基于编码器反馈的吊索倾角测量装置及测量方法
【专利摘要】本发明公开一种基于编码器反馈的吊索倾角测量装置，包括外壳、摆杆一、摆杆二、编码器一、编码器二，外壳为长方体结构，具有安装平面和四个侧面，侧面上开设有与吊索平行的纵长开口，纵长开口中设置有横向加强肋条，加强肋条上设置有摆杆轴孔，相对侧面上的摆杆轴孔分别形成两个轴线，与外壳顶部的安装平面平行且互相垂直不交叉，摆杆一和摆杆二的顶部设置过索孔，两者“十字相交”于过索孔，且两摆杆的门字型分别呈倒立结构通过转轴安装在摆杆轴孔中，以供吊索穿过，两编码器的外壳对应设置在横向加强肋条的外部，其转轴分别与两摆杆的转轴安装固定，两摆杆摆动时，两编码器分别与转轴同步转动，由两编码器的转角，计算出吊索在水平两个方向的倾角。
【专利说明】基于编码器反馈的吊索倾角测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于航天器地面试验【技术领域】，具体涉及使用吊索悬挂方式满足航天器地 面微重力环境试验中吊索倾角测量装置，同时也涉及使用该装置进行吊索倾角测量的方 法。
【背景技术】
[0002] 国内外吊索倾角检测方法主要分为：三轴加速度传感器测量法、三轴陀螺仪测量 法、视觉测量法、iGPS测量法、激光跟踪仪测量法等。
[0003] 加速度传感器测量法将三轴加速度传感器与吊索安装在一起，利用三轴加速度计 测量得到的三个方向的加速度大小计算出重力方向相对于吊索方向的方向角，即倾角。该 方法的不足在于容易受到吊索运动的影响，因为三轴加速度传感器实际测量得到的是重力 加速度与运动加速度的合加速度。因此，三轴加速度传感器测量法多适用于静态倾角的测 量。
[0004] 三轴陀螺仪测量法将三轴陀螺仪与吊索安装在一起，陀螺仪可以测量到吊索的倾 角加速度，通过两次积分计算出倾角的变化量，最后再计入初始倾角，即可得到当前的倾角 数值。陀螺仪测量的是角加速度，不受线加速度的影响，因此测量精度要比加速度传感器 高。但是，陀螺仪测量倾角是间接通过积分计算得到的，长时间使用容易出现漂移，导致该 方法不适用于长时间的吊索倾角测量。
[0005] 视觉测量法分为两种：平视视觉测量和俯视视觉测量。平视视觉测量是在吊索的 侧面设置固定相机，通过图像处理得到吊索在图像中的倾角，如果需要测量两个垂直方向 的话，则需要两台相机同时工作；俯视视觉测量是在吊索的顶部设置与吊索上吊点位置相 对不变的相机，同时，在下吊点处设置与下吊点距离相对不变的靶标点，通过测量靶标点在 图像中的位置，再加上吊索长度，计算出吊索的倾角。如果靶标点能够保持平动，则靶标点 设置为一个单独的点即可，如果还存在转动，则靶标点需要设置为一组具有空间特征的多 点组合。无论是平视视觉测量还是俯视视觉测量都容易受到环境光的影响，容易出现不可 靠的情况，而且视觉测量的输出频率受到工业相机帧率和图像处理速度的影响，一般只有 25Hz左右。
[0006] iGPS测量法是直接测量上吊点空间坐标与下吊点空间坐标的方法，得到两个点的 空间坐标就可以直接计算出吊索的倾角。这两种方法的缺点是输出频率较低，成本高，iGPS 的输出频率一般只有20?50Hz。
[0007] 激光跟踪仪测量法也是直接测量上吊点空间坐标与下吊点空间坐标的方法，具有 速度快，精度高的特点，但每中激光跟踪仪只能测量一个点的坐标，一根吊索就需要两台激 光跟踪仪，在有多根吊索同时需要倾角测量的情况下，各激光跟踪仪之间容易出现干扰，且 成本难以控制。
[0008] 目前，存在有一种空间机械臂，该空间机械臂由多个臂杆通过转动关节连接而成， 在整臂总装完成后，按照要求进行地面展开及运动测试试验，以验证机械臂的运动功能是 否正常。为此，需要建立一套地面微重力试验辅助系统，抵消重力对机械臂关节的影响，具 体则采用多根吊索悬吊式方案。
[0009] 吊索悬吊式方案的核心环节是吊索的倾角控制，更进一步则是吊索倾角的测量。 机械臂吊索悬吊式微重力辅助系统对吊索倾角的测量方法具有以下主要要求：
[0010] 1)能够提供水平XY两个垂直方向的倾角，以便于直接控制XY向的跟踪运动；
[0011] 2)适应吊索的运动加速度（最大lOOmm/s2)，在机械臂运动过程中要求吊索仍能 保持坚直不受运动影响；
[0012] 3)可靠性高，不得受环境光线、温度变化的影响；
[0013] 4)稳定性好，长时间使用不出现漂移；
