CN117308778A - 一种光电平台内部负载六自由度测量系统及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于空间精密几何量测量领域，公开了一种光电平台内部负载六自由度测量系统及测量方法，用于测量柔性支撑万向架结构中内部负载相对外环框架的位置姿态信息，包括配置在内部负载上的半导体激光器，配置在外环框架上用于探测激光光斑位置的二维位置敏感探测器组件，经信号采集运算电路采集PSD组件输出激光光斑位置信号到微处理器中；为提升大行程下解算精度，以线性近似解为初始值，采用牛顿迭代法解算得到内部负载的六自由度信息。本发明测量系统体积小、结构简单、便于集成到光电平台内部，且可满足光电平台内部负载的位置姿态测量行程和测量精度要求。

Description

一种光电平台内部负载六自由度测量系统及测量方法
技术领域
本发明属于空间精密几何量测量技术领域，涉及一种光电平台内部负载六自由度测量系统及测量方法。
背景技术
传统的光电平台采用复合框架式结构，如两轴四框架结构，通过姿态控制，实现内部负载中光电系统的瞄准线稳定、目标跟踪与搜索等功能。随着光电系统功能需求的增多，光电平台内部需集成更多的有效载荷。传统框架式结构由于轴系和框架占用了平台内部大量空间，已成为制约光电系统发展的因素之一。为提高光电平台有效载荷比，实验室开发了一种新型光电平台，其采用了基于柔性支撑的万向架结构，如图1所示，外环框架1通过8个柔性支撑元件3与内部负载2联接，实现对内部负载2的支撑；并采用4个双轴宽间隙音圈电机4对内部负载2进行位置姿态控制。由于采用柔性支撑元件，内部负载2与外环框架1不再是刚性联接，且无固定的物理轴系，此时内部负载2相对外环框架1会存在六自由度的运动，包括沿三个轴的平动和绕三轴的转动。传统框架式结构中，用于测量方位/俯仰角的旋转变压器或光电编码器已无法安装和用于测量。为确定内部负载相对外环框架的位置姿态信息，需要对光电平台内部负载的六自由度信息进行测量。
目前多自由度测量的方法有很多，比如三坐标测量系统、基于激光测距仪和数码相机组合的六自由度测量系统、基于双频激光干涉仪的多自由度测量系统等，以上方法测量行程大，但测量系统体积大、安装调试复杂，不利于集成到光电平台内部。为实现小体积、重量轻、低成本的多自由度测量，哈尔滨工业大学提出了一种六自由度位姿快速精密测量装置与方法，用于光刻机制造中工作台六自由度测量，但其测量行程有限，平动位移测量行程在±200μm以内，角度测量行程在±250″以内，无法满足光电平台内部负载平动行程不小于±5mm、转动行程不小于±3°的测量要求。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提出一种光电平台内部负载六自由度测量系统及测量方法，该测量系统体积小、结构简单、便于集成到光电平台内部，且可满足光电平台内部负载的位置姿态测量行程和测量精度要求。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种光电平台内部负载六自由度测量系统，包括配置在内部负载上的3个半导体激光器，配置在外环框架上用于探测激光光斑位置的3个二维位置敏感探测器(PSD)组件，半导体激光器输出激光束，激光束照射到PSD探测面上，PSD组件产生相应的输出信号，经信号采集运算电路采集3组PSD组件输出的激光光斑位置信号到微处理器(MCU)中，MCU解算得到内部负载的六自由度信息。
