一種基于線陣ccd的移動平臺位置測量系統(tǒng)及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于線陣CCD的移動平臺位置測量系統(tǒng)及測量方法，屬于空間飛 行器地面全物理仿真領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 大型超平花崗巖平臺是空間航天器地面全物理仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，是六自由度 氣浮臺平面運(yùn)動的基準(zhǔn)平面和承載平面，其性能好壞直接影響試驗(yàn)精度，甚至影響試驗(yàn)的 順利進(jìn)行?；谄絼愚D(zhuǎn)動氣浮臺的試驗(yàn)主要用于交會對接、空間機(jī)器人和編隊(duì)飛行領(lǐng)域的 地面仿真，國際上已經(jīng)開展了 20多年。前期普遍采用花崗巖臺面，主要是由于花崗巖密度 大，不易變形，受溫度和濕度影響小。但花崗巖臺面單塊面積受開采和運(yùn)輸限制，不可能太 大，目前已知最大長度不超過15米，用于極近距離對接過程和單體撓性衛(wèi)星重力卸載仿真 是足夠的。但如果驗(yàn)證本仿真系統(tǒng)要求的30m內(nèi)相對運(yùn)動過程，就必須采用小塊拼接的方 式，受重量限制，地基、支撐機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)、縫隙找平、表面打磨等工程問題極難處理，容易 變形，后期維護(hù)周期長，整修困難。采用移動平臺和大型超平花崗巖平臺組合的方式，可以 保證六自由度氣浮臺平面運(yùn)動的平穩(wěn)性和一致性，而且維護(hù)周期短、使用方便、經(jīng)濟(jì)效益 尚。
[0003] 移動平臺是月球弱撞擊交會對接地面全物理仿真試驗(yàn)的核心設(shè)備，通過六自由度 的位置和姿態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)了移動平臺的高精度水平保持，移動平臺的位置和姿態(tài)信息測量 是制約平臺水平位置精度的重要因素。長期以來缺乏能夠比較準(zhǔn)確測量數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)方式手 段，本發(fā)明測量方法基于多線陣CCD掃描原理，能夠比較準(zhǔn)確高動態(tài)的測量移動平臺準(zhǔn)確 的亞毫米級位置信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出了一種基于線陣CCD的移動平臺位置測量系統(tǒng)及測量方法，用于月 球弱撞擊交會對接地面全物理仿真試驗(yàn)中軌道器和上升器模擬裝置水平傾斜角度的動態(tài) 測量，本發(fā)明首次提出了基于線陣CCD掃描原理高動態(tài)的測量移動平臺準(zhǔn)確位置和姿態(tài)信 息。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] -種基于線陣CCD的移動平臺位置測量系統(tǒng)，包括：基座、移動平臺、音圈電機(jī)、激 光器和多個C⑶傳感器；
[0007] 基座為圓形，其表面為平面，（XD傳感器均勻分布在基座的圓周上且(XD傳感器 的固定位置高于基座表面，移動平臺在基座的表面上移動，音圈電機(jī)固定在移動平臺的中 心位置，激光器固定在音圈電機(jī)上，在音圈電機(jī)的驅(qū)動下勻速旋轉(zhuǎn)，激光器發(fā)射的激光束與 (XD傳感器共面。
[0008] 所述C⑶傳感器的數(shù)量大于等于3個。
[0009] -種測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基于線陣CCD的移動平臺位置測量方法，步驟如下：
[0010] (1)定義基座坐標(biāo)系，原點(diǎn)〇為基座中心點(diǎn)，X軸和Y軸為位于基座表面平面內(nèi)的 互相垂直的兩個坐標(biāo)軸；
[0011] ⑵選擇任意相鄰三個(XD傳感器，在步驟⑴確定的基座坐標(biāo)系中，測量得到 該相鄰的三個C⑶傳感器的位置坐標(biāo)，分別為：第一 (XD傳感器（xa，ya)，第二(XD傳感器 (xb，yb)，第三CCD傳感器（xc，yc);
[0012] (3)令移動平臺上的音圈電機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速co帶動激光器旋轉(zhuǎn)，激光器發(fā)持續(xù)發(fā)射 激光束；
[0013] (4)在音圈電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈中，記錄激光器發(fā)射的激光束擊中第一 (XD傳感器、第二 (XD傳感器和第三(XD傳感器的時間，分別為ta、tb和t。；
[0014] (5)計(jì)算第一(XD傳感器、第二(XD傳感器和移動平臺中心之間的夾角a以及第 二(XD傳感器、第三(XD傳感器和移動平臺中心之間的夾角0，
[0015] 具體為：a= ? (tb_ta)，0 = 〇 (tc_tb);
