一种空间位置模拟及校准方法
【专利摘要】本发明公开一种空间位置模拟及校准方法，利用平面镜反射激光束进行模型A与B及发动机之间的空间角度校准，即用激光代替发动机轴线，在与轴线垂直的平面上安放平面镜，若激光与平面不垂直，则会使入射激光束与反射激光束之间存在夹角，在较远距离处比较入射激光束和反射激光束的位置确定角度偏差大小；利用发动机中心校准器进行模型B及发动机间对心，即用激光穿过发动机中心校准器的中心孔，调节三维移动装置使穿过中心孔的激光束照射在模型A中心，完成模型A与模型B间空间位置模拟及校准；本发明的优点为：在三维空间方便地实现无接触关系的发动机与试件模型的相对位置调整，调节精度高，模型之间的角度偏差不大于0.1°，位置偏差不超过0.2mm。
【专利说明】 一种空间位置模拟及校准方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种空间位置模拟及校准方法，适用于探月飞船月面起飞、星箭分离等的地面模拟试验，也可用于其它空间位置校准。
【背景技术】
[0002]探月飞船月面起飞、星箭分离等都是航天任务过程中的重要环节，为保证航天任务顺利完成，需要对这些过程进行地面试验验证，而这些地面模拟试验的一个关键就是空间相对位置的确定，比如探月飞船月面起飞时，上升器与着陆平台分离，上升器依靠发动机的推力离开月面返回地球，对此过程进行地面模拟试验时，0.5°的偏差就会导致试验数据的较大变化(比如测量模型表面压强，有些点的测量值会有几倍甚至I个量级的差异)，因此必须严格控制上升器发动机、上升器模型以及着陆平台模型的空间相对位置。然而目前针对多个且无直接接触关系的物体，尚没有一种普适的高精度空间校准的方法。
【发明内容】
[0003]为了解决上述问题，本发明提出一种普适的高精度空间校准的方法，利用实验室的简便工具，在三维空间方便地实现无接触关系的发动机与试件模型的相对位置调整，调节精度高。
[0004]一种空间位置模拟及校准方法，通过下述步骤完成:
[0005]步骤A:设置四轴运动平台，使四轴运动平台中X，y轴构成的平面与水平面平行；令航天器中分离或对接模型的模型，分别为模型A与模型B ;将模型A通过安装架A安装在四轴运动平台的安装台上；且使相对于模型A的航天器发动机轴线与水平面平行。
[0006]步骤B:在距离四轴运动平台6m处设置激光发射器，使激光发射器发射的激光束与水平面平行；在激光发射器前方设置激光束接收屏幕，使激光束接收屏幕垂直于激光发射器激光发射端轴线；且在激光束接收屏幕上开设激光穿出孔，供激光发射器发射的激光束穿过。
[0007]步骤C:将四轴运动平台中X轴或y轴设定为基准轴；开启激光发射器发射激光束，使激光束与设定的基准轴平行，同时使激光束照射在模型A上。
[0008]步骤D:在模型A的激光照射位置安装凹球面镜，调节凹球面镜姿态，使激光束照射在凹球面镜中心处，且使由凹球面镜反射的激光束照射在激光束接收屏幕上。
[0009]步骤E:在激光束接收屏幕上记录反射的激光束照射位置，作为初始位置；随后，控制四轴运动平台使模型A沿基准轴移动600mm，此时，激光束接收屏幕上反射的激光束位置作为终止位置。
[0010]步骤F:判断激光束接收屏幕上终止位置与初始位置的偏移距离d是否大于3mm，若是，表示激光束与基准轴不严格平行，则进入步骤G ;若否，进入步骤H。
[0011]步骤G:水平方向调节激光发射器所发射的激光束水平位置，使凹球面镜反射的激光束位置位于激光束接收屏幕上初始位置和终止位置的中心处；随后，返回执行步骤E。
[0012]步骤H:在模型A上安装平面镜A，调节平面镜姿态，使平面镜A与相对于模型A的航天器发动机轴线垂直，通过四轴运动平台调节模型A的空间位置，使激光束照射在平面镜A上，并使平面镜A反射的激光束照射在激光束接收屏幕上。