光电平台内部负载六自由度测量系统中，外环框架1在八个内角处通过8个柔性支撑元件3与内部负载2联接，通过柔性支撑元件3实现对内部负载2的支撑；外环框架1和内部负载2之间，相平行的八条边形成四组平行邻边，每组平行邻边之间设置一个双轴宽间隙音圈电机4，通过四个双轴宽间隙音圈电机4对内部负载2进行位置姿态控制；所述测量系统包括信号采集运算电路11、微处理器12、三个半导体激光器、三个二维PSD组件；三个半导体激光器分别记为第一半导体激光器5、第二半导体激光器6和第三半导体激光器7，三个二维PSD组件分别记为第一二维PSD组件8、第二二维PSD组件9和第三二维PSD组件10；第一半导体激光器5、第二半导体激光器6和第三半导体激光器7安装在内部负载2上；第一二维PSD组件8、第二二维PSD组件9和第三二维PSD组件10安装在外环框架1上；第一半导体激光器5发射激光束，照射到第一二维PSD组件8的探测面上；第二半导体激光器6发射激光束，照射到第二二维PSD组件9的探测面上；第三半导体激光器7发射激光束，照射到第三二维PSD组件10的探测面上。
本发明还提供一种光电平台内部负载六自由度测量方法，其过程为：
内部负载相对外环框架无运动时，半导体激光器发射的激光束照射到PSD探测面的中心；当内部负载和外环框架间存在相对运动时，半导体激光器跟随内部负载运动，激光束照射到二维PSD探测面的位置发生变化，经坐标变换得到PSD光斑位置变化与内部负载六自由度信息间的映射关系；
对PSD光斑位置变化与内部负载六自由度信息间映射关系进行线性近似，得到线性方程组，求解得出内部负载六自由度信息的线性近似解；
以线性近似解作为初始值，采用牛顿迭代法，实现在光电平台内部负载平动行程不小于±5mm、转动行程不小于±3°的六自由度信息高精度解算。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的光电平台内部负载六自由度测量系统及测量方法，采用半导体激光器作为光源，二维PSD组件敏感激光光斑位置信息，具有体积小、重量轻的特点，便于安装到光电平台内部。本发明测量方法根据激光光斑位置信息与内部负载位置姿态信息间的映射关系，以线性近似解为初始值，经牛顿迭代算法，实现大行程下对内部负载六自由度信息的高精度解算。
附图说明
图1光电平台内部负载六自由度测量系统结构示意图。
图2测量系统信号处理示意图。
图3测量系统坐标系示意图。
图4(a)线性近似法平动解算误差。
图4(b)线性近似法转动解算误差。
图5(a)牛顿迭代法平动解算误差。
图5(b)牛顿迭代法转动解算误差。
图中：1外环框架，2内部负载，3柔性支撑元件，4两轴宽间隙音圈电机，5-第一半导体激光器，6-第二半导体激光器，7-第三半导体激光器，8-第一二维PSD组件，9-第二二维PSD组件，10-第三二维PSD组件，11信号采集运算电路板，12微处理器。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例的光电平台内部负载六自由度测量系统的结构示意图如图1所示，外环框架1在八个内角处通过8个柔性支撑元件3与内部负载2联接，通过柔性支撑元件3实现对内部负载2的支撑；外环框架1和内部负载2之间，相平行的八条边形成四组平行邻边，每组平行邻边之间设置一个双轴宽间隙音圈电机4，通过四个双轴宽间隙音圈电机4对内部负载2进行位置姿态控制。
本实施例测量系统包括信号采集运算电路11、微处理器12、三个半导体激光器、三个二维PSD组件；三个半导体激光器分别记为第一半导体激光器5、第二半导体激光器6和第三半导体激光器7，三个二维PSD组件分别记为第一二维PSD组件8、第二二维PSD组件9和第三二维PSD组件10；第一半导体激光器5、第二半导体激光器6和第三半导体激光器7安装在内部负载2上；第一二维PSD组件8、第二二维PSD组件9和第三二维PSD组件10安装在外环框架1上；第一半导体激光器5发射激光束，照射到第一二维PSD组件8的探测面上；第二半导体激光器6发射激光束，照射到第二二维PSD组件9的探测面上；第三半导体激光器7发射激光束，照射到第三二维PSD组件10的探测面上。
