一种三轴气浮台转动角度的测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种三轴气浮台转动角度的测量装置，其特征在于：它包括在三轴气浮台上表面设置的一图像采集处理模块、在图像采集处理模块上表面设置的一光阑、在光阑上方设置的一激光发射器组，在远端设置的一测控系统；图像采集处理模块包括一固定在三轴气浮台上表面的暗箱，在暗箱内固定安装一与三轴气浮台上表面平行的图像传感器，图像传感器通过接线柱电连接一信号处理器，信号处理器电连接一无线传输设备，无线传输设备通过无线通讯连接远程测控系统；光阑上设置有一能使激光发射器组发出的光，达到暗箱中图像传感器上的光线引入孔；激光发射器组至少包括两个发射出的光线互为角度的激光发射器。本发明专利技术测量方法简单、精度高，可以广泛用于三轴气浮台全物理仿真试验当中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种测量装置及测量方法，特别是关于。
技术介绍
目前在卫星研制过程中，需要利用卫星控制系统对卫星姿态进行控制，将卫星的姿态信息反馈给控制计算机，经过计算后形成控制指令，然后驱动执行机构实现对卫星姿态的控制。因此，卫星控制系统设计方案的正确性以及卫星控制系统的功能和性能的好坏直接关系到对卫星控制的准确性，是至关重要的。但是检验和验证控制系统的好坏不能总是直接用真正的卫星来操作，所以必须用一种地面系统来模拟卫星的运动，现在主要是利用一种三轴气浮台在地面模拟卫星在空间的运动姿态。 在利用三轴气浮台实现卫星控制系统的全物理仿真过程中，核心问题之一就是要能实时准确的测量出三轴气浮台的三个转动角度。 三轴气浮台是依靠压缩空气在球面气浮轴承与轴承间形成的气膜，产生向上的作用力，抵消台面的重力，使台面浮起，从而利用台面的角运动近似模拟卫星在轨失重状态下运行的姿态。传统上，通常利用光电码盘来测量它的角运动，如申请号为200410086057.4，为转动编码器的中国专利，由于该方法具有结构简单、测量精度高、完全数字化等优点，受到广泛的关注和应用，也涌现了多种光电码盘产品，但是光电码盘只能用于单轴转动的角度测量，在三轴气浮台的角运动测量应用中具有局限性。 经文献检索发现，申请号为200410009083.7，为刚体空间位姿测量装置及其测量方法的中国专利技术专利，采用拉线式编码器实现了一种接触式的低成本、高精度的刚体空间位置和姿态测量装置和测量方法。但由于三轴气浮台需要为卫星控制系统物理仿真提供一个无干扰的环境，因此该专利提供的接触式测量装置和测量方法无法满足三轴气浮台转角动态测量的要求。 哈尔滨工业大学的张晓友、刘暾和北京控制工程研究所的李季苏等提出了一种三轴气浮台单框伺服测角系统(张晓友，刘敦，李季苏。三轴气浮台单框伺服测角系统研究。宇航学报。第17卷，第4期，1996年，pp.71-74)。该系统在气浮台基座上安装一个可以绕气浮台中心铅垂线转动的敏感性圆弧臂，并在其上安装可以移动的滑架，通过敏感性圆弧臂的转动和滑架的移动测量气浮台的运转角，但该系统需要增加复杂的机械系统和敏感器系统，结构过于复杂。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提出一种成本低，精度高，能够仿真提供一个无干扰环境的三轴气浮台转动角度的测量装置及测量方法。 为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案一种三轴气浮台转动角度的测量装置，它包括在三轴气浮台上表面设置的一图像采集处理模块、在所述图像采集处理模块上表面设置的一光阑、在所述光阑上方设置的一激光发射器组，在远端设置的一测控系统；所述图像采集处理模块包括一固定在所述三轴气浮台上表面的暗箱，在所述暗箱内固定安装一与所述三轴气浮台上表面平行的图像传感器，所述图像传感器通过接线柱电连接一信号处理器，所述信号处理器电连接一无线传输设备，所述无线传输设备通过无线通讯连接所述远程测控系统；所述光阑上设置有一能使所述激光发射器组发出的光，达到所述暗箱中图像传感器上的光线引入孔；所述激光发射器组至少包括两个发射出的光线互为角度的激光发射器。 所述图像传感器采用CCD或CMOS图像传感器之一。 所述信号处理器采用DSP或单片机芯片之一。 所述光阑为MEMS器件，所述光阑上光线引入孔的尺寸为60×60μm2。 所述激光发射器组采用平行激光发射器。 所述激光发射器组包括两个激光发射器，其中一个与三轴气浮台上表面垂直设置，另一个与所述垂直设置的激光发射器呈一角度设置。 