[0013]步骤1:判断由平面镜A反射的激光束在激光束接收屏幕上与激光穿出孔间的距离dl ;若在水平方向上dl > 3mm,则进入步骤J ;若在竖直方向上dl > 3mm,则进入步骤K ；若在水平方向与竖直方向上dl ( 3mm,则进入步骤L。
[0014]步骤J:通过控制四轴运动平台，调节模型A水平位置，使平面镜A反射的激光束在激光束接收屏幕上与激光穿出孔间的水平距离dl小于3mm，随后返回步骤I。
[0015]步骤K:调节模型A在四轴运动平台上的竖直方向位置，使平面镜A反射的激光束在激光束接收屏上与激光穿出孔间的竖直距离小于3mm，随后返回步骤I。
[0016]步骤L:保持激光发射器位置不变，在激光发射器与四轴运动平台间放置发动机安装架与安装架B，使发动机安装支架底面及安装架B底面与水平面平行，并通过安装架B安装模型B ;且保证相对于模型B的航天器发动机轴线与水平面平行；同时，在发动机安装架上安装平面镜B，调节平面镜B姿态，使平面镜B与相对于模型B的航天器的发动机轴线垂直，且通过调节发动机安装架的位置，使激光发射器发射的激光束照射在平面镜B上，并使平面镜B反射的激光束照射到激光束接收屏幕上。
[0017]步骤M:判断由平面镜B反射的激光束在激光束接收屏幕上的照射位置与激光穿出孔间的距离d2 ;若d2 > 3mm，则进入步骤N ;否则，进入步骤O。
[0018]步骤N:调节发动机安装支架位置，使平面镜B反射的激光束在接收屏上的照射位置与激光穿出孔间的距离小于3mm，随后，进入步骤O。
[0019]步骤O:在模型B上安装平面镜C，调节平面镜C的姿态，使平面镜C与相对于模型B的航天器发动机轴线垂直，并通过调节安装架B的位置，使激光发射器发射的激光束照射在平面镜C上，且使平面镜C反射的激光束照射到激光束接收屏幕上。
[0020]步骤P:判断由平面镜C反射的激光束在激光束接收屏幕上的照射位置与激光穿出孔间的距离d3 ;若水平方向上d3 > 3mm,贝U进入步骤Q ;若竖直方向上d3 > 3mm,贝U进入步骤R ;若d3 < 3mm,则进入步骤S。
[0021]步骤Q:水平调节模型B安装支架，使平面镜B反射的激光束在激光束接收屏幕上的照射位置与激光穿出孔间的水平距离小于3mm，随后返回步骤P。
[0022]步骤R:通过调节模型B在安装架上的竖直方向安装位置，使激光束在接收屏上与激光穿出孔间的竖直距离小于3_，随后返回步骤P。
[0023]步骤S:将筒状结构发动机中心校准器通过端部设计的连接法兰安装在发动机安装架上；调节激光发射器的位置，使激光发射器发射的激光束穿过发动机中心校准器两端中心位置上开设的中心孔；随后调节四轴运动平台，使穿过中心孔的激光照射在模型A上，且使激光束与相对于模型A的发动机轴线相交。
[0024]步骤T:拆掉发动机中心校准器，安装航天器发动机，移动四轴运动平台使模型A靠近发动机至游标卡尺量程范围内，随后通过游标卡尺测量航天器发动机模型出口平面与模型A的距离；并通过记录四轴运动平台自带采集系统获取此时四轴移动平台的坐标位置。
[0025]本发明的优点在于:
[0026]1、本发明空间位置模拟及校准方法，所针对的发动机及模型，相互之间独立，无任何约束关系，同时相对空间关系要求严格，空间位置校准难度大，本发明方法有效解决了这个难题；
[0027]2、本发明空间位置模拟及校准方法，利用平面镜反射激光束进行模型A与模型B及发动机之间的空间角度校准，即用激光代替发动机轴线，在与轴线垂直的平面上安放平面镜，若激光与平面不垂直，则会使入射激光束与反射激光束之间存在夹角，在较远距离(6m)处比较入射激光束和反射激光束的位置即可确定角度偏差大小，调节精度可达
