一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法

本发明涉及空间舱段相对位姿高精度测量技术领域，特别涉及一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法。

背景技术：

随着航天器总装的复杂性越来越高，其对功能和性能指标的要求不断提高，先进制造技术在复杂航天器装配中的作用越来越重要。航天器舱段对接是总装过程中的重要环节也是重要风险点，因此如何准确对接航天器对接舱成为本领域的研究重点。传统的航天器对接舱对接方法主要采用人工调姿对接，但是传统的人工调姿对接工艺还存在无法精确测量大舱段的位姿、无法精确计算大舱段位姿调整量，以及大舱段位移调整量无法实现量化、操作同步性差、舱段姿态不能量化检测、装备集成化程度低等缺点，从而在很大程度上影响对接装配的精度和质量，因此无法获取准确的舱段间的位置关系和姿态是准确舱段对接的主要难题。

目前使用粘贴靶标球的方法测量舱段间相对位置关系，即在舱段对接面上粘贴靶标球，然后使用激光跟踪仪对靶标球的位置进行测量，从而获得舱段的位置和姿态；但是采用激光跟踪仪等进行测量需要对激光测距仪的位置进行精确定位，而舱段在对接时舱段上的设备可能会对激光跟踪仪产生遮挡，因此这种测量方法会导致舱段对接面的位置精度较低；同时在对接前，需要对靶标球进行粘贴，对接后需要对靶标球进行拆除，因此测量舱段相对位置关系的操作比较复杂，所以目前获取舱段间的相对位置关系还存在操作较复杂、舱段对接面的位置精度较低从而导致舱段装配对接的效率低的问题。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决目前航天器对接舱在对接前获取舱段相对位置关系的操作复杂，舱段对接面的位置精度较低从而导致舱段装配对接的效率低的问题，而提出一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法。

一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法，是基于测量关节臂实现的，所述测量关节臂用于输出测量点的空间三自由度坐标，所述方法具体过程为：

步骤一、利用测量关节臂获取舱段对接面所在平面在空间中的位置；

步骤二、利用测量关节臂获取移动舱段对接面上销钉轴线与移动舱段对接面交点的位置坐标；

步骤三、利用测量关节臂获取固定舱段对接面上销孔轴线与固定舱段对接面交点的位置坐标；

步骤四、通过获取的销钉和销孔轴线与舱段对接面交点位置以及对接面所在平面位置分别获取移动舱段对接面和固定舱对接面相对于测量关节臂坐标系的关系；

步骤五、根据移动舱段对接面和固定舱对接面相对于测量关节臂坐标系的关系获取移动舱段和固定舱段之间的相对位置和姿态。

本发明的有益效果为：

本发明利用测量关节臂在舱段对接面上点的精确测量，转换成舱段对接面的坐标系信息，建立舱段对接面相对于测量关机臂的空间相对位置关系，以提高舱段对接面的位置定位精度；由于最后输出的是固定舱段对接面相对于移动舱段对接面的相对位置关系，测量关节臂的坐标系只起中间值的作用，所以无需固定测量关节臂的位置，简化了测量的复杂操作，使测量更简便。本发明使用测量关节臂测量舱段的相对位置关系，无需在舱段上粘贴靶标、二维码等其他物体，不改变舱段的外观、气动等属性，无需对舱段进行特殊处理，提升了舱段装配对接的效率。

附图说明

图1为测量关节臂测量原理示意图；

图2为当航天器舱段对接装配时，固定舱段对接面和移动舱段对接面坐标系的原理示意图；

图3为移动舱段对接面示意图；

图4为移动舱段对接面上销钉的示意图；

图5为固定舱段对接面示意图；

图6为固定舱段对接面上销孔的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1到图6说明本实施方式，本实施方法应用于航天器舱段对接装配相对位姿测量方法，所述方法基于测量关节臂实现，测量关节臂的测量精度在几十微米级，所述测量关节臂输出测量点的空间三自由度坐标(图1)。一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法具体过程为：

