本发明涉及航天实验设备技术领域，尤其涉及一种非接触式确定物体位置和姿态的系统和方法。
背景技术：
在载人航天领域，人们利用航天器中的失重环境，在航天器内开展多种基础物理或科学实验，但在轨运行的航天器会受到各种扰动的影响，很难保证理想的失重环境，从而破坏了实验所需的理想条件，所以，如何能够为在轨运行航天器上的实验载荷提供理想的高微重力环境，已经成为在航天器内顺利进行实验的首要解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种非接触式确定物体位置和姿态的系统和方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种非接触式确定物体位置和姿态的系统，包括：三个定位平面和六个位移传感器，三个所述定位平面均安装在待测物体上，且三个所述定位平面两两相互正交，六个所述位移传感器均安装在待测环境中，三个所述定位平面包括第一定位平面、第二定位平面和第三定位平面，六个所述位移传感器包括第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第四位移传感器、第五位移传感器和第六位移传感器，所述第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器分别垂直对准所述第一定位平面安装，且不在同一条直线上，所述第四位移传感器和第五位移传感器分别垂直对准所述第二定位平面安装，所述第六位移传感器垂直对准所述第三定位平面安装，六个所述位移传感器的测点分别位于各自开始对准的平面上。
一种非接触式确定物体位置和姿态的方法，利用上述的系统，包括如下步骤：
s1，以三组位移传感器的零点位置形成的三个平面的交点为坐标系原点，三个平面的法线方向为三个坐标轴建立固定直角坐标系s；以三个定位平面的交点为坐标系原点，三个定位平面的法线方向为三个坐标轴建立待测物体本体直角坐标系b；
s2，记录初始状态下六个位移传感器的测点在固定直角坐标系s中的坐标值；
s3，在物体运动的过程中，采集六个位移传感器的位移读数；
s4，根据s2得到的坐标值和s3得到的位移读数，得到三个所述定位平面所在的几何平面在固定直角坐标系s中的方程，联立方程后，得到三个所述定位平面的交点在固定直角坐标系s中的坐标值；
s5，根据s4中得到的坐标值，在固定直角坐标系s中表示待测物体本体坐标系b的三个基向量；
s6，根据s5的结果，得到待测物体本体坐标系b相对固定直角坐标系s的方向余弦矩阵，确定物体的位置和姿态。
本发明的有益效果是：本发明实施例提供的非接触式确定物体位置和姿态的系统和方法，通过在待测物体或测量环境中上设置三个互相正交的定位平面，并通过设置六个位移传感器分别测量对应三个定位平面上测点的位移值，则通过三个定位平面上测点的位移与位移传感器的安装位置，分别计算得到三个定位平面的空间位置，而且通过三个定位平面的空间位置和在待测物体上的安装位置关系，得到待测物体的位置和姿态，进而实现对待测物体(实验平台)相对航天器位置和姿态的控制，并服务于高微重力需求的实验载荷。
附图说明
图1是本发明实施例提供的非接触式确定物体位置和姿态的系统结构示意图。
图中，各符号的含义如下：
1第一定位平面、2第二定位平面、3第三定位平面、4第一位移传感器、5第二位移传感器、6第三位移传感器、7第四位移传感器、8第五位移传感器、9第六位移传感器、10待测物体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
为了能够为在轨运行航天器上的实验载荷提供理想的高微重力环境，本发明中，通过对实验平台相对航天器进行精确的定位，从而实现对其进行相对航天器位置和姿态的控制，进而服务于高微重力需求的实验载荷。
如图1所示，本发明实施例提供了一种非接触式确定物体位置和姿态的系统，包括：三个定位平面和六个位移传感器，三个所述定位平面均安装在待测物体上，且三个所述定位平面两两相互正交，六个所述位移传感器均安装在待测环境中，三个所述定位平面包括第一定位平面1、第二定位平面2和第三定位平面3，六个所述位移传感器包括第一位移传感器4、第二位移传感器5、第三位移传感器6、第四位移传感器7、第五位移传感器8和第六位移传感器9，第一位移传感器4、第二位移传感器5和第三位移传感器6分别垂直对准第一定位平面1安装，且不在同一条直线上，第四位移传感器7和第五位移传感器8分别垂直对准第二定位平面2安装，第六位移传感器9垂直对准第三定位平面3安装，六个所述位移传感器的测点分别位于各自开始对准的平面上。
上述结构的工作原理为：