0.02° ；
[0028]3、本发明空间位置模拟及校准方法，可以用于模拟飞船月面起飞、星箭分离等过程，方法简单、直观，方便实现空间位置校准；空间角校准精度高，模型之间的角度偏差不大于0.1° ;同时,对心精度高,模型之间的相对偏移不大于0.2mm ；
[0029]4、本发明空间位置模拟及校准方法，对使用工具要求较低，如水平仪、激光器等皆是实验室常用设备，成本低，普适性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明空间位置模拟及校准方法流程图；
[0031]图2为本发明空间位置模拟及校准方法中模型A安装方式示意图；
[0032]图3为本发明空间位置模拟及校准方法中激光发射器安装方式及位置示意图；
[0033]图4为本发明空间位置模拟及校准方法中激光约束其结构示意图；
[0034]图5为本发明空间位置模拟及校准方法中模型B安装方式及位置示意图。
[0035]图中:
[0036]1-光学平台A2-光学平台B 3-模型A
[0037]4-模型B5-发动机模型 6-模型A安装架
[0038]7-模型B安装架 8-发动机安装架 9-激光发射器
[0039]10-激光束接收屏幕11-三角架12-激光约束器
[0040]13-四轴运动平台 14-安装台12a-约束筒
[0041]12b-安装筒12c-通孔12d-定位槽
【具体实施方式】
[0042]下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0043]本发明空间位置模拟及校准方法，具体通过下述步骤完成，如图1所示:
[0044]步骤A:将组装后的四轴运动平台13安放在光学平台Al上，如图2所示，使四轴运动平台13的x、y轴构成的平面与光学平台Al表面平行；利用高精度水平仪将光学平台Al调平。令航天器中的分离或对接部件(如:嫦娥系列登月器的着陆器和上升器。)分别为部件A与部件B;根据实际航天器尺寸将航天器等比例或缩小等比例，将其中的部件A、部件B以及航天器发动机制成模型，令其分别为模型A3、模型B4与发动机模型5。将模型A3通过模型A安装架6安装在四轴运动平台13的安装台14上；且使相对于模型A3的航天器发动机轴线(即:等比例或缩小等比例后的航天器中，发动机在与部件A相对位置上的轴线)与水平面平行。
[0045]上述四轴运动平台13可实现模型A3在空间x、y、z上的移动；同时，使模型A3还具有绕z轴转动的自由度。
[0046]步骤B:在距离四轴运动平台136m处设置激光发射器9 ;如图3所示，通过高精度水平仪将激光发射器9调平；同时，在激光发射器9前方设置激光束接收屏幕10，使激光束接收屏幕10垂直于激光发射器9激光发射端轴线(夹角不超过1° );且在激光束接收屏幕10上开设激光穿出孔，供激光发射器9发射的激光束穿过，激光穿出孔孔径大小与激光束直径相等。
[0047]本发明中在激光发射器9的激光发射端加装有激光约束器12，用来限制激光发射器9发射的激光束直径和保证激光束的水平度。激光约束器12采用不锈钢材料，为由约束筒12a与安装筒12b构成的一体结构，如图4所示，安装筒12b与约束筒12a —端相接。其中，约束筒12a作为激光约束器12的主体，为长度1200mm、直径30mm的圆筒，内径与需求激光束直径相等，用以通过激光，约束激光束直径以及方向；为了便于加工，可将约束筒12a两端设计为封闭结构，两端中心位置开设对称的通孔12c。安装筒12b截面为矩形，上下端面的平行度为0.02。安装筒12b内开有定位槽12d，用来安装激光发射器9，实现激光发射器9发射端与约束筒12a间的同轴定位，保证了激光发射器9发射端与约束筒12a间的同轴度。安装筒12b可固定安装在具有调平功能和旋转功能三角架11上，进而实现激光发射器9的安装定位，且通过三角架11可实现激光发射器9的位置调节。