[0014] 5)输出频率不低于IOOHz ;
[0015] 6)各吊索倾角的测量过程之间互不影响。
[0016] 现有的吊索倾角测量法中，三轴加速度传感器测量法容易受到运动加速度的影 响，三轴陀螺仪测量法长时间使用会产生漂移，视觉测量法容易受到环境光线的影响，且输 出频率通常较低，iGPS测量法输出频率低，激光跟踪仪测量法不能同时测量多根吊索倾角， 均不满足要求。
【发明内容】
[0017] 本发明目的是提供一种基于编码器反馈的吊索倾角测量装置，该装置操作简单， 精度较高，满足空间机械臂地面微重力或低重力试验的要求。
[0018] 为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
[0019] 基于编码器反馈的吊索倾角测量装置，包括外壳、摆杆一、摆杆二、编码器一、编码 器二，外壳为长方体结构，长方体的顶部具有向外伸出的凸缘形成安装平面，用于与水平基 准面形成配合，保证整个外壳的姿态，长方体结构的四个侧面开设有与吊索平行的纵长开 口，纵长开口接近长方体结构底部的位置处设置有对应安装摆杆一和摆杆二的横向加强肋 条，相对侧面的加强肋条等高度设置，外壳侧面的横向加强肋条上设置有摆杆轴孔，相对侧 面上的摆杆轴孔分别形成两个轴线，两个轴线与外壳顶部的安装平面平行且互相垂直不交 叉，摆杆一和摆杆二分别为门字型框架，门字型框架的两侧部上对称设置转轴，顶部设置过 索孔，摆杆一和摆杆二"十字相交"于过索孔，且两摆杆的门字型分别呈倒立结构通过两端 的转轴安装在摆杆轴孔中，以供吊索穿过两摆杆的过索孔，编码器一和编码器二的外壳分 别对应设置在横向加强肋条的外部，两编码器的转轴分别与两摆杆的转轴安装固定在一 起，当摆杆一和摆杆二摆动时，编码器一和编码器二分别与相应的转轴同步转动，由编码器 一与编码器二的转角，计算出吊索在水平两个方向的倾角。
[0020] 其中，过索孔为一长孔，长度按照吊索的最大摆角进行设计，保证吊索倾斜过程 中，吊索不与过索孔的两个短边接触，宽度以恰好能让吊索通过为宜。
[0021] 其中，过索孔的内表面使用硬化耐磨处理。
[0022] 其中，吊索的截面形状是圆形或者方形。
[0023] 与现有技术相比，本发明可应用于空间站核心舱空间机械臂舱上展开运动测试， 该吊索倾角测量方法能够直接输出XY两个方向的倾角，不受吊索运动加速度的影响。本发 明具有稳定可靠，输出频率高的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是本发明的基于编码器反馈的吊索倾角测量装置的结构示意图；
[0025] 其中：1为被测吊索；2为外壳；3为摆杆一；4为编码器一；5为摆杆二；6为编码器 --〇
[0026] 图2是本发明的基于编码器反馈的吊索倾角测量装置中两摆杆的相交结构示意 图；
[0027] 其中，1为被测吊索；3为摆杆一；5为摆杆二。
[0028] 图3为本发明的基于编码器反馈的吊索倾角测量装置一实施方式的外壳结构示 意图；
[0029] 其中：21为安装平面，22为摆杆一的安装轴孔，23为摆杆二的安装轴孔。
[0030] 图4为本发明的基于编码器反馈的吊索倾角测量装置测量吊索倾角的原理图。
【具体实施方式】
[0031] 以下介绍的是作为本发明所述内容的【具体实施方式】，下面通过【具体实施方式】对本 发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列【具体实施方式】只为示例本发明的不同方 面的内容，而不应理解为限制本发明范围。
[0032] 参照图1，图1给出了本发明的基于编码器反馈的吊索倾角测量装置的结构示意 图。图2是本发明的基于编码器反馈的吊索倾角测量装置中两摆杆的相交结构示意图；其 中，本发明的基于编码器反馈的吊索倾角测量装置基于编码器反馈的吊索倾角测量装置， 包括外壳2、摆杆一 3、摆杆二5、编码器一 4、编码器二6,外壳2为长方体结构，长方体的顶 部具有向外伸出的凸缘形成安装平面21 (参见图2)，用于与水平基准面形成配合，保证整 个外壳的姿态，长方体结构的四个侧面开设有与被测吊索1平行的纵长开口，纵长开口接 近长方体结构底部的位置处设置有对应安装摆杆一 3和摆杆二5的横向加强肋条，相对侧 面的加强肋条等高度设置，外壳2的侧面上的横向加强肋条设置有摆杆轴孔22, 23 (参见图 