[0016] (6)以第一 (XD傳感器和第二(XD傳感器之間的直線距離為弦，以2a為圓心角作 圓，此圓為第一圓；以第二(XD傳感器和第三(XD傳感器之間的直線距離為弦，以20為圓 心角作圓，此圓為第二圓；第一圓和第二圓的兩個交點(diǎn)之中，一個交點(diǎn)即為第二CCD傳感器 的位置，另一個交點(diǎn)的位置即為移動平臺的位置，令移動平臺的位置坐標(biāo)為（x，y)，則通過 如下方式計(jì)算得到移動平臺的位置坐標(biāo)：
[0017]
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：
[0019] 本試驗(yàn)系統(tǒng)在測量原理、測量方法、數(shù)據(jù)分析判斷上都有創(chuàng)新，具體表現(xiàn)是：深入 分析激光動態(tài)測量原理，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)不同安裝條件下的移動平臺高精度位置測量方式。本發(fā) 明創(chuàng)造性體現(xiàn)在：
[0020] (1)本發(fā)明用多掃描激光器的方法實(shí)現(xiàn)對移動平臺的定位，充分利用了激光的準(zhǔn) 直性和快速性。該原理為激光器的時間差測量相對位置關(guān)系提供了重要理論依據(jù)。
[0021] (2)本發(fā)明一種多線陣CCD移動平臺位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算方法，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的求 解算法，這種思路為移動平臺大范圍精確測量提供了清晰便捷可靠的解算方法。
[0022] (3)本發(fā)明使用通用的激光器和線陣CCD測量裝置；所用的測量系統(tǒng)均有成熟應(yīng) 用，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法可靠。該測量方法工程周期短，方便實(shí)現(xiàn)，即可用于后續(xù)航天器地面 全物理仿真，也可以應(yīng)用到其它高動態(tài)移動設(shè)備的定位和檢測。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明系統(tǒng)架構(gòu)示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0024] 本發(fā)明通過將線陣C⑶固定于移動平臺平滑的安裝面上，采用高速氣浮軸承支撐 激光器，電機(jī)驅(qū)動激光器以恒定的速度旋轉(zhuǎn)對線陣CCD進(jìn)行掃描，通過計(jì)算不同點(diǎn)處CCD面 陣的時間差。
[0025]采用電荷親合裝置CO) (Charge Coupled Device)，線陣CO)是一維像元數(shù)可以做 得很多，而總像元數(shù)較面陣(XD相機(jī)少，而且像元尺寸比較靈活，幀幅數(shù)高，特別適用于一 維動態(tài)目標(biāo)的測量。線陣相機(jī)采集頻率高，能克服面陣相機(jī)曝光時間長、數(shù)據(jù)存儲不及時等 缺點(diǎn)。非常適合高速動態(tài)目標(biāo)信息的采集。
[0026] 本發(fā)明提供的一種基于線陣CCD的移動平臺位置測量系統(tǒng)，包括：基座、移動平 臺、音圈電機(jī)、激光器和多個CCD傳感器；
[0027] 基座為圓形，其表面為平面，（XD傳感器均勻分布在基座的圓周上且(XD傳感器 的固定位置高于基座表面，移動平臺在基座的表面上移動，音圈電機(jī)固定在移動平臺的中 心位置，激光器固定在音圈電機(jī)上，在音圈電機(jī)的驅(qū)動下勻速旋轉(zhuǎn)，激光器發(fā)射的激光束與 C⑶傳感器共面?；鶠榇罄硎惖幕A(chǔ)平臺。（XD的數(shù)量N多3。
[0028] 通過不同點(diǎn)處CCD面陣的時間差，結(jié)合激光器掃描的速度，可以計(jì)算出不同點(diǎn)的 角度信息，取任意兩點(diǎn)連線為弦，圓心角為兩點(diǎn)夾角的二倍作圓。同理另外取兩點(diǎn)做圓，兩 圓的交點(diǎn)為激光光源的位置，進(jìn)一步通過解算可以得出移動平臺的位移信息。
[0029] 如圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)如下：
[0030] (1)定義基座坐標(biāo)系，原點(diǎn)0為基座中心點(diǎn)，X軸和Y軸為位于基座表面平面內(nèi)的 互相垂直的兩個坐標(biāo)軸；
[0031] (2)選擇任意相鄰三個(XD傳感器，在步驟（1)確定的基座坐標(biāo)系中，測量得到任 意相鄰的三個C⑶傳感器的位置坐標(biāo)如圖1所示，分別為：A點(diǎn)(XD傳感器（xa，ya)，B點(diǎn)(XD 傳感器（xb,yb)，C點(diǎn)CCD傳感器（x。，y。）；
[0032] (3)令移動平臺D中心安裝音圈電機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速co帶動激光器旋轉(zhuǎn)，激光器發(fā)持 續(xù)發(fā)射激光束，每次旋轉(zhuǎn)都會打到線陣CCD上。
