基于二次平台线阵ccd的倾角测量方法
【专利摘要】基于二次平台线阵CCD的倾角测量方法，涉及基于二次平台的倾角测量方法，属于超精密仪器设备测量系统的测量方法。为了解决采用光栅式编码器不适用于二次平台及六自由度气浮台系统的问题以及采用倾角传感器在二次平台动态工作时精度差的问题。本发明通过旋转半导体激光器旋转扫描周围的线阵CCD，在线阵CCD屏幕上留下高度不等的光点，得到线阵CCD屏幕上光点的高度数据。将相邻的线阵CCD上光点的高度数据信号发送给数字信号处理器。根据光点的高度信号求解光点构成平面的倾角α，根据误差对倾角α进行补偿，将补偿后的倾角α0作为当前平台的倾角。本发明适用于二次平台的倾角测量。
【专利说明】基于二次平台线阵CCD的倾角测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及基于二次平台的倾角测量方法，属于超精密仪器设备测量系统的测量方法。
【背景技术】
[0002]在现代社会中，经常需要高平面度的平台，比如在空间交汇对接、地面测量、导航、网络通信和编队控制等全物理仿真试验中，需要支撑整个地面仿真器，为地面仿真实验提供基础平台，为编队卫星地面试验验证、控制算法验证分析等物理仿真试验提供平台支撑。由于平台运动或者是静止时都可能由于大面积水平基座的不平整等原因处于倾斜状态，不利于为负载提供尽可能水平的作业平台保证准确对接，因此需要平台在静止和运动状态都能够被快速、精确的调平，以保证平台足够的水平度。
[0003]二次平台和六自由度气浮台轨道器及六自由度气浮台上升器共同构成交会对接仿真试验的核心部分。其中，以气浮球轴承和重力平衡伺服运动机构为核心组成的六自由度气浮台轨道器用来模拟轨道器动力学仿真状态；二次平台用来支撑六自由度气浮台轨道器，实现高精度自动调平；与六自由度上升器配合，实现完整的交会对接动力学与控制全物理仿真试验。整个系统运行在大型花岗岩平台上，是地面全物理仿真试验的核心和基础平台；也为未来的编队卫星地面试验验证、控制算法验证分析等物理仿真试验提供平台支撑。倾角测量是整个自动调平系统的一部分，主要实现激光扫描平面倾角测量。
[0004]现有的方法一般是根据倾角传感器或者光栅式编码器来测量倾角，但是由于二次平台时刻存在着无明显规律的运动，而倾角传感器实质上是一种加速度传感器，只能在静态工作时保证较高的精度(0.1角秒左右)，而无法在动态工作时达到理想的精度，而光栅式编码器则需要一个相对稳定的转轴来进行测量，可是系统中二次平台气浮在大平台上，没有定轴，所以光栅式编码器不适合使用在上述系统中。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于二次平台线阵CCD倾角测量方法，为了解决光栅式编码器不适用于二次平台及六自由度气浮台系统的问题以及采用倾角传感器在二次平台动态工作时精度差的问题。
[0006]基于二次平台线阵CCD的倾角测量方法是基于二次平台线阵CCD的倾角测量系统来实现的，系统包括:二次平台，整个平台，旋转半导体激光器，线阵(XD，信号处理器(DSP);将旋转半导体激光器设置在二次平台表面，将线阵CXD设置在整个平台四周，设置线阵CXD的感光面法线的交点在整个平台中心；二次平台可在整个平台上运动，线阵CXD连接信号处理器。
[0007]基于二次平台线阵CXD的倾角测量方法的过程为:
[0008]步骤一、旋转半导体激光器旋转扫描周围的线阵CCD，在线阵CCD屏幕上留下高度不等的光点，得到线阵CCD屏幕上光点的高度数据；将相邻的线阵CCD上光点的高度数据信号发送给数字信号处理器。
[0009] 步骤二、根据DSP中光点的高度信号求解光点构成平面的倾角α。
[0010]步骤三、根据旋转半导体激光器打到线阵CCD及DSP接到信号后经历的响应时间误差对倾角α进行补偿，将补偿后的倾角a ^作为当前平台的倾角。
