CN110262535A - 一种大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定方法 - Google Patents

Abstract

一种大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定方法，首先将模拟两星相对运动在轨工况的两个六自由度转台作为模拟器，并建立世界坐标系，建立非共线非共面的固定测量点构成的转站基准，并得到转站基准中各个固定测量点在世界坐标系中的坐标转换矩阵，然后分别测量模拟器中两个六自由度转台的负载安装台面中心的位置误差、平动误差、直线标定误差、垂直度误差，两个六自由度转台内环轴、中环轴、外环轴的轴系垂直度误差，完成大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定。

Description

一种大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定方法

技术领域

本发明涉及高精度测量领域，特别是一种大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定方法。

背景技术

随着卫星任务的复杂性、多样性的提高，卫星地面试验任务难度也越来越大，对试验的全面性、覆盖性提出了更高的要求。随着空间技术的不断发展，航天器在轨服务技术逐渐成为各国航天机构研究的热点。对目标航天器进行在轨服务任务，首先要实现与目标航天器的交会对接。整个交会对接过程通常包括远距离交会、近距离交会、最终逼近、抓捕与对接等阶段。在交会对接的最终逼近段较多的是采用视觉手段来引导服务航天器向目标航天器进行跟踪接近，两星之间的相对运动是此过程中的起着至关重要的作用，由于高精度相对运动跟踪技术复杂，在轨应用面临成熟度问题，需要在地面进行尽可能高仿真度的技术验证，降低在轨应用风险。

目前在国内的卫星姿轨控地面试验当中，以两个六维转台的相对运动模拟两星在轨工况的全物理试验方法最为全面、有效。但是这是由于两星相对运动范围较大，而运动缩放比例有限，需要六自由度转台具有较大的平动运动范围。因此为了满足大尺度六自由度相对位姿模拟精度，需要一套完整的标定方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定方法，解决了目前卫星试验系统中六自由度试验平台精度标定方法的缺陷，为试验系统精度修正提供依据。

本发明的技术解决方案是：一种大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定方法，包括如下步骤：

(1)将模拟两星相对运动在轨工况的两个六自由度转台作为模拟器，并建立世界坐标系；

(2)建立非共线非共面的固定测量点构成的转站基准，并得到转站基准中各个固定测量点在世界坐标系中的坐标转换矩阵；

(3)分别测量模拟器中两个六自由度转台的负载安装台面中心的位置误差、平动误差、直线标定误差、垂直度误差，两个六自由度转台内环轴、中环轴、外环轴的轴系垂直度误差，完成大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定。

所述的步骤(1)中建立世界坐标系的方法为：

(11)在模拟器地基中间位置安装水平基准平面，将靶球放置在水平基准平面，使用激光跟踪仪瞄准靶球，测量得到靶球坐标，多次扫描水平基准靶球进而建立得到水平面；

(12)在水平面上安装7*7的靶球座，中心的靶球座作为世界坐标系原点，靶球座群构成的平面作为XY平面，垂直于XY平面的的直线为Z轴，得到世界坐标系。

所述的转站基准中各个固定测量点分别设置磁座，且磁座空间包络模拟器分布，其中，模拟器的四角分别布置4个磁性底座，4个磁座的支撑柱高度不同，世界坐标系X轴设置1个磁座。

所述的步骤(3)中模拟器中两个六自由度转台的负载安装台面中心的位置误差的确定方法为：

将光学靶标放置在六自由度转台安装台面中心的负载盘上，然后以固定间隔运动六自由度转台的某个自由度进行测量，记录测量数据进而得到位置误差。

所述的直线标定误差的确定方法为：

将光学靶分别置于2个六自由度转台的负载盘上，每隔固定距离运动六自由度转台，并使用激光跟踪仪对准光学靶，测量光学靶三维坐标，然后使用最小二乘直线拟合的方法，求出最大的测量点与拟合直线之间的距离，进而得到直线标定误差。

所述的六自由度转台的负载安装台面中心的垂直度误差的确定方法为：在六自由度转台的负载安装台面中心上安装光学靶，每隔1m向世界坐标系X方向移动，测量光学靶靶标的三维坐标，然后拟合出X方向向量，对世界坐标系Y方向采用相同的操作方式，得到Y方向向量，将两个向量的夹角作为X方向和Y方向的垂直度误差。