位移传感器用于获取待测物体的位移，在实际使用过程中，可以使用计算机来采集位移传感器上的数据。在待测物体运动的过程中，六个位移传感器的位点始终保持在最初各自对准的平面上，获取在各自对准平面上的测点位置和位移数据，而得到的该测点位置和位移数据即可作为确定物体位置和姿态的基础数据，得到物体的位置和姿态，再根据获取到的物体的位置和姿态，对其进行控制，从而为在轨运行航天器上的实验载荷提供理想的高微重力环境。
实施例二
本发明实施例提供了一种非接触式确定物体位置和姿态的方法，利用实施例一的系统，包括如下步骤：
s1，以三组位移传感器的零点位置形成的三个平面的交点为坐标系原点，三个平面的法线方向为三个坐标轴建立固定直角坐标系s；以三个定位平面的交点为坐标系原点，三个定位平面的法线方向为三个坐标轴建立待测物体本体直角坐标系b；
s2，记录初始状态下六个位移传感器的测点在固定直角坐标系s中的坐标值；
s3，在物体运动的过程中，采集六个位移传感器的位移读数；
s4，根据s2得到的坐标值和s3得到的位移读数，得到三个所述定位平面所在的几何平面在固定直角坐标系s中的方程，联立方程后，得到三个所述定位平面的交点在固定直角坐标系s中的坐标值；
s5，根据s4中得到的坐标值，在固定直角坐标系s中表示待测物体本体坐标系b的三个基向量；
s6，根据s5的结果，得到待测物体本体坐标系b相对固定直角坐标系s的方向余弦矩阵，确定物体的位置和姿态。
具体实施例：
设第一定位平面的法向为b坐标系z轴正方向，第二定位平面的法向为b坐标系y轴正方向，第三定位平面的法向为b坐标系x轴正方向。其中第一定位平面的三个测点在s坐标系中的坐标分别为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)，第二定位平面的两个测点在s坐标系中的坐标分别为(x4,y4,z4),(x5,y5,z5)，第三定位平面的一个测点在s坐标系中的坐标为(x6,y6,z6)。
并设对准三个定位平面分别对应的6个位移传感器的读数分别为v1,v2,v3,v4,v5,v6。
则
z1＝v1
z2＝v2
z2＝v3
y4＝v4
y5＝v5
x6＝v6
设第一定位平面所在的几何平面在坐标系s中的方程为：
z＝a1x+b1y+c1，
代入对应三个测点的数据，得到：
设第二定位平面所在的几何平面在坐标系s中的方程为：
y＝a2x+b2z+c2，
代入对应2个测点的数据，并且利用其与第一定位平面的正交关系，得到：
设第三定位平面所在的几何平面在坐标系s中的方程为：
x＝a3y+b3z+c3，
代入对应1个测点的数据，并且利用其与a，b定位平面的正交关系，得到：
联立第一、第二和第三这3个定位平面所在几何平面方程，得到三个定位平面交点在坐标系s中的坐标为：
此时待测物体本体坐标系b的3个基向量在固定直角坐标系s中表示为：
则，待测物体本体坐标系b相对坐标系s的方向余弦矩阵为：
则，使用六个位移传感器的读数完成了对物体位置和姿态的确定。
可见，通过三个定位平面上测点的位移与位移传感器的安装位置，可以分别解算出三个定位平面的空间位置。通过三个定位平面的空间位置和在待测物体上的安装位置关系，可以得到待测物体的位置和姿态。本发明中，通过使用高精度的位移传感器，对物体的位置和姿态的确定具有较高的精度，而且结构简单，通用性强。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明实施例提供的非接触式确定物体位置和姿态的系统和方法，通过在待测物体或测量环境中上设置三个互相正交的定位平面，并通过设置六个位移传感器分别测量对应三个定位平面上测点的位移值，则通过三个定位平面上测点的位移与位移传感器的安装位置，分别计算得到三个定位平面的空间位置，而且通过三个定位平面的空间位置和在待测物体上的安装位置关系，得到待测物体的位置和姿态，进而实现对待测物体(实验平台)相对航天器位置和姿态的控制，并服务于高微重力需求的实验载荷。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本领域人员应该理解的是，上述实施例提供的方法步骤的时序可根据实际情况进行适应性调整，也可根据实际情况并发进行。
上述实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，例如：个人计算机、服务器、网络设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，例如：ram、rom、磁碟、磁带、光盘、闪存、u盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。