[0011]本方法可以应用于二次平台系统中对平台的调整，并且保证了气浮台在大平台处于动态工作时也能达到微米级别的精度，远远优于静态工作时0.1角秒精度范围的加速度传感器，使六自由度气浮台轨道器实现高精度自动调平，实现完整的交会对接动力学与控制全物理仿真试验。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1 二次平台线阵CXD的倾角测量系统示意图(图中没有标记信号处理器)；
[0013]图2测量二次平台倾角原理示意图；
[0014]图3求解光点构成平面的倾角示意图。
【具体实施方式】
[0015]【具体实施方式】一:结合图1说明本实施方式，本实施方式的基于二次平台线阵CCD的倾角测量方法是基于二次平台线阵CCD的倾角测量系统来实现的，系统包括:二次平台
(I)，整个平台(2)，旋转半导体激光器(3)，线阵CCD (4)，信号处理器(DSP);将旋转半导体激光器(3)设置在二次平台(I)表面，将线阵CCD(4)设置在整个平台(2)四周，设置线阵CCD(4)的感光面法线的交点在整个平台(2)中心；二次平台(I)可在整个平台(2)上运动，线阵CXD (4)连接信号处理器。
[0016]基于二次平台线阵CXD的倾角测量方法的过程为:
[0017]步骤一、旋转半导体激光器(3)旋转扫描周围的线阵CCD(4)，在线阵CCD(4)屏幕上留下高度不等的光点，得到线阵CCD(4)屏幕上光点的高度数据；将相邻的线阵CCD(4)上光点的高度数据信号发送给数字信号处理器。
[0018]步骤二、根据DSP中光点的高度信号求解光点构成平面的倾角α。
[0019]步骤三、根据旋转半导体激光器(3)打到线阵CCD(4)及DSP接到信号后经历的响应时间误差对倾角α进行补偿，将补偿后的倾角作为当前平台的倾角。
[0020]【具体实施方式】二:结合图2说明本实施方式，本实施方式所述的步骤一中“旋转半导体激光器(3)旋转扫描周围的线阵CCD(4)，在线阵CCD(4)屏幕上留下高度不等的光点，得到线阵CCD(4)屏幕上光点的高度数据”的具体操作步骤为:以整个平台(2)的中心为原点，以二次平台⑴平面作为XOY平面建立坐标系，Z轴垂直Χ0Υ，以线阵CXD (4)所在平面的位置标记线阵(XD(4)在XOY平面内的坐标，记为(1，50，相应线阵0:0(4)中的光点的坐
记为(X，Y? z)。
[0021]其它步骤与【具体实施方式】一相同。
[0022]【具体实施方式】三:结合图3说明本实施方式，本实施方式步骤二的“根据DSP中光点的高度信号求解光点构成平面的倾角α ”的具体操作步骤为:
[0023]步骤1:选取相邻的3个线阵CXD (4)上的光点高度数据信号记为线阵CXD (4)上3个点的空间坐标 A(x1; y1； Z1), B(x2, j2, z2) , C(x3, y3, z3)。[0024]步骤2:以 A(X17Y17Z1) ,B(x2,y2,z2), C(x3,y3,z3)三点确定一个平面记为平面 ABC,根据公式(I)求得平面ABC的法线方向矢量(a，b，c)，
[0025](a, b, c) = [ (X2-X1)，(y21i)，(Z2-Z1) ] X [ (X3-X1)，(Y3I1)，(Z3-Z1)]
[0026]= [ (Y2-Y1) (Z3-Z1) - (Z2-Z1) (Y3-Y1) ] 1-[ (X2-X1) (Z3-Z1) - (X3-X1) (Z2-Z1) ] j (I)
[0027]+ [ (X2-X1) (Y3-Y1) - (X3-X1) (Y2-Y1) ] k
[0028]i，j，k为X，Y，Z的单位向量。
[0029]步骤3:根据公式(2)计算平面ABC与平面XOY夹角的余弦。
[0030]⑵ \(a,b,c)\ \(a,b,c)\
[0031]根据公式(3)平面ABC与平面XOY夹角，即倾角α。
[0032]a = arccos (cos α ) (3)
[0033]其它步骤与【具体实施方式】二相同。