步骤一、利用测量关节臂获取舱段对接面所在平面在空间中的位置，包括以下步骤：

步骤一一、获取测量关节臂基座的坐标系o0-x0y0z0并建立舱段对接面的坐标系oi-xiyizi：

以舱段对接面的圆心点oi为坐标原点，以沿舱段轴向称为xi轴，水平面内沿舱段径向且垂直xi轴称为yi轴，垂直oi-xiyi平面且沿舱段径向称为zi轴；由此建立舱段对接面的坐标系oi-xiyizi；当i＝1时，表示移动舱段，移动舱段上加工有两个销钉，当i＝2时，表示固定舱段，固定舱段上加工有两个销孔；以测量关节臂基座的坐标系为o0-x0y0z0；

所述待装配舱段根据是否运动定义为固定舱段和移动舱段，移动舱段上加工有两个销钉，固定舱段的对应位置加工有销孔，两个舱段通过销钉/销孔配合定位和端面对齐实现对接装配(图2)；

步骤一二、利用测量关节臂获取舱段对接面上任意三个点pi1，pi2，pi3在测量关节臂坐标系下的坐标，分别为pi1(xi1,yi1,zi1)，pi2(xi2,yi2,zi2)，pi3(xi3,yi3,zi3)；

步骤一三、根据pi1，pi2，pi3三个点的坐标，获得舱段对接面所在平面在空间中的位置如下：

aix+biy+ciz-1＝0

其中

步骤二、利用测量关节臂获取移动舱段对接面上销钉轴线与移动舱段对接面交点的位置坐标，包括以下步骤：(图3、图4)

步骤二一：利用测量关节臂确定移动舱段对接面的一个销钉上任意三个不共线的点p14，p15，p16在测量关节臂坐标系下的坐标，分别为p14(x14,y14,z14)，p15(x15,y15,z15)，p16(x16,y16,z16)；

步骤二二、获取p14(x14,y14,z14)，p15(x15,y15,z15)，p16(x16,y16,z16)分别投影到移动舱段对接面的点p14′(x14′,y14′,z14′)，p15′(x15′,y15′,z15′)，p16′(x16′,y16′,z16′)的坐标，包括以下步骤：

步骤2.2.1、获取销钉上的点p1(x1,y1,z1)和p1(x1,y1,z1)投影到移动舱段对接面的点p1′(x1′,y1′,z1′)之间的关系式为：

则

步骤2.2.2、获取p1(x1,y1,z1)投影到移动舱段对接面的点p1′坐标

由于p1′在移动舱段对接面上，则a1x1′+b1y1′+c1z1′-1＝0，得到可得到投影点p1′坐标为：

步骤2.2.3、将p14，p15，p16代入p1′，即可获得在移动舱段对接面上的投影点p14′(x14′,y14′,z14′)，p15′(x15′,y15′,z15′)，p16′(x16′,y16′,z16′)；

步骤二三、利用步骤二二获取p14′、p15′、p16′的坐标分别获得p14′、p15′、p16′三点到销钉轴线与移动舱段对接面交点p01(x01,y01,z01)的距离即销钉半径为：

步骤二四、根据步骤二三获得的公式获取p01(x01,y01,z01)的位置为：

步骤二五、在移动舱段对接面上另一个销钉选取任意三个不共点p17，p18，p19，根据步骤二一至二四的方法获取移动舱段对接面上另一个销钉轴线与移动舱段对接面交点在空间中的位置p02(x02,y02,z02)。

步骤三、利用测量关节臂获取固定舱段对接面上销孔轴线与固定舱段对接面交点的位置坐标(图5、图6)，包括以下步骤：

步骤三一、利用测量关节臂确定固定舱段对接面的一个销孔上任意三个不共线的点p24，p25，p26在测量关节臂坐标系下的坐标，分别为p24(x24,y24,z24)，p25(x25,y25,z25)，p26(x26,y26,z26)；