所述的六自由度转台的负载安装台面中心的平动误差的确定方法为：世界坐标系三个轴系向量与对应的三个方向向量的夹角。

所述的六自由度转台内环轴的轴系垂直度误差的确定方法为：

在六自由度转台内环台面上安装光学靶，每隔20°旋转内环轴，测量靶标的三维坐标，然后拟合出内环轴轴线；在六自由度转台负载平面安装光学靶，旋转内环轴，确定负载平面的平面方程和负载平面的中心点，对外环轴采用相同的操作方式，得到外环轴的轴线，将两条轴线的夹角作为内外环轴线的垂直度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明首先优化设计了大尺度六自由度转台的标定方法，大大的提高了标定精度；同时设计了一套自动化标定流程，减少了标定工作所带来的工作量，使得标定工作更加高效，为后续的修订提供了有效的依据，提高了两星相对运动试验平台的试验效果。

附图说明

图1为本发明标定自动化系统组成图；

图2为本发明案例系统连接图；

图3为本发明自动化开发各模块工作流程图，(a)为转站基准模块，(b)为世界坐标系模块，(c)为标定模块。

具体实施方式

本发明克服现有技术的不足，提供了一种大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定方法，解决了目前卫星试验系统中六自由度试验平台精度标定方法的缺陷，为试验系统精度修正提供依据，本发明通过以下的技术方案实现：

1、配置一套激光跟踪仪，静态或动态地跟踪一个在空间中运动的点。作为主要的标定设备，激光跟踪测量系统测量范围大、携带方便、对环境要求不高、安装简单等优点。激光跟踪仪相对于激光干涉仪精度稍差，但在激光跟踪仪的最佳测量范围内其可达到较高的测量精度，且其可在一次测量后得到平动位置精度、垂直度、直线度、平行度、转台的轴线及六自由度运动模拟器的相对位置关系。

2、建立一套转站基准系统，由于激光跟踪仪的测量精度与测量距离成正比，为了达到理想的测量精度在测量时需要对激光跟踪仪进行多次挪站，为此需要建立一个绝对坐标系来定位激光跟踪仪的位置，使其挪站后都在这个坐标系下从而统一多次测量结果。转站基准是由至少5个以上非共线非共面的固定测量点构成，其需要将整个模拟器(模拟器为模拟相对运动模拟两星在轨工况的两个六维转台)包络在其中。将5个磁座固定到地面或稳定的物体上，磁座空间包络模拟器分布。在模拟器的四角分别布置四个磁性底座，4个磁座的支撑柱高度不一。在X方向的中间位置设置一个磁座作为5个磁座之一，与其它四个磁座高度不一致。磁座布置遵循不共面不共线原则。挪站时将依次将激光跟踪仪的靶球放置到磁座上，并引导激光对准靶球并完成激光跟踪仪的位置测量，建立挪站坐标系。

3、建立一个世界坐标系，作为系统基准。在模拟器地基中间位置安装一个经过研磨和调整的水平基准。将靶球放置在水平基准平面，激光跟踪仪瞄准靶球，测量出坐标，通过多次扫描水平基准建立水平面。在水平基准上安装7*7的靶球座，中心的靶球座位世界坐标系原点，由靶球座群构成的平面作为XY平面，与X方向平行的靶球构成的直线在XY平面上的投影构成了X方向，垂直与XY平面的向上的直线为Z轴；Y轴按照右手定则构成。靶球座及平台制造过程中尽量保证靶球座在一个平面内，两条靶球座线相互垂直。这有助于在生成坐标系时减少残差提高精度。世界坐标系基准的测量，只需依次将靶球放置到靶球座上并引导激光对准靶球完成测量。

4、设计一套完整的误差标定算法，对系统的位置误差、平动误差、垂直度误差与转轴系垂直度误差进行评估。标定对象为大尺度的六自由度转台，包括三维平动和三维转动，分解开来即为转台负载安装台面中心的位置误差、平动误差、直线标定误差、垂直度误差和转台内环轴、中环轴、外环轴(按照312转序)的轴系垂直度误差。

(41)位置误差标定将光学靶标放置在六自由度转台的负载盘上，然后单独以固定间隔运动六自由度转台的某个自由度，并进行测量，记录测量数据进行分析可得到位置误差和重复性误差。

(42)直线标定误差将光学靶置于六自由度转台的负载盘上，每隔固定距离运动一次，激光跟踪仪对准光学靶，测量三维坐标，使用最小二乘直线拟合的方法，求出最大的测量点与拟合直线之间的距离标定直线误差。

