[发明专利]刚性物体空间自由姿态测量装置及方法及数据分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术。

背景技术

六自由度并联平台是各种设备如飞机、舰船及车载仪器等进行动态可靠性研究的重要模拟试验设备，其研究是一项精密而又复杂的工程科学，涉及机械、计算机控制、光电测量等技术。六自由度并联平台的姿态测量是一种典型的多自由度姿态测量，测量对象为空间移动量和绕空间轴的转动量，通过这些参数的测量并进行逆解可以获得平台正确的空间姿态参数，反馈回控制系统则可以对其进行控制，从而达到使其按照要求进行姿态变化的目的。

针对空间物体的位置和姿态的六自由度测量方法有多种形式，如常用的激光干涉方法、基于多面阵CCD相机系统的视觉测量方法、基于位置敏感探测器(PSD)技术的测量方法等，这些方法存在不同的应用条件和背景，具有各自的特点。如激光干涉法具有测量精度高的优点，但检测过程繁杂、环境要求较高、对使用者的要求也较高，并且是单参数测量，无法满足六个自由度同时测量的要求；而多面阵CCD相机系统的视觉测量方法利用CCD作为接收器，对一特定制作的置于被测物体上的模型进行扫描，以获得模型上特征点的视觉信号，经过一定算法而获得被测物体的各个自由度的信息。该系统的特 点是需要对多个按照严格要求排列的CCD相机进行标定，CCD相机的安装和调整比较困难，标定工作相当繁杂，对使用者的要求也相当高，且整个系统对振动敏感，仪器结构复杂，成本高，不易小型化，精度与CCD摄像系统相关，精度与成本有极大的关系，而且原理上决定高度方向的位置测量和沿轴向的滚转角测量精度较低。而基于PSD的测量方法仅在中心很小的区域内具有较高的精度，当测量范围延伸出后，测量精度就会下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有高精度、使用和维护简便的刚性物体空间自由姿态测量装置及方法，以及数据分析方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，刚性物体空间自由姿态测量装置，包括平面正交四向光标发生装置和线阵CCD，所述线阵CCD具有数据输出接口。

所述平面正交四向光标发生装置为平面正交四向十字光标发生装置，在外壳的四个方向设置有光标输出窗口。所述平面正交四向光标发生装置包括分光棱镜、水平方向扩束镜、水平方向柱面镜、垂直方向扩束镜、垂直方向柱面镜、反射镜组和分光棱镜组。所述线阵CCD包括分布在4个方向的4组CCD相机，每组包括互相垂直的两台相机。

所述平面正交四向光标发生装置还包括激光器，激光器内置于平面正交四向光标发生装置。

或者，激光器分离于平面正交四向光标发生装置的主体，通过光 纤与平面正交四向光标发生装置的主体内部光路连接。

本发明的刚性物体空间自由姿态测量数据分析方法包括下述步骤：

A、进行线状激光光斑分布的数据采集；

B、求出其质心位置Co和线状光斑的半高宽τ；根据τ的情况确定M个合理的τj；

C、以Co为中心，根据τ的情况确定N个将来用于数据截断和获取的数据中心Ci；

D、以Ci为中心、τj为数据半径从原始数据曲线中获取本次用于计算的各个数据值，以截取的这些数据为基础，按照重心法计算出一个质心位置Cji；在相同的τj、不同的Ci下，计算获得一系列的Cji，Cji构成一条质心轨迹变化的扫描线Lj；

E、在不同的τj下，重复上述计算过程，获得一系列的质心轨迹变化的扫描线Lj；

F、求解所有扫描线Lj的交汇点Co，将此Co作为本次测量的位置质心。

本发明的刚性物体空间自由姿态测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

将线阵CCD按水平位置的四个方向安装在地球坐标系中，位置固定；将平面正交四向光标发生装置安装在被测物体上并固定于其上，将其看作参考坐标系，并确定在初始状态时四束激光束可以照射在CCD表面上；线阵CCD的输出信号由计算机进行采集和数值化，通过预定算法进行位置关系逆解，最终获得被测量物体的姿态变化。

本发明的有益效果是，利用多个线阵CCD构成位置探测器，解决了大面阵位置探测器的替代问题，可以简化测量装置，并保证在测量范围内达到一样高的测量精度。采用的数据处理方法可以在数据质量较差的情况下保证线状光线位置测量达到亚像元的水平，最终保证系统测量结果达到较高的水平。

附图说明

图1是本发明的测量装置系统结构原理图。

图2是一组线阵CCD的详细安装方式示意图。

图3是激光光源产生十字形指示光线的原理图。

图4是多线扫描法的数据处理流程图。

图5是多线扫描法的计算过程示意图。