步骤三二、获取p24(x24,y24,z24)，p25(x25,y25,z25)，p26(x26,y26,z26)分别投影到固定舱对接面上的点p24′(x24′,y24′,z24′)，p25′(x25′,y25′,z25′)，p26′(x26′,y26′,z26′)的坐标，包括以下步骤：

步骤3.2.1、获取销孔上的点p2(x2,y2,z2)和p2(x2,y2,z2)投影到固定舱段对接面的点为p2′(x2′,y2′,z2′)之间的关系式为：

则，

步骤3.2.2、获取p2(x2,y2,z2)投影到固定舱段对接面的点p2′坐标：

由于p2′在固定舱段对接面上，则a2x2′+b2y2′+c2z2′-1＝0，得到可得到投影点p2′坐标为

步骤3.2.3、将p24，p25，p26代入p2′获得固定舱段对接面上的投影点p24′(x24′,y24′,z24′)，p25′(x25′,y25′,z25′)，p26′(x26′,y26′,z26′)；

步骤三三、利用步骤三二获得的p24′、p25′、p26′的坐标分别获得p24′、p25′、p26′三点到销孔轴线与固定舱段对接面交点p03(x03,y03,z03)的距离即销孔半径为：

步骤三四、利用步骤三三获得的公式获取p03(x03,y03,z03)的位置为：

步骤三五、在固定舱对接面上另一个销孔选取任意三个不共点p27，p28，p29，根据步骤三一至三四的方法获取固定舱段对接面上另一个销孔轴线与固定舱段对接面交点在空间中的位置p04(x04,y04,z04)。

步骤四、通过获取的销钉和销孔轴线与舱段对接面交点位置以及对接面所在平面位置分别获取移动舱段对接面和固定舱对接面相对于测量关节臂坐标系的关系，包括以下步骤：

步骤四一、确定移动舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的关系，包括以下步骤：

步骤四一一、根据步骤二获取的两个销钉轴线与移动舱段对接面交点在空间中的坐标，得到两个销钉轴线与移动舱段对接面交点p01、p02在测量关节臂坐标系下形成的矢量p01p020＝(x02-x01,y02-y01,z02-z01)′，移动舱段对接面法向向量o1po10＝(a1,b1,c1)′，两个销钉轴线与移动舱段对接面交点p01、p02在移动舱段对接面关节臂坐标系下形成的矢量p01p021＝(0,-d1,0)′，移动舱段对接面法向向量在移动舱段对接面关节臂坐标系下的矢量表示

其中，d1为两个销钉之间的距离。

步骤四一二、获取移动舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的关系：

其中，是移动舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的平移矩阵，是移动舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的旋转矩阵，是中间变量；

令

则，

其中，

步骤四二、确定固定舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的关系，包括以下步骤：

步骤四二一、根据三获取的两个销孔轴线与固定舱段对接面交点在空间中的坐标得到两个销孔轴线与固定舱段对接面交点p03、p04在测量关节臂坐标系下形成的矢量以及固定舱段对接面法向向量在测量关节臂坐标系下的矢量表示两个销孔轴线与固定舱段对接面交点p03、p04在固定舱段对接面关节臂坐标系下形成的矢量为固定舱段对接面法向向量

步骤四二二、获取固定舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的关系：

其中，为固定舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的平移矩阵，为固定舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的旋转矩阵，，为中间变量；

令

则

其中，

步骤五、通过移动舱段和固定舱段相对于关节臂的位置和姿态获取移动舱段和固定舱段之间的相对位置和姿态，包括以下步骤：

其中，为的逆矩阵；

根据已知的和以及和得到固定舱段对接面坐标系相对于移动舱段对接面坐标系的关系，由此求得了固定舱段对接面相对于移动舱段对接面空间六自由度位置。

以上实施示例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。