[0048]步骤C:将四轴运动平台13中X轴或y轴设定为基准轴；开启激光发射器9发射激光束，调节激光发射器9位置，使激光束尽量与设定的基准轴平行，同时使激光束照射在模型A3上任意位置。
[0049]步骤D:在模型A3的激光照射位置安装凹球面镜，使激光束尽量照射在凹球面镜中心处，且使由凹球面镜反射的激光束照射在激光束接收屏幕10上。
[0050]步骤E:在激光束接收屏幕10上记录反射的激光束照射位置，作为初始位置；随后，控制四轴运动平台13使模型A3沿基准轴移动600mm，此时，激光束接收屏幕10上反射的激光束位置作为终止位置。
[0051]步骤F:判断激光束接收屏幕10上终止位置与初始位置的偏移距离d是否大于3mm,若是，表示激光束与基准轴不严格平行，则进入步骤G ;若否，进入步骤H。
[0052]步骤G:通过三角架11的旋转功能，水平方向调节激光发射器9所发射的激光束水平位置，且保证激光束照射在凹球面镜上，同时，使凹球面镜反射的激光束位置位于激光束接收屏幕10上初始位置和终止位置的中心处；随后，返回执行步骤E。
[0053]步骤H:在模型A3上安装平面镜A，调节平面镜姿态，使平面镜A与相对于模型A3的航天器发动机轴线垂直，通过四轴运动平台13调节模型A3的空间位置，使激光束照射在平面镜A上，并使平面镜A反射的激光束照射在激光束接收屏幕10上。
[0054]步骤1:判断由平面镜A反射的激光束在激光束接收屏幕10上与激光穿出孔间的距离dl ;若在水平方向上dl > 3mm,则进入步骤J ;若在竖直方向上dl > 3mm,则进入步骤K ;若在水平方向与竖直方向上dl ( 3mm，则进入步骤L。
[0055]步骤J:通过控制四轴运动平台13，调节模型A3水平位置，使平面镜A反射的激光束在激光束接收屏幕10上与激光穿出孔间的水平距离dl小于3mm，随后返回步骤I。
[0056]步骤K:通过在模型A安装架6与模型A3间增减垫片对模型A3在四轴运动平台13上的竖直方向安装位置进行微调，使平面镜A反射的激光束在激光束接收屏上与激光穿出孔间的竖直距离小于3mm，随后返回步骤I。
[0057]步骤L:保持激光发射器9位置不变，在激光发射器9与光学平台Al之间放置光学平台B，如图5所示，在光学平台B上安装发动机安装架8，并通过模型B安装架7安装模型B4，使发动机安装支架底面及模型B安装架7底面与光学平台B表面平行，利用高精度水平仪调节光学平台B至水平；且保证相对于模型B4的航天器的发动机轴线(即:等比例或缩小等比例后的航天器中，发动机在与部件B相对位置上的轴线)与水平面平行。同时，在发动机安装架8上安装平面镜B，通过调节平面镜B姿态，使平面镜B与相对于模型B4的航天器的发动机轴线，且通过调节发动机安装架8的位置，使激光发射器9发射的激光束照射在平面镜B上，并使平面镜B反射的激光束照射到激光束接收屏幕10上。
[0058]步骤M:判断由平面镜B反射的激光束在激光束接收屏幕10上的照射位置与激光穿出孔间的距离d2 ;若d2 > 3mm，则进入步骤N ;否则，进入步骤O。
[0059]步骤N:调节发动机安装支架位置，使平面镜B反射的激光束在接收屏上的照射位置与激光穿出孔间的距离小于3mm，随后，进入步骤O。
[0060]步骤O:在模型B4上安装平面镜C，通过调节平面镜C的姿态，使平面镜C与相对于模型B4的航天器发动机轴线垂直，并通过调节模型B安装架7的位置，使激光发射器9发射的激光束照射在平面镜C上，且使平面镜C反射的激光束照射到激光束接收屏幕10上。
