一种基于线阵ccd的移动平台位置测量系统及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于线阵CCD的移动平台位置测量系统及测量方法，属于空间飞 行器地面全物理仿真领域。
【背景技术】
[0002] 大型超平花岗岩平台是空间航天器地面全物理仿真系统的关键设备，是六自由度 气浮台平面运动的基准平面和承载平面，其性能好坏直接影响试验精度，甚至影响试验的 顺利进行。基于平动转动气浮台的试验主要用于交会对接、空间机器人和编队飞行领域的 地面仿真，国际上已经开展了 20多年。前期普遍采用花岗岩台面，主要是由于花岗岩密度 大，不易变形，受温度和湿度影响小。但花岗岩台面单块面积受开采和运输限制，不可能太 大，目前已知最大长度不超过15米，用于极近距离对接过程和单体挠性卫星重力卸载仿真 是足够的。但如果验证本仿真系统要求的30m内相对运动过程，就必须采用小块拼接的方 式，受重量限制，地基、支撑机构、微调机构、缝隙找平、表面打磨等工程问题极难处理，容易 变形，后期维护周期长，整修困难。采用移动平台和大型超平花岗岩平台组合的方式，可以 保证六自由度气浮台平面运动的平稳性和一致性，而且维护周期短、使用方便、经济效益 尚。
[0003] 移动平台是月球弱撞击交会对接地面全物理仿真试验的核心设备，通过六自由度 的位置和姿态控制，实现了移动平台的高精度水平保持，移动平台的位置和姿态信息测量 是制约平台水平位置精度的重要因素。长期以来缺乏能够比较准确测量数据和实现方式手 段，本发明测量方法基于多线阵CCD扫描原理，能够比较准确高动态的测量移动平台准确 的亚毫米级位置信息。
【发明内容】
[0004] 本发明提出了一种基于线阵CCD的移动平台位置测量系统及测量方法，用于月 球弱撞击交会对接地面全物理仿真试验中轨道器和上升器模拟装置水平倾斜角度的动态 测量，本发明首次提出了基于线阵CCD扫描原理高动态的测量移动平台准确位置和姿态信 息。
[0005] 本发明采用的技术方案为：
[0006] -种基于线阵CCD的移动平台位置测量系统，包括：基座、移动平台、音圈电机、激 光器和多个C⑶传感器；
[0007] 基座为圆形，其表面为平面，（XD传感器均匀分布在基座的圆周上且(XD传感器 的固定位置高于基座表面，移动平台在基座的表面上移动，音圈电机固定在移动平台的中 心位置，激光器固定在音圈电机上，在音圈电机的驱动下匀速旋转，激光器发射的激光束与 (XD传感器共面。
[0008] 所述C⑶传感器的数量大于等于3个。
[0009] -种测量系统实现的基于线阵CCD的移动平台位置测量方法，步骤如下：
[0010] (1)定义基座坐标系，原点〇为基座中心点，X轴和Y轴为位于基座表面平面内的 互相垂直的两个坐标轴；
[0011] ⑵选择任意相邻三个(XD传感器，在步骤⑴确定的基座坐标系中，测量得到 该相邻的三个C⑶传感器的位置坐标，分别为：第一 (XD传感器（xa，ya)，第二(XD传感器 (xb，yb)，第三CCD传感器（xc，yc);
[0012] (3)令移动平台上的音圈电机以恒定转速co带动激光器旋转，激光器发持续发射 激光束；
[0013] (4)在音圈电机旋转一圈中，记录激光器发射的激光束击中第一 (XD传感器、第二 (XD传感器和第三(XD传感器的时间，分别为ta、tb和t。；
[0014] (5)计算第一(XD传感器、第二(XD传感器和移动平台中心之间的夹角a以及第 二(XD传感器、第三(XD传感器和移动平台中心之间的夹角0，
[0015] 具体为：a= ? (tb_ta)，0 = 〇 (tc_tb);