(43)平行度、垂直度标定方法(轴系垂直度以内环与外环轴夹角为例)，整个系统处于零位时，在转台内环台面上安装光学靶，每隔20°旋转内环轴，测量靶标的三维坐标，然后拟合出内环轴轴线。在负载平面安装光学靶，旋转内环轴，确定负载平面的平面方程和负载平面的中心点，对外环轴采用相同的操作方式，得到外环轴的轴线，测量结果通过基准平台的靶标统一在一个世界坐标系下。两条轴线的夹角即为内外环轴线的垂直度。台面中心垂直度误差(以X方向与Y方向夹角为例)，整个系统处于零位时，在台面中心上安装光学靶，每隔1m向X方向移动，测量靶标的三维坐标，然后拟合出X方向向量，对Y方向采用相同的操作方式，得到Y方向向量，两个向量的夹角即为X方向和Y方向的垂直度。平行度误差为上述所求得的三个轴系向量与对应的三个方向向量的夹角(如X方向对中环轴)

5、设计一套自动化标定系统，对激光跟踪仪的测量软件进行二次开发，六自由度转台的运动由模拟器控制软件上位机控制，通过触发的方式进行交互。将光学靶标放置在六自由度转台的负载盘，当负载盘运动到位后触发一个信号，激光跟踪仪处理软件接收到触发信号后开始测量，测量完成后激光跟踪仪处理软件产生一个测量完成信号，该信号由模拟器控制软件接收后按照测量位置列表运动到下一个位置。从处理流程来看激光跟踪仪处理软件需要自动处理，模拟器控制软件也能够自动运行。要完成测量自动化需要对激光跟踪仪处理软件和模拟器控制软件进行改造。标定自动化系统组成图如图1所示。从图中可知，标定自动化系统由自动化标定总控系统控制转站模块、世界坐标系模块、平动标定模块及转动标定模块，各模块工作流程如图3所示，并且自动化标定总控系统负责与模拟器的总控计算机交互，完成自动化测量。系统还有指标生成模块和数据迁移模块。指标生成模块跟踪测试数据自动生成测试指标。数据迁移模块则是将测量数据和指标导出，其数据格式是模拟器控制系统所识别的误差补偿数据。

以在相对导航双六自由度试验平台标定为例，给出实施过程。要求六个自由度，运动范围0～35m，位置标定误差不大于0.2mm，垂直标定误差不大于5″，直线标定误差不大于0.5mm。系统连接图如图2所示。首先根据本发明的标定方法建立转站基准与世界坐标系，然后根据对激光跟踪仪的测量软件进行二次开发后的操作步骤对于标定数据进行采集，最后再通过根据本发明标定算法设计的一套标定软件程序对标定数据进行处理，求出所需要的误差值。对于标定精度的评价，可以通过在系统修正之后，用同样的标定方法所求的误差值比较，来评价标定精度。

具体实施方式如下：

(1)首先选择五个满足条件的转站基准点，操作人员点击程序的开始建立转站基准后，模块会检测激光跟踪仪是否具有采集条件(条件如试验方案第二条)，此时需要操作人员将激光通过靶球引导转站基准附近，并将靶球放置在基准的磁座上，当确认后，进行下轮操作，总共需要重复5次这样的操作。系统将会自动建立转站坐标系，然后以相同方式建立世界坐标系。

(2)然后操作人员点击进入平动标定模块，平动标定模块的主要负责自动标定平动运动指标，包括位置精度，直线度和垂直度。当引导激光将靶球放置在模拟器上后，将查询模拟器的状态，该操作时通过接口与模拟器的总控计算机通信完成的。当模拟器也准备好后，从模拟器自由度运动列表读取第一行并发送给模拟器总控计算机，总控计算机根据指令运动到指定位置，并返回给模块运动到位信息，当模块查询到到位信息后，将查询激光跟踪仪状态，若此时未出现掉光的情况，模块将自动测量当前点。当完成测量后，继续读取列表的下一行，并将运动指令发送给模拟器总控计算机，模块将重复上述操作，直到完成运动列表中的所有指令行。

(3)转动标定模块实现转动的自动化标定，标定过程与平动标定过程和操作是一致的，完成对测量数据的记录。

(4)软件中对平动数据处理：将光学靶安装在负载盘上，启动移动平台沿Y轴从-6m位置，每隔0.25m移动到-6+0.25i米(i＝0，1，2，…，48)的位置，用激光跟踪仪测量实际的位移l_yi，然后反向从6m位置移动到-6m位置，用激光跟踪仪测量实际的位移m_yi。计算位置误差。位置误差为：

Δl_yi＝|l_yi-(l_y0+0.25i)|

计算重复性误差：

Δd_yi＝l_yi-m_yi

σ_y为位置重复度，其他轴平动标定方法类似。

(5)软件中对直线性数据处理：将光学靶置于横梁上，每隔1m运动一次，激光跟踪仪对准光学靶，测量三维坐标(x_i，y_i，z_i)(i＝0，1，...，38)，拟合出直线方程(最小二乘直线)(l、m、n为方向余弦，a、b、c为常数)，分别计算每个测点至直线的距离。