2)，相对侧面上的摆杆轴孔22, 23分别形成两个轴线，两个轴线与外壳2顶部的安装平面21 平行且互相垂直不交叉，摆杆一 3和摆杆二5分别为门字型框架，门字型框架的两侧部上对 称设置转轴，顶部设置过索孔，摆杆一 3和摆杆二5 "十字相交"于过索孔（未标示），且两 摆杆的门字型分别呈倒立结构通过两端的转轴安装在摆杆轴孔22, 23中，以供被测吊索1 穿过两摆杆的过索孔，编码器一 4和编码器二6的外壳分别对应设置在横向加强肋条的外 部，两编码器的转轴分别与两摆杆的转轴安装固定在一起，当摆杆一 3和摆杆二5摆动时， 编码器一 4和编码器二6分别与相应的转轴同步转动，由编码器一 4与编码器二6的转角， 计算出被测吊索1在水平两个方向的倾角。
[0033] 优选地，两个方向的摆杆结构、尺寸完全相同，摆杆设置有转轴和过索孔；转轴安 装用于与外壳2的摆杆安装轴孔配合，形成转动副；过索孔为一长孔，长度按照吊索的最大 摆角进行设计，保证吊索倾斜过程中，吊索不与过索孔的两个短边接触，宽度以恰好能让吊 索通过为宜，过索孔内表面使用硬化耐磨处理，长期使用仍可保持尺寸精度。
[0034] 参见图3,图3显示了本发明的基于编码器反馈的吊索倾角测量装置一实施方式 的外壳结构示意图；其中，外壳2设置有安装平面21和摆杆安装轴孔22、23,安装平面21具 有一定的平面度，用于将整个装置固定于水平基准安装面上，以保证测量精度，摆杆安装轴 孔22、23分别用于安装摆杆一 3和摆杆二5,安装轴孔22、23均与安装平面21平行，且相互 垂直，外壳2的形状可以根据需要进行调整。
[0035] 图4是利用本发明的基于编码器反馈的吊索倾角测量装置测量吊索倾角的原理 图；本发明适用的吊索的截面形状可以是圆形或者方形，要求在工作过程中，吊索始终能与 过索孔的两个长边相接触。
[0036] 吊索倾角的计算原理如图4所示。吊索存在倾角a 1时，摆杆的偏转角度为a 2。 设摆杆长为1，摆轴到吊索上吊点的距离为Ii1，那么可以得到：
[0037] x=l* sin a 2
[0038] h2 = 1 ? cos a 2
[0039] 从而可以计算出：
[0040] ?i = tan^C X ) = tan-1( 1 )
[0041] 尽管上文对本发明的【具体实施方式】进行了详细的描述和说明，但应该指明的是， 我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权 利要求所记载的范围。
【权利要求】
1. 基于编码器反馈的吊索倾角测量装置，包括外壳、摆杆一、摆杆二、编码器一、编码 器二，外壳为长方体结构，长方体的顶部具有向外伸出的凸缘形成安装平面，用于与水平基 准面形成配合，保证整个外壳的姿态，长方体结构的四个侧面开设有与吊索平行的纵长开 口，纵长开口接近长方体结构底部的位置处设置有对应安装摆杆一和摆杆二的横向加强肋 条，相对侧面的加强肋条等高度设置，外壳侧面的横向加强肋条上设置有摆杆轴孔，相对侧 面上的摆杆轴孔分别形成两个轴线，两个轴线与外壳顶部的安装平面平行且互相垂直不交 叉，摆杆一和摆杆二分别为门字型框架，门字型框架的两侧部上对称设置转轴，顶部设置过 索孔，摆杆一和摆杆二"十字相交"于过索孔，且两摆杆的门字型分别呈倒立结构通过两端 的转轴安装在摆杆轴孔中，以供吊索穿过两摆杆的过索孔，编码器一和编码器二的外壳分 别对应设置在横向加强肋条的外部，两编码器的转轴分别与两摆杆的转轴安装固定在一 起，当摆杆一和摆杆二摆动时，编码器一和编码器二分别与相应的转轴同步转动，由编码器 一与编码器二的转角，计算出吊索在水平两个方向的倾角。
2. 如权利要求1所述的测量装置，其中，过索孔为一长孔，长度按照吊索的最大摆角进 行设计，保证吊索倾斜过程中，吊索不与过索孔的两个短边接触，宽度以恰好能让吊索通过 为宜。
3. 如权利要求1所述的测量装置，其中，过索孔的内表面使用硬化耐磨处理。
4. 如权利要求1所述的测量装置，其中，吊索的截面形状是圆形或者方形。
【文档编号】G01B21/22GK104374359SQ201410643977
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】孟凡伟, 易旺民, 马强, 高峰, 陈金明, 代海林, 刘孟周, 刘浩淼, 张立伟, 郎冠卿, 常冬林 申请人:北京卫星环境工程研究所