[0061]步骤P:判断由平面镜C反射的激光束在激光束接收屏幕10上的照射位置与激光穿出孔间的距离d3 ;若水平方向上d3 > 3mm,贝U进入步骤Q ;若竖直方向上d3 > 3mm,贝丨J进入步骤R ;若d3 < 3mm,则进入步骤S。
[0062]步骤Q:水平调节模型B安装架7，使平面镜B反射的激光束在激光束接收屏幕10上的照射位置与激光穿出孔间的水平距离小于3mm，随后返回步骤P。
[0063]步骤R:通过在安装孔增减垫片的方法对模型B4的在竖直方向上的安装位置进行微调，使激光束在接收屏上与激光穿出孔间的竖直距离小于3mm，随后返回步骤P。
[0064]步骤S:将筒状结构发动机中心校准器通过端部设计的连接法兰安装在发动机安装架8上；调节激光发射器9的位置，使激光发射器9发射的激光束穿过发动机中心校准器两端中心位置上开设的中心孔；随后调节四轴运动平台13，使穿过中心孔的激光束照射在模型A3上，且使激光束与相对于模型A3的发动机轴线相交。上述发动机中心校准器材料以及连接法兰的结构均与发动机模型5的连接法兰相同。
[0065]步骤T:拆掉发动机中心校准器，安装航天器发动机模型5 (若模型A3与模型B4与真实航天器中部件A与部件B为等比例模型，则此处发动机模型5可采用真实航天器发动机替代)，移动四轴运动平台13使模型A3靠近发动机模型5至游标卡尺量程范围内，随后通过游标卡尺测量发动机模型5出口平面与模型A3的距离；并通过记录四轴运动平台13自带采集系统获取此时四轴移动平台的坐标位置。
[0066]通过以上方法，可获得模型A3、模型B4以及发动机的一个精确的初始位置关系，可作为后续位置调节的基准，根据试验任务改变模型A3和发动机模型5之间的位置关系时，只需直接调节四轴运动平台13即可。
【权利要求】
1.一种空间位置模拟及校准方法，其特征在于:通过下述步骤完成: 步骤A:设置四轴运动平台，使四轴运动平台中X，y轴构成的平面与水平面平行；令航天器中分离或对接模型的模型，分别为模型A与模型B ;将模型A通过安装架A安装在四轴运动平台的安装台上；且使相对于模型A的航天器发动机轴线与水平面平行； 步骤B:在距离四轴运动平台6m处设置激光发射器，使激光发射器发射的激光束与水平面平行；在激光发射器前方设置激光束接收屏幕，使激光束接收屏幕垂直于激光发射器激光发射端轴线；且在激光束接收屏幕上开设激光穿出孔，供激光发射器发射的激光束穿过； 步骤C:将四轴运动平台中X轴或y轴设定为基准轴；开启激光发射器发射激光束，使激光束与设定的基准轴平行，同时使激光束照射在模型A上； 步骤D:在模型A的激光照射位置安装凹球面镜，调节凹球面镜姿态，使激光束照射在凹球面镜中心处，且使由凹球面镜反射的激光束照射在激光束接收屏幕上； 步骤E:在激光束接收屏幕上记录反射的激光束照射位置，作为初始位置；随后，控制四轴运动平台使模型A沿基准轴移动600_，此时，激光束接收屏幕上反射的激光束位置作为终止位置； 步骤F:判断激光束接收屏幕上终止位置与初始位置的偏移距离d是否大于3mm，若是，表示激光束与基准轴不严格平行，则进入步骤G ;若否，进入步骤H ； 步骤G:水平方向调节激光发射器所发射的激光束水平位置，使凹球面镜反射的激光束位置位于激光束接收屏幕上初始位置和终止位置的中心处；随后，返回执行步骤E ; 步骤H:在模型A上安装平面镜A，调节平面镜姿态，使平面镜A与相对于模型A的航天器发动机轴线垂直，通过四轴运动平台调节模型A的空间位置，使激光束照射在平面镜A上，并使平面镜A反射的激光束照射在激光束接收屏幕上； 步骤1:判断由平面镜A反射的激光束在激光束接收屏幕上与激光穿出孔间的距离dl ；若在水平方向上dl > 