[0033] (4)在音圈電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈中，記錄激光器發(fā)射的激光束擊中A點(diǎn)C⑶傳感器、B點(diǎn) C⑶傳感器和C點(diǎn)(XD傳感器的時間，分別為ta、tb和t。；
[0034] (5)計(jì)算A點(diǎn)C⑶傳感器、B點(diǎn)(XD傳感器和移動平臺中心之間的夾角a以及B 點(diǎn)C⑶傳感器、C點(diǎn)(XD傳感器和移動平臺中心之間的夾角0，
[0035]具體為：a= ?(tb_ta)，0= 〇(tc_tb);
[0036] (6)以A點(diǎn)C⑶傳感器和B點(diǎn)（XD傳感器之間的直線距離為弦，以2a為圓心角 作圓E，則此圓E必過轉(zhuǎn)臺中心D點(diǎn)，且其圓周角ZADB的大小為a，；以B點(diǎn)C⑶傳感器和 C點(diǎn)(XD傳感器之間的直線距離為弦，以2 0為圓心角作圓F，此圓F必過轉(zhuǎn)臺中心D點(diǎn)，且 其圓周角ZBDC的大小為0。作出的兩個圓在基座范圍內(nèi)有個交點(diǎn)，此點(diǎn)便是點(diǎn)D，因點(diǎn)D 滿足兩個夾角的值，可以看出點(diǎn)D正是激光源的位置（x，y)。
[0037] 直線AD的斜率是
[0046] 根據(jù)式⑴一（5)，即可解算出D點(diǎn)位移。
[0047] 本發(fā)明所述一種基于線陣CCD的移動平臺位置測量方法，采用多線陣CCD實(shí)現(xiàn)對 高動態(tài)移動平臺準(zhǔn)確位置和姿態(tài)實(shí)時測量，所用的測量系統(tǒng)均有成熟應(yīng)用，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 方法可靠。該測量方法工程周期短，方便實(shí)現(xiàn)，這種思路為移動平臺大范圍精確測量提供了 清晰便捷可靠的解算方法。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于線陣CCD的移動平臺位置測量系統(tǒng)，其特征在于包括：基座、移動平臺、音 圈電機(jī)、激光器和多個CCD傳感器； 基座為圓形，其表面為平面，CCD傳感器均勻分布在基座的圓周上且CCD傳感器的固定 位置高于基座表面，移動平臺在基座的表面上移動，音圈電機(jī)固定在移動平臺的中心位置， 激光器固定在音圈電機(jī)上，在音圈電機(jī)的驅(qū)動下勻速旋轉(zhuǎn)，激光器發(fā)射的激光束與CCD傳 感器共面。2. -種基于線陣CCD的移動平臺位置測量系統(tǒng)，其特征在于：所述CCD傳感器的數(shù)量 大于等于3個。3. -種基于權(quán)利要求1所述測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基于線陣CCD的移動平臺位置測量方法， 其特征在于步驟如下： (1) 定義基座坐標(biāo)系，原點(diǎn)〇為基座中心點(diǎn)，X軸和Y軸為位于基座表面平面內(nèi)的互相 垂直的兩個坐標(biāo)軸； (2) 選擇任意相鄰三個CCD傳感器，在步驟（1)確定的基座坐標(biāo)系中，測量得到該相鄰 的三個C⑶傳感器的位置坐標(biāo)，分別為：第一 (XD傳感器（xa，ya)，第二(XD傳感器（xb，yb)， 第三(XD傳感器（x。，yc); (3) 令移動平臺上的音圈電機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速co帶動激光器旋轉(zhuǎn)，激光器發(fā)持續(xù)發(fā)射激光 束； (4) 在音圈電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈中，記錄激光器發(fā)射的激光束擊中第一CCD傳感器、第二CCD 傳感器和第三C⑶傳感器的時間，分別為ta、tb和t。； (5) 計(jì)算第一(XD傳感器、第二(XD傳感器和移動平臺中心之間的夾角a以及第二(XD 傳感器、第三(XD傳感器和移動平臺中心之間的夾角0， 具體為：a= ? (tb_ta)，0 = 〇 (tc_tb); (6) 以第一 (XD傳感器和第二(XD傳感器之間的直線距離為弦，以2a為圓心角作圓， 此圓為第一圓；以第二(XD傳感器和第三(XD傳感器之間的直線距離為弦，以20為圓心角 作圓，此圓為第二圓；第一圓和第二圓的兩個交點(diǎn)之中，一個交點(diǎn)即為第二CCD傳感器的位 置，另一個交點(diǎn)的位置即為移動平臺的位置，令移動平臺的位置坐標(biāo)為（x，y)，則通過如下 方式計(jì)算得到移動平臺的位置坐標(biāo)：
【專利摘要】一種基于線陣CCD的移動平臺位置測量方法，用于月球弱撞擊交會對接地面全物理仿真試驗(yàn)中軌道器和上升器模擬裝置水平傾斜角度的動態(tài)測量，該發(fā)明首次提出了基于線陣CCD掃描原理高動態(tài)的測量移動平臺準(zhǔn)確位置和姿態(tài)信息。
【IPC分類】G01B11/00
【公開號】CN105021125
【申請?zhí)枴緾N201510319381
【發(fā)明人】唐強(qiáng), 劉磊, 賈永, 張勇智, 周揚(yáng), 段文杰
【申請人】北京控制工程研究所
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年6月11日