一种利用所述测量装置进行的测量方法，包括以下步骤， 1)在三轴气浮台上表面设置一图像采集处理模块，所述图像采集处理模块的暗箱内设置有图像传感器和信号处理器，在所述暗箱上方设置至少两台激光发射器，保证每个激光发射器发出的激光均可穿过暗箱顶部光阑上的光线引入孔到达图像传感器； 2)按照下面的方法设定基准坐标系0—XYZ以图像传感器的上表面为XOY平面，以图像传感器上表面的中心点为坐标系原点0，过坐标原点0且垂直于XOY平面的轴为Z轴； 3)标定引入孔31上的入射点P在0—XYZ坐标系的坐标； 4)设t0时刻，激光发射器组发出的其中两束光经过P点入射到图像传感器感光面上，信号处理器采集到图像传感器感光面上的像点坐标分别为A(xa，ya，za)和B(xb，yb，zb)，则入射点P与A、B两点所形成的矢量在t0时刻表示为 5)当三轴气浮台转动到t1时刻，激光发射器组4发出的其中两束光经入射点P入射到图像传感器感光面上，信号处理器采集到图像传感器感光面上的像点坐标分别为A’(xa’，ya’，za’)和B’(xb’，yb’，zb’)，则入射点P与A’、B’两点所形成的矢量在t1时刻表示为 6)由式(1)、(2)可知， ， 和 ， 代表的实际是同一组向量，只是用不同时刻的坐标来表示而已，所以利用 ， 或 ， 其中的任何一组向量，均可以定义一个右手正交系C，则三个轴的单位矢量表示为 坐标系0—XYZ由t0时刻旋转至坐标系C的方向余弦矩阵为 坐标系0—XYZ由t1时刻旋转至坐标系C的方向余弦矩阵为 由式(4)、(5)中的 和 确定方向余弦矩阵 为 由已知公式 结合式(4)、(5)、(6)计算得到三轴的转动角度为 7)将信号处理器处理的数据通过无线传输设备输送给远程测控系统。 本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本专利技术装置由于采用激光发射器作为光源，并使用基于MEMS工艺的光阑，大大提高了光标系统的定位精度，试验表明像点的定位精度可以达到0.005个像素。2、本专利技术装置由于采用CCD/COMS图像采集和处理电路，能够准确传感定位，使系统结构简单，成本低，体积小，功耗小。3、本专利技术装置由于采用无线远程测控系统，脱离了接触式测量，在不妨碍三轴气浮台运转的同时，还能进行实时测量并反馈给远程测控系统。4、本专利技术测量方法简单、成本低、精度高、不会对三轴气浮台产生干扰。 附图说明 图1是本专利技术装置的布置示意图 图2是本专利技术中图像采集处理模块示意图 图3是利用本专利技术装置测量角度时的坐标系0—XYZ以及图像传感器上像点在此坐标系的坐标示意图 图4是三轴气浮台从t0时刻转动至t1时刻坐标系的变化示意图 具体实施例方式 下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。 名称定义 三轴气浮台的运转是指三轴气浮台在水平方向上的360°旋转和竖直方向上与竖直轴呈±45°夹角范围内的旋转。 三轴气浮台的转动角度是指气浮台在某一时刻相对平衡位置(设气浮台的初始位置是平衡位置)的转动角度。 如图1、图2所示，基于三轴气浮台的运动特性，本专利技术三轴气浮台转动角度测量装置包括在现有技术的三轴气浮台1上表面设置的一图像采集处理模块2，在图像采集处理模块2上方设置一光阑3，在光阑3上方设置一激光发射器组4，同时在远端设置一远程测控系统5。 图像采集处理模块2包括一固定在三轴气浮台1上表面的暗箱21，在暗箱21本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三轴气浮台转动角度的测量装置，其特征在于：它包括在三轴气浮台上表面设置的一图像采集处理模块、在所述图像采集处理模块上表面设置的一光阑、在所述光阑上方设置的一激光发射器组，在远端设置的一测控系统；所述图像采集处理模块包括一固定在所述三轴气浮台上表面的暗箱，在所述暗箱内固定安装一与所述三轴气浮台上表面平行的图像传感器，所述图像传感器通过接线柱电连接一信号处理器，所述信号处理器电连接一无线传输设备，所述无线传输设备通过无线通讯连接所述远程测控系统；所述光阑上设置有一能使所述激光发射器组发出的光，达到所述暗箱中图像传感器上的光线引入孔；所述激光发射器组至少包括两个发射出的光线互为角度的激光发射器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙剑，尤政，李滨，张高飞，邢飞，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]