-被约束体，3-加速度测试传感器，4-约束体，5-激光阵列发射装置，6-激光发射器Ⅱ，7-光电位置阵列接收装置，8-二维光电位置传感器Ⅰ，9-二维光电位置传感器Ⅱ，10-二维光电位置传感器Ⅲ。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

被约束体微小姿态动态测试装置，包括安装于被约束体2上的加速度测试传感器3，安装于被约束体2被约束体2尾部上的激光阵列发射装置5，安装于约束体4尾部外侧的光电位置阵列接收装置7，

所述激光阵列发射装置5包括激光发射器Ⅰ1、激光发射器Ⅱ6以及外围电路，所述光电位置阵列接收装置7包括二维光电位置传感器Ⅰ8、二维光电位置传感器Ⅱ9以及外围电路，所述二维光电位置传感器Ⅱ9相对于二维光电位置传感器Ⅰ8更加靠近被约束体2，且二维光电位置传感器Ⅰ8与二维光电位置传感器Ⅱ9相互错开，二维光电位置传感器Ⅱ9与激光发射器Ⅱ6相对，二维光电位置传感器Ⅰ8与激光发射器Ⅰ1相对，所述二维光电位置传感器Ⅰ8和二维光电位置传感器Ⅱ9之间相平行且均位于垂直平面(如下坐标体系的XOY平面)内。

在本发明中，所述被约束体2与约束体4之间呈间隙配合。其中，所述激光阵列发射装置5的外围电路包括电源电路，所述光电位置阵列接收装置7的外围电路包括电源电路、模拟信号调理电路和数字信号存储电路。这些外围电路是本领域技术人员容易实现的。

为了更清楚的说明本发明的测试装置，本发明进一步提供了一种被约束体微小姿态动态测试解算方法，该解算方法是通过所述的被约束体微小姿态动态测试装置实现的，

所述解算方法包括：

S1，确定参数

运动状态的被约束体2相比初始位置的俯仰角记为θ₂、偏摆角记为θ₁、滚动角记为θ₃，运动状态的被约束体2相比初始位置在垂直方向位移记为y，运动状态的被约束体2相比初始位置在水平方向位移记为x，运动状态的被约束体2相比初始位置在轴向位移记为z，建立X、Y、Z坐标体系，加速度测试传感器3输出加速度记为a_z，两二维光电位置传感器之间的间距记为l，二维光电位置传感器Ⅱ9与被约束体2初始位置的距离记为d，二维光电位置传感器Ⅰ8接收激光发射器Ⅰ1的激光信号，并输出轨迹坐标(x₁,y₁)，二维光电位置传感器Ⅱ9接收激光发射器Ⅱ6的激光信号，并输出轨迹坐标(x₂,y₂)；

其中，所述俯仰角θ₂所在的平面位于垂直方向的YOZ平面内，所述偏摆角θ₁所在的平面位于水平面内(XOZ平面)，所述滚动角θ₃所在的平面位于垂直方向的XOY平面内，具体可参见图2所定义的方向。激光发射器Ⅰ1输出的轨迹坐标(x₁,y₁)的坐标原点为初始位置的被约束体2的激光发射器Ⅰ1在二维光电位置传感器Ⅰ8上的初始激光信号点。激光发射器Ⅱ6输出的轨迹坐标(x₂,y₂)的坐标原点为初始位置的被约束体2的激光发射器Ⅱ6在二维光电位置传感器Ⅱ9上的初始激光信号点。

S2，解算步骤

①通过对加速度a_z积分计算轴向位移z：

加速度a_z积分可获得运动状态的被约束体2的速度v，速度v再积分获得轴向位移z。

②根据三角几何性质，在二维光电位置传感器Ⅱ9虚拟放置二维光电位置传感器Ⅲ10，虚拟的二维光电位置传感器Ⅲ10接收激光发射器Ⅰ1发射的激光光路m，输出轨迹坐标(x₃,y₃)。

其中，所述虚拟的二维光电位置传感器Ⅲ10的竖直方向上与二维光电位置传感器Ⅱ9位于同一平面内，且位于二维光电位置传感器Ⅱ9的上方，虚拟的二维光电位置传感器Ⅲ10在水平方向上位于二维光电位置传感器Ⅰ8与激光发射器Ⅰ1之间，如图3所示。所述轨迹坐标(x₃,y₃)的坐标原点为初始位置的被约束体2的激光发射器Ⅰ1在二维光电位置传感器Ⅰ8上的激光信号在虚拟的二维光电位置传感器Ⅲ10上所对应的点。

在YOZ平面，根据相似三角形定理，虚拟的二维光电位置传感器Ⅲ的输出轨迹坐标y₃减去垂直方向位移y的值与二维光电位置传感器Ⅰ的输出轨迹坐标y₁减去垂直方向位移y的值之间具有比例关系：

同理用于XOZ平面：

二维光电位置传感器Ⅱ9输出的轨迹坐标(x₂,y₂)，虚拟的二维光电位置传感器Ⅲ10输出的轨迹坐标(x₃,y₃)，如图5所示，通过Δx、Δy利用三角函数计算滚动角θ₃：