[0016] (6)以第一 (XD传感器和第二(XD传感器之间的直线距离为弦，以2a为圆心角作 圆，此圆为第一圆；以第二(XD传感器和第三(XD传感器之间的直线距离为弦，以20为圆 心角作圆，此圆为第二圆；第一圆和第二圆的两个交点之中，一个交点即为第二CCD传感器 的位置，另一个交点的位置即为移动平台的位置，令移动平台的位置坐标为（x，y)，则通过 如下方式计算得到移动平台的位置坐标：
[0017]
[0018] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0019] 本试验系统在测量原理、测量方法、数据分析判断上都有创新，具体表现是：深入 分析激光动态测量原理，创新实现不同安装条件下的移动平台高精度位置测量方式。本发 明创造性体现在：
[0020] (1)本发明用多扫描激光器的方法实现对移动平台的定位，充分利用了激光的准 直性和快速性。该原理为激光器的时间差测量相对位置关系提供了重要理论依据。
[0021] (2)本发明一种多线阵CCD移动平台位置和姿态数据计算方法，并设计相应的求 解算法，这种思路为移动平台大范围精确测量提供了清晰便捷可靠的解算方法。
[0022] (3)本发明使用通用的激光器和线阵CCD测量装置；所用的测量系统均有成熟应 用，试验数据分析方法可靠。该测量方法工程周期短，方便实现，即可用于后续航天器地面 全物理仿真，也可以应用到其它高动态移动设备的定位和检测。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明系统架构示意图；
【具体实施方式】
[0024] 本发明通过将线阵C⑶固定于移动平台平滑的安装面上，采用高速气浮轴承支撑 激光器，电机驱动激光器以恒定的速度旋转对线阵CCD进行扫描，通过计算不同点处CCD面 阵的时间差。
[0025]采用电荷親合装置CO) (Charge Coupled Device)，线阵CO)是一维像元数可以做 得很多，而总像元数较面阵(XD相机少，而且像元尺寸比较灵活，帧幅数高，特别适用于一 维动态目标的测量。线阵相机采集频率高，能克服面阵相机曝光时间长、数据存储不及时等 缺点。非常适合高速动态目标信息的采集。
[0026] 本发明提供的一种基于线阵CCD的移动平台位置测量系统，包括：基座、移动平 台、音圈电机、激光器和多个CCD传感器；
[0027] 基座为圆形，其表面为平面，（XD传感器均匀分布在基座的圆周上且(XD传感器 的固定位置高于基座表面，移动平台在基座的表面上移动，音圈电机固定在移动平台的中 心位置，激光器固定在音圈电机上，在音圈电机的驱动下匀速旋转，激光器发射的激光束与 C⑶传感器共面。基座为大理石类的基础平台。（XD的数量N多3。
[0028] 通过不同点处CCD面阵的时间差，结合激光器扫描的速度，可以计算出不同点的 角度信息，取任意两点连线为弦，圆心角为两点夹角的二倍作圆。同理另外取两点做圆，两 圆的交点为激光光源的位置，进一步通过解算可以得出移动平台的位移信息。
[0029] 如图1所示，本发明具体实现如下：
[0030] (1)定义基座坐标系，原点0为基座中心点，X轴和Y轴为位于基座表面平面内的 互相垂直的两个坐标轴；
[0031] (2)选择任意相邻三个(XD传感器，在步骤（1)确定的基座坐标系中，测量得到任 意相邻的三个C⑶传感器的位置坐标如图1所示，分别为：A点(XD传感器（xa，ya)，B点(XD 传感器（xb,yb)，C点CCD传感器（x。，y。）；
[0032] (3)令移动平台D中心安装音圈电机以恒定转速co带动激光器旋转，激光器发持 续发射激光束，每次旋转都会打到线阵CCD上。
[0033] (4)在音圈电机旋转一圈中，记录激光器发射的激光束击中A点C⑶传感器、B点 C⑶传感器和C点(XD传感器的时间，分别为ta、tb和t。；