如图2所示，第一二维PSD组件8、第二二维PSD组件9和第三二维PSD组件10产生相应的光斑位置信号，光斑位置信号经信号采集运算电路11采集后传输给微处理器12，微处理器12经内部解算，得到光电平台内部负载六自由度信息。
第一半导体激光器5、第二半导体激光器6和第三半导体激光器7安装在内部负载上，3个半导体激光器所在直线不在同一平面上，图1是3个半导体激光器所在直线两两垂直的情况。
第一二维PSD组件8、第二二维PSD组件9和第三二维PSD组件10安装在外环框架上，3个二维PSD组件的探测面间不平行，图1是3个PSD组件探测面间两两垂直的情况。
当内部负载2相对外环框架1无运动时，半导体激光器发射的激光束照射到对应的二维PSD组件的探测面的中心；当内部负载2和外环框架1间存在相对运动时，半导体激光器跟随内部负载2运动，半导体激光器发射的激光束照射到对应的二维PSD组件的探测面的位置变化，经信号采集运算电路11采集3组二维PSD组件输出激光光斑位置信号到微处理器12。
微处理器12进行信号处理时，对激光光斑位置信号进行坐标变换，得到PSD探测面光斑位置变化与待测内部负载六自由度信息之间的映射关系，针对在大行程测量时线性近似解算方法解算误差大的缺点，以线性近似解为初始值，采用牛顿迭代法，在微处理器12中实现大行程下对内部负载六自由度信息的高精度解算。
基于上述光电平台内部负载六自由度测量系统，本实施例光电平台内部负载六自由度测量方法的过程如下：
S1：建立光电平台内部负载六自由度测量系统的坐标系。
对测量系统中的坐标系进行规定，建立与外环框架固联的坐标系o-xoyozo，与内部负载固联的坐标系oi-xiyizi，如图3所示。当外环框架和内部负载无相对运动时，坐标系o-xoyozo与坐标系oi-xiyizi重合，根据3个半导体激光器的安装位置与方向，定义3个半导体激光器所在直线的交点坐标为(x00,y00,z00)T，第一半导体激光器5、第二半导体激光器6和第三半导体激光器7所在直线的方向矢量分别为根据二维PSD组件的安装平面和激光光斑在PSD探测面上的位置，二维PSD探测面与外环框架坐标系各坐标轴垂直，第一二维PSD组件8、第二二维PSD组件9和第三二维PSD组件10的探测面与外框架坐标原点的距离分别为Lx、Ly、Lz。无相对运动时，激光光斑分别位于二维PSD探测面的中心，激光光斑的位置坐标为P1(-Lx,0,0)T、P2(0,Ly,0)T、P3(0,0,Lz)T。
S2：基于坐标变换构建PSD探测面光斑位置与待测内部负载六自由度信息之间的映射模型。
当内部负载相对于外环框架产生相对运动时，设沿三个坐标轴的平动位移为Δx、Δy、Δz，绕三个轴的转动角位移Δα、Δβ、Δγ。内部负载相对外环框架运动后，半导体激光器所在直线交点在外环框架坐标系的坐标为：
内部负载相对外环框架运动后，第一半导体激光器5、第二半导体激光器6和第三半导体激光器7所在直线的方向矢量在外框架坐标系表示为其中i＝1,2,3：
内部负载相对外环框架运动后，经二维PSD组件解算，可得光斑在外框架坐标系下的坐标分别为P1(-Lx,y11,z11)T、P2(x21,Ly,z21)T、P3(x31,y31,Lz)T。根据PSD组件解算的激光光斑位置信息，基于坐标变换构建得到PSD探测面光斑位置与待测内部负载六自由度信息之间的映射模型为：
S3：基于线性近似求解内部负载六自由度信息。
在小角度范围内对公式(3)中的正弦函数和余弦函数进行线性近似，舍去方程组中的二次及以上项，简化得到线性方程组：
AX＝b (4)
其中：
X＝(Δx,Δy,Δz,Δα,Δβ,Δγ)T