可得，直线方程中

a＝b₀,b＝d₀,c＝0

求出点(x_i，y_i，z_i)与直线的垂足为

x_⊥i＝l(lx_i+my_i+nz_i-al-bm-cn)+a

y_⊥i＝m(lx_i+my_i+nz_i-al-bm-cn)+b

z_⊥i＝n(lx_i+my_i+nz_i-al-bm-cn)+c

点(x_i，y_i，z_i)到直线的距离为

e＝max(d_j)(j＝0，1，…，38)

按照上述方法，对其余自由度分别进行测量。

(6)软件中对平行度、垂直度处理(内环轴与X轴线的平行度为例)：将光学靶置于六自由度模拟器上，模拟器仅在X导轨方向上移动，测量光学靶的三维坐标，并拟合出运动轨迹直线方程(l₁、m₁、n₁为方向余弦，x₁、y₁、z₁为常数)。将光学靶安装在三自由度模拟器上，旋转内环轴，测量光学靶的三维坐标，拟合出内环回转轴线方程(l₂、m₂、n₂为方向余弦，x₂、y₂、z₂为常数)。计算平动误差为

其余各组计算平行度与垂直度方法一致。

(7)系统在基于标定数据进行修正之后，再次用本发明的自动化标定方法测量误差，评价标定精度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将模拟两星相对运动在轨工况的两个六自由度转台作为模拟器，并建立世界坐标系；

(2)建立非共线非共面的固定测量点构成的转站基准，并得到转站基准中各个固定测量点在世界坐标系中的坐标转换矩阵；

(3)分别测量模拟器中两个六自由度转台的负载安装台面中心的位置误差、平动误差、直线标定误差、垂直度误差，两个六自由度转台内环轴、中环轴、外环轴的轴系垂直度误差，完成大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定。

2.根据权利要求1所述的一种大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定方法，其特征在于：所述的步骤(1)中建立世界坐标系的方法为：

(11)在模拟器地基中间位置安装水平基准平面，将靶球放置在水平基准平面，使用激光跟踪仪瞄准靶球，测量得到靶球坐标，多次扫描水平基准靶球进而建立得到水平面；

(12)在水平面上安装7*7的靶球座，中心的靶球座作为世界坐标系原点，靶球座群构成的平面作为XY平面，垂直于XY平面的的直线为Z轴，得到世界坐标系。

3.根据权利要求2所述的一种大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定方法，其特征在于：所述的转站基准中各个固定测量点分别设置磁座，且磁座空间包络模拟器分布，其中，模拟器的四角分别布置4个磁性底座，4个磁座的支撑柱高度不同，世界坐标系X轴设置1个磁座。

4.根据权利要求3所述的一种大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定方法，其特征在于：所述的步骤(3)中模拟器中两个六自由度转台的负载安装台面中心的位置误差的确定方法为：

将光学靶标放置在六自由度转台安装台面中心的负载盘上，然后以固定间隔运动六自由度转台的某个自由度进行测量，记录测量数据进而得到位置误差。

5.根据权利要求4所述的一种大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定方法，其特征在于：所述的直线标定误差的确定方法为：

将光学靶分别置于2个六自由度转台的负载盘上，每隔固定距离运动六自由度转台，并使用激光跟踪仪对准光学靶，测量光学靶三维坐标，然后使用最小二乘直线拟合的方法，求出最大的测量点与拟合直线之间的距离，进而得到直线标定误差。

6.根据权利要求5所述的一种大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定方法，其特征在于：所述的六自由度转台的负载安装台面中心的垂直度误差的确定方法为：在六自由度转台的负载安装台面中心上安装光学靶，每隔1m向世界坐标系X方向移动，测量光学靶靶标的三维坐标，然后拟合出X方向向量，对世界坐标系Y方向采用相同的操作方式，得到Y方向向量，将两个向量的夹角作为X方向和Y方向的垂直度误差。

7.根据权利要求6所述的一种大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定方法，其特征在于：所述的六自由度转台的负载安装台面中心的平动误差的确定方法为：世界坐标系三个轴系向量与对应的三个方向向量的夹角。

8.根据权利要求7所述的一种大尺度六自由度相对位姿模拟精度的自动化标定方法，其特征在于：所述的六自由度转台内环轴的轴系垂直度误差的确定方法为：

在六自由度转台内环台面上安装光学靶，每隔20°旋转内环轴，测量靶标的三维坐标，然后拟合出内环轴轴线；在六自由度转台负载平面安装光学靶，旋转内环轴，确定负载平面的平面方程和负载平面的中心点，对外环轴采用相同的操作方式，得到外环轴的轴线，将两条轴线的夹角作为内外环轴线的垂直度。