[0034] (5)计算A点C⑶传感器、B点(XD传感器和移动平台中心之间的夹角a以及B 点C⑶传感器、C点(XD传感器和移动平台中心之间的夹角0，
[0035]具体为：a= ?(tb_ta)，0= 〇(tc_tb);
[0036] (6)以A点C⑶传感器和B点（XD传感器之间的直线距离为弦，以2a为圆心角 作圆E，则此圆E必过转台中心D点，且其圆周角ZADB的大小为a，；以B点C⑶传感器和 C点(XD传感器之间的直线距离为弦，以2 0为圆心角作圆F，此圆F必过转台中心D点，且 其圆周角ZBDC的大小为0。作出的两个圆在基座范围内有个交点，此点便是点D，因点D 满足两个夹角的值，可以看出点D正是激光源的位置（x，y)。
[0037] 直线AD的斜率是
[0046] 根据式⑴一（5)，即可解算出D点位移。
[0047] 本发明所述一种基于线阵CCD的移动平台位置测量方法，采用多线阵CCD实现对 高动态移动平台准确位置和姿态实时测量，所用的测量系统均有成熟应用，试验数据分析 方法可靠。该测量方法工程周期短，方便实现，这种思路为移动平台大范围精确测量提供了 清晰便捷可靠的解算方法。
【主权项】
1. 一种基于线阵CCD的移动平台位置测量系统，其特征在于包括：基座、移动平台、音 圈电机、激光器和多个CCD传感器； 基座为圆形，其表面为平面，CCD传感器均匀分布在基座的圆周上且CCD传感器的固定 位置高于基座表面，移动平台在基座的表面上移动，音圈电机固定在移动平台的中心位置， 激光器固定在音圈电机上，在音圈电机的驱动下匀速旋转，激光器发射的激光束与CCD传 感器共面。2. -种基于线阵CCD的移动平台位置测量系统，其特征在于：所述CCD传感器的数量 大于等于3个。3. -种基于权利要求1所述测量系统实现的基于线阵CCD的移动平台位置测量方法， 其特征在于步骤如下： (1) 定义基座坐标系，原点〇为基座中心点，X轴和Y轴为位于基座表面平面内的互相 垂直的两个坐标轴； (2) 选择任意相邻三个CCD传感器，在步骤（1)确定的基座坐标系中，测量得到该相邻 的三个C⑶传感器的位置坐标，分别为：第一 (XD传感器（xa，ya)，第二(XD传感器（xb，yb)， 第三(XD传感器（x。，yc); (3) 令移动平台上的音圈电机以恒定转速co带动激光器旋转，激光器发持续发射激光 束； (4) 在音圈电机旋转一圈中，记录激光器发射的激光束击中第一CCD传感器、第二CCD 传感器和第三C⑶传感器的时间，分别为ta、tb和t。； (5) 计算第一(XD传感器、第二(XD传感器和移动平台中心之间的夹角a以及第二(XD 传感器、第三(XD传感器和移动平台中心之间的夹角0， 具体为：a= ? (tb_ta)，0 = 〇 (tc_tb); (6) 以第一 (XD传感器和第二(XD传感器之间的直线距离为弦，以2a为圆心角作圆， 此圆为第一圆；以第二(XD传感器和第三(XD传感器之间的直线距离为弦，以20为圆心角 作圆，此圆为第二圆；第一圆和第二圆的两个交点之中，一个交点即为第二CCD传感器的位 置，另一个交点的位置即为移动平台的位置，令移动平台的位置坐标为（x，y)，则通过如下 方式计算得到移动平台的位置坐标：
【专利摘要】一种基于线阵CCD的移动平台位置测量方法，用于月球弱撞击交会对接地面全物理仿真试验中轨道器和上升器模拟装置水平倾斜角度的动态测量，该发明首次提出了基于线阵CCD扫描原理高动态的测量移动平台准确位置和姿态信息。
【IPC分类】G01B11/00
【公开号】CN105021125
【申请号】CN201510319381
【发明人】唐强, 刘磊, 贾永, 张勇智, 周扬, 段文杰
【申请人】北京控制工程研究所
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2015年6月11日