③计算偏摆角θ₁和俯仰角θ₂：

④计算水平方向位移x和垂直方向位移y：

x＝x₂-Δx-(z+d)tanθ₁

y＝y₂+Δy-(z+d)tanθ₂

综合利用步骤②、③、④中的公式运算获得运动状态的被约束体(2)的位移、θ₁、θ₂、θ₃。

在本发明中，俯仰角θ₂和偏摆角θ₁测试量量程与安装距离d、l和二维光电位置传感器的尺寸有关，可以通过调整这三个值来改变量程。如果二维光电位置传感器尺寸无限大或者d无限近，那么理论是无限量程，但是分辨率会有所牺牲。当限定条件是d、l为2.5m，各个二维光电位置传感器20×20mm，不考虑滚动角θ₃，这时的俯仰角θ₂和偏摆角θ₁测试量程是±0.06°，分辨率优于1″。滚动角θ₃测试量量程与二维光电位置传感器的尺寸和两个激光发射器安装间距有关，如果二维光电位置传感器尺寸无限大或者安装间距无限近，那么理论是无限量程，当限定条件是传感器20×20mm，安装间距80mm，不考虑俯仰角θ₂和偏摆角θ₁，这时的旋转角θ₃测试量程是±14°，分辨率优于1″。总的说就是可以改变量程以适应测试需求，上面的数据(俯仰角θ₂、偏摆角θ₁、滚动角θ₃的量程)是我们在上述测试条件(d、l以及二维光电位置传感器的尺寸)下获得的数据。当改变上述测试条件后，相应的俯仰角θ₂、偏摆角θ₁、滚动角θ₃的量程也会发生变化。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.被约束体微小姿态动态测试装置，其特征在于，包括安装于被约束体(2)上的加速度测试传感器(3)，安装于被约束体(2)被约束体(2)尾部上的激光阵列发射装置(5)，安装于约束体(4)尾部外侧的光电位置阵列接收装置(7)，

所述激光阵列发射装置(5)包括激光发射器Ⅰ(1)、激光发射器Ⅱ(6)以及外围电路，所述光电位置阵列接收装置(7)包括二维光电位置传感器Ⅰ(8)、二维光电位置传感器Ⅱ(9)以及外围电路，所述二维光电位置传感器Ⅱ(9)相对于二维光电位置传感器Ⅰ(8)更加靠近被约束体(2)，且二维光电位置传感器Ⅰ(8)与二维光电位置传感器Ⅱ(9)相互错开，二维光电位置传感器Ⅱ(9)与激光发射器Ⅱ(6)相对，二维光电位置传感器Ⅰ(8)与激光发射器Ⅰ(1)相对，所述二维光电位置传感器Ⅰ(8)和二维光电位置传感器Ⅱ(9)之间相平行且均位于垂直平面内。

2.一种被约束体微小姿态动态测试解算方法，其特征在于，该解算方法是通过权利要求1所述的被约束体微小姿态动态测试装置实现的，

所述解算方法包括：

S1，确定参数

运动状态的被约束体(2)相比初始位置的俯仰角记为θ₂、偏摆角记为θ₁、滚动角记为θ₃，运动状态的被约束体(2)相比初始位置在垂直方向位移记为y，运动状态的被约束体(2)相比初始位置在水平方向位移记为x，运动状态的被约束体(2)相比初始位置在轴向位移记为z，建立X、Y、Z坐标体系，加速度测试传感器(3)输出加速度记为a_z，两二维光电位置传感器之间的间距记为l，二维光电位置传感器Ⅱ(9)与被约束体(2)初始位置的距离记为d，二维光电位置传感器Ⅰ(8)接收激光发射器Ⅰ(1)的激光信号，并输出轨迹坐标(x₁,y₁)，二维光电位置传感器Ⅱ(9)接收激光发射器Ⅱ(6)的激光信号，并输出轨迹坐标(x₂,y₂)；

S2，解算步骤

①通过对加速度a_z积分计算轴向位移z：

②根据三角几何性质，在二维光电位置传感器Ⅱ(9)虚拟放置二维光电位置传感器Ⅲ(10)，虚拟的二维光电位置传感器Ⅲ(10)接收激光发射器Ⅰ(1)发射的激光光路m，输出轨迹坐标(x₃,y₃)，

在YOZ平面，根据相似三角形定理，虚拟的二维光电位置传感器Ⅲ的输出轨迹坐标y₃减去垂直方向位移y的值与二维光电位置传感器Ⅰ的输出轨迹坐标y₁减去垂直方向位移y的值之间具有比例关系：

同理用于XOZ平面：

二维光电位置传感器Ⅱ(9)输出的轨迹坐标(x₂,y₂)，二维光电位置传感器Ⅲ(10)输出的轨迹坐标(x₃,y₃)，通过Δx、Δy利用三角函数计算滚动角θ₃：

Δx＝x₃-x₂，Δy＝y₃-y₂，

③计算偏摆角θ₁和俯仰角θ₂：

④计算水平方向位移x和垂直方向位移y：

x＝x₂-Δx-(z+d)tanθ₁

y＝y₂+Δy-(z+d)tanθ₂

利用步骤②、③、④中的公式运算获得运动状态的被约束体(2)的位移、θ₁、θ₂、θ₃。