求解线性方程组(4)，得到内部负载六自由度信息的线性近似解为：
X0＝A-1b (5)
当内部负载相对外环框架存在较大转动角度时，线性近似解算出的内部负载六自由度信息会存在大的误差，如图4(a)、图4(b)所示，无法满足内部负载六自由度信息解算精度要求。
S4：基于牛顿迭代法高精度解算内部负载六自由度信息。
选取线性近似解X0作为内部负载六自由度信息的初始值，采用牛顿迭代法，求解非线性方程组(3)。
定义在Xk处的函数值F(Xk)：
定义在Xk处的雅可比矩阵F′(Xk)：
迭代得到：
Xk+1＝Xk-F′(Xk)-1F(Xk) (8)
当满足精度要求，即||Xk+1-Xk||＜ε时停止迭代。
至此，完成了依据PSD组件输出光斑位置信息到内部负载六自由度信息的高精度解算。解算误差如图5(a)、图5(b)所示，相比线性近似解算误差如图4(a)、图4(b)所示，解算精度得到大幅提升，可满足大行程下内部负载六自由度信息解算精度要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光电平台内部负载六自由度测量系统，其特征在于，外环框架(1)在八个内角处通过8个柔性支撑元件(3)与内部负载(2)联接，通过柔性支撑元件(3)实现对内部负载(2)的支撑；外环框架(1)和内部负载(2)之间，相平行的八条边形成四组平行邻边，每组平行邻边之间设置一个双轴宽间隙音圈电机(4)，通过四个双轴宽间隙音圈电机(4)对内部负载(2)进行位置姿态控制；所述测量系统包括信号采集运算电路(11)、微处理器(12)、三个半导体激光器、三个二维PSD组件；三个半导体激光器分别记为第一半导体激光器(5)、第二半导体激光器(6)和第三半导体激光器(7)，三个二维PSD组件分别记为第一二维PSD组件(8)、第二二维PSD组件(9)和第三二维PSD组件(10)；第一半导体激光器(5)、第二半导体激光器(6)和第三半导体激光器(7)安装在内部负载(2)上；第一二维PSD组件(8)、第二二维PSD组件(9)和第三二维PSD组件(10)安装在外环框架(1)上；第一半导体激光器(5)发射激光束，照射到第一二维PSD组件(8)的探测面上；第二半导体激光器(6)发射激光束，照射到第二二维PSD组件(9)的探测面上；第三半导体激光器(7)发射激光束，照射到第三二维PSD组件(10)的探测面上。
2.如权利要求1所述的光电平台内部负载六自由度测量系统，其特征在于，所述第一二维PSD组件(8)、第二二维PSD组件(9)和第三二维PSD组件(10)产生相应的光斑位置信号，光斑位置信号经信号采集运算电路(11)采集后传输给微处理器(12)，微处理器(12)经内部解算，得到光电平台内部负载六自由度信息。
3.如权利要求2所述的光电平台内部负载六自由度测量系统，其特征在于，所述第一半导体激光器(5)、第二半导体激光器(6)和第三半导体激光器(7)安装在内部负载上，三个半导体激光器所在直线不在同一平面上。
4.如权利要求3所述的光电平台内部负载六自由度测量系统，其特征在于，所述第一二维PSD组件(8)、第二二维PSD组件(9)和第三二维PSD组件(10)安装在外环框架上，三个二维PSD组件的探测面间不平行。
5.如权利要求4所述的光电平台内部负载六自由度测量系统，其特征在于，当内部负载(2)相对外环框架(1)无运动时，半导体激光器发射的激光束照射到对应的二维PSD组件的探测面的中心；当内部负载(2)和外环框架(1)间存在相对运动时，半导体激光器跟随内部负载(2)运动，半导体激光器发射的激光束照射到对应的二维PSD组件的探测面的位置变化，经信号采集运算电路(11)采集三组二维PSD组件输出激光光斑位置信号到微处理器(12)。