[0034]【具体实施方式】四:本实施方式所述步骤三“根据旋转半导体激光器(3)打到线阵CCD (4)及DSP接到信号后经历的响应时间误差对倾角α进行补偿”的具体操作步骤为:
[0035]根据公式(4)对倾角α进行误差补偿，补偿后倾角为Cici,
[0036]α。= a +T*W (4)
[0037]T为旋转半导体激光器(3)打到线阵CXD (4)后真正把高度数据信号发送给DSP经历的响应时间，W为平台的角速度。
[0038]其它步骤与【具体实施方式】三相同。
【权利要求】
1.一种基于二次平台线阵CCD的倾角测量方法，所述方法是基于二次平台线阵CCD的倾角测量系统来实现的，所述系统包括:二次平台，整个平台，旋转半导体激光器，线阵CCD，信号处理器(DSP);将旋转半导体激光器设置在二次平台表面，将线阵CCD设置在整个平台四周，设置线阵CCD的感光面法线的交点在整个平台中心；二次平台可在整个平台上运动，线阵CXD连接信号处理器； 其特征在于所述方法是按照以下步骤实现的: 步骤一、旋转半导体激光器旋转扫描周围的线阵CCD，在线阵CCD屏幕上留下高度不等的光点，得到线阵CCD屏幕上光点的高度数据；将相邻的线阵CCD上光点的高度数据信号发送给数字信号处理器； 步骤二、根据DSP中光点的高度信号求解光点构成平面的倾角α ； 步骤三、根据旋转半导体激光器打到线阵CCD及DSP接到信号后经历的响应时间误差对倾角α进行补偿，将补偿后的倾角作为当前平台的倾角。
2.根据权利要求1所述的基于二次平台线阵CCD的倾角测量方法，其特征在于:步骤一的“旋转半导体激光器旋转扫描周围的线阵CCD，在线阵CCD屏幕上留下高度不等的光点，得到线阵CCD屏幕上光点的高度数据”的实现过程为:以整个平台的中心为原点，以二次平台平面作为XOY平面建立坐标系，Z轴垂直Χ0Υ，以线阵CXD所在平面的位置标记线阵CXD在XOY平面内的坐标，记为(X，y)，相应线阵CXD中的光点的坐标记为(x，y，z)。
3.根据权利要求2所述的基于二次平台线阵CCD的倾角测量方法，其特征在于:步骤二的“根据DSP中光点的高度信号求解光点构成平面的倾角α ”实现过程为: 步骤1:选取相邻的3个线阵CCD上的光点高度数据信号记为线阵CCD上3个点的空I司坐丰不 A (χ^ J Yjj Z1)，B (X2，Y 2，Z2)，C (X3，y"3，Z3);
步骤2:以A (x1； y1； Z1), B (x2, y2, z2), C (x3, y3, z3)三点确定一个平面记为平面ABC,根据公式(I)求得平面ABC的法线方向矢量(a，b，c)；
(a, b, c) = [ (X2-X1)，(Y2-Y1)，(Z2-Z1) ] X [ (X3-X1)，(y3-yι)，(Z3-Z1)]
=[(y2_yi) (Z3-Z1)-(Z2-Z1) (Y3-Y1) ] i_[ (X2-X1) (Z3-Z1)-(X3-X1) (Z2-Z1) ] j (I)
+ [(X2-X1) (Y3-Y1)-(X3-X1) (Y2-Y1)Jk i，j，k为X，Y，Z的单位向量; 步骤3:根据公式(2)计算平面ABC与平面XOY夹角的余弦；
4.根据权利要求3所述的基于二次平台线阵CCD的倾角测量方法，其特征在于:步骤三“根据旋转半导体激光器打到线阵CCD及DSP接到信号后经历的响应时间误差对倾角α进行补偿”的实现过程为: 根据公式(4)对倾角α进行误差补偿，补偿后倾角为Citl; α 0 = a +T*W (4) T为旋转半导体激光器打到线阵CCD后真正把高度数据信号发送给DSP经历的响应时间，W为 平台的角速度。
【文档编号】G05D3/12GK103983247SQ201410208601
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月16日 优先权日:2014年5月16日
【发明者】陈兴林, 刘帅, 刘宇维, 杜靖 申请人:哈尔滨工业大学