3mm，则进入步骤J ;若在竖直方向上dl > 3mm，则进入步骤K ;若在水平方向与竖直方向上dl ( 3mm,则进入步骤L ； 步骤J:通过控制四轴运动平台，调节模型A水平位置，使平面镜A反射的激光束在激光束接收屏幕上与激光穿出孔间的水平距离dl小于3mm，随后返回步骤I ; 步骤K:调节模型A在四轴运动平台上的竖直方向位置，使平面镜A反射的激光束在激光束接收屏上与激光穿出孔间的竖直距离小于3mm，随后返回步骤I ; 步骤L:保持激光发射器位置不变，在激光发射器与四轴运动平台间放置发动机安装架与安装架B，使发动机安装支架底面及安装架B底面与水平面平行，并通过安装架B安装模型B ;且保证相对于模型B的航天器发动机轴线与水平面平行；同时，在发动机安装架上安装平面镜B，调节平面镜B姿态，使平面镜B与相对于模型B的航天器的发动机轴线垂直，且通过调节发动机安装架的位置，使激光发射器发射的激光束照射在平面镜B上，并使平面镜B反射的激光束照射到激光束接收屏幕上； 步骤M:判断由平面镜B反射的激光束在激光束接收屏幕上的照射位置与激光穿出孔间的距离d2 ;若d2 > 3mm，则进入步骤N ;否则，进入步骤O ; 步骤N:调节发动机安装支架位置，使平面镜B反射的激光束在接收屏上的照射位置与激光穿出孔间的距离小于3mm，随后，进入步骤O ; 步骤O:在模型B上安装平面镜C，调节平面镜C的姿态，使平面镜C与相对于模型B的航天器发动机轴线垂直，并通过调节安装架B的位置，使激光发射器发射的激光束照射在平面镜C上，且使平面镜C反射的激光束照射到激光束接收屏幕上； 步骤P:判断由平面镜C反射的激光束在激光束接收屏幕上的照射位置与激光穿出孔间的距离d3 ;若水平方向上d3 > 3mm,贝U进入步骤Q ;若竖直方向上d3 > 3mm,贝U进入步骤R ;若d3彡3mm,则进入步骤S ； 步骤Q:水平调节模型B安装支架，使平面镜B反射的激光束在激光束接收屏幕上的照射位置与激光穿出孔间的水平距离小于3_，随后返回步骤P ； 步骤R:通过调节模型B在安装架上的竖直方向安装位置，使激光束在接收屏上与激光穿出孔间的竖直距离小于3mm，随后返回步骤P ; 步骤S:将筒状结构发动机中心校准器通过端部设计的连接法兰安装在发动机安装架上；调节激光发射器的位置，使激光发射器发射的激光束穿过发动机中心校准器两端中心位置上开设的中心孔；随后调节四轴运动平台，使穿过中心孔的激光照射在模型A上，且使激光束与相对于模型A的发动机轴线相交； 步骤T:拆掉发动机中心校准器，安装航天器发动机，移动四轴运动平台使模型A靠近发动机至游标卡尺量程范围内，随后通过游标卡尺测量航天器发动机模型出口平面与模型A的距离；并通过记录四轴运动平台自带采集系统获取此时四轴移动平台的坐标位置。
2.如权利要求1中所述空间位置模拟及校准方法，其特征在于:所述激光发射器的激光发射端加装有激光约束器，激光约束器采用不锈钢材料，为由约束筒与安装筒构成的一体结构，安装筒与约束筒一端相接。其中，约束筒内径与需求激光束直径相等；安装筒内开有定位槽，用来安装激光发射器；安装筒可固定安装在具有调平功能和旋转功能三角架上。
3.如权利要求3中所述空间位置模拟及校准方法，其特征在于:所述约束筒两端设计为封闭结构，两端中心位置开设对称的通孔。
4.如权利要求1中所述空间位置模拟及校准方法，其特征在于:所述发动机中心校准器材料以及连接法兰的结构均与发动机的连接法兰相同。
【文档编号】G01B11/00GK104197835SQ201410461044
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】贺碧蛟, 张明星, 蔡国飙 申请人:北京航空航天大学