6.如权利要求5所述的光电平台内部负载六自由度测量系统，其特征在于，微处理器(12)进行信号处理时，对激光光斑位置信号进行坐标变换，得到PSD探测面光斑位置变化与待测内部负载六自由度信息之间的映射关系，针对在大行程测量时线性近似解算方法解算误差大的缺点，以线性近似解为初始值，采用牛顿迭代法，在微处理器(12)中实现大行程下对内部负载六自由度信息的高精度解算。
7.一种基于权利要求6所述测量系统的光电平台内部负载六自由度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立光电平台内部负载六自由度测量系统的坐标系；
S2：基于坐标变换构建PSD探测面光斑位置与待测内部负载六自由度信息之间的映射模型；
S3：基于线性近似求解内部负载六自由度信息；
S4：基于牛顿迭代法高精度解算内部负载六自由度信息。
8.如权利要求7所述的光电平台内部负载六自由度测量系统，其特征在于，步骤S1中，对测量系统中的坐标系进行规定，建立与外环框架固联的坐标系o-xoyozo，与内部负载固联的坐标系oi-xiyizi；当外环框架和内部负载无相对运动时，坐标系o-xoyozo与坐标系oi-xiyizi重合，根据3个半导体激光器的安装位置与方向，定义3个半导体激光器所在直线的交点坐标为(x00,y00,z00)T，第一半导体激光器(5)、第二半导体激光器(6)和第三半导体激光器(7)所在直线的方向矢量分别为根据二维PSD组件的安装平面和激光光斑在PSD探测面上的位置，二维PSD探测面与外环框架坐标系各坐标轴垂直，第一二维PSD组件(8)、第二二维PSD组件(9)和第三二维PSD组件(10)的探测面与外框架坐标原点的距离分别为Lx、Ly、Lz；无相对运动时，激光光斑分别位于二维PSD探测面的中心，激光光斑的位置坐标为P1(-Lx,0,0)T、P2(0,Ly,0)T、P3(0,0,Lz)T。
9.如权利要求8所述的光电平台内部负载六自由度测量系统，其特征在于，步骤S2中，当内部负载相对于外环框架产生相对运动时，设沿三个坐标轴的平动位移为Δx、Δy、Δz，绕三个轴的转动角位移Δα、Δβ、Δγ；内部负载相对外环框架运动后，半导体激光器所在直线交点在外环框架坐标系的坐标为：
内部负载相对外环框架运动后，第一半导体激光器(5)、第二半导体激光器(6)和第三半导体激光器(7)所在直线的方向矢量在外框架坐标系表示为其中i＝1,2,3：
内部负载相对外环框架运动后，经二维PSD组件解算，可得光斑在外框架坐标系下的坐标分别为P1(-Lx,y11,z11)T、P2(x21,Ly,z21)T、P3(x31,y31,Lz)T；根据PSD组件解算的激光光斑位置信息，基于坐标变换构建得到PSD探测面光斑位置与待测内部负载六自由度信息之间的映射模型为：
10.如权利要求9所述的光电平台内部负载六自由度测量系统，其特征在于，步骤S3中，在小角度范围内对公式(3)中的正弦函数和余弦函数进行线性近似，舍去方程组中的二次及以上项，简化得到线性方程组：
AX＝b (4)
其中：
X＝(Δx,Δy,Δz,Δα,Δβ,Δγ)T
求解线性方程组(4)，得到内部负载六自由度信息的线性近似解为：
X0＝A-1b (5)
S4：基于牛顿迭代法高精度解算内部负载六自由度信息
选取线性近似解X0作为内部负载六自由度信息的初始值，采用牛顿迭代法，求解非线性方程组(3)；
定义在Xk处的函数值F(Xk)：
定义在Xk处的雅可比矩阵F′(Xk)：
迭代得到：
Xk+1＝Xk-F′(Xk)-1F(Xk) (8)
当满足精度要求，即||Xk+1-Xk||＜ε时停止迭代；
依据PSD组件输出光斑位置信息到内部负载六自由度信息的高精度解算。
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