[發(fā)明專利]基于編碼器反饋的吊索傾角測(cè)量裝置及測(cè)量方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410643977.5
• 申請(qǐng)日: 2014-11-07
• 公開（公告）號(hào): CN104374359A
• 公開（公告）日: 2015-02-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孟凡偉;易旺民;馬強(qiáng);高峰;陳金明;代海林;劉孟周;劉浩淼;張立偉;郎冠卿;常冬林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所
• 主分類號(hào): G01B21/22
• 分類號(hào): G01B21/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航天器地面試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及使用吊索懸掛方式滿足航天器地面微重力環(huán)境試驗(yàn)中吊索傾角測(cè)量裝置，同時(shí)也涉及使用該裝置進(jìn)行吊索傾角測(cè)量的方法。

背景技術(shù)

國(guó)內(nèi)外吊索傾角檢測(cè)方法主要分為：三軸加速度傳感器測(cè)量法、三軸陀螺儀測(cè)量法、視覺測(cè)量法、iGPS測(cè)量法、激光跟蹤儀測(cè)量法等。

加速度傳感器測(cè)量法將三軸加速度傳感器與吊索安裝在一起，利用三軸加速度計(jì)測(cè)量得到的三個(gè)方向的加速度大小計(jì)算出重力方向相對(duì)于吊索方向的方向角，即傾角。該方法的不足在于容易受到吊索運(yùn)動(dòng)的影響，因?yàn)槿S加速度傳感器實(shí)際測(cè)量得到的是重力加速度與運(yùn)動(dòng)加速度的合加速度。因此，三軸加速度傳感器測(cè)量法多適用于靜態(tài)傾角的測(cè)量。

三軸陀螺儀測(cè)量法將三軸陀螺儀與吊索安裝在一起，陀螺儀可以測(cè)量到吊索的傾角加速度，通過兩次積分計(jì)算出傾角的變化量，最后再計(jì)入初始傾角，即可得到當(dāng)前的傾角數(shù)值。陀螺儀測(cè)量的是角加速度，不受線加速度的影響，因此測(cè)量精度要比加速度傳感器高。但是，陀螺儀測(cè)量?jī)A角是間接通過積分計(jì)算得到的，長(zhǎng)時(shí)間使用容易出現(xiàn)漂移，導(dǎo)致該方法不適用于長(zhǎng)時(shí)間的吊索傾角測(cè)量。

視覺測(cè)量法分為兩種：平視視覺測(cè)量和俯視視覺測(cè)量。平視視覺測(cè)量是在吊索的側(cè)面設(shè)置固定相機(jī)，通過圖像處理得到吊索在圖像中的傾角，如果需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)垂直方向的話，則需要兩臺(tái)相機(jī)同時(shí)工作；俯視視覺測(cè)量是在吊索的頂部設(shè)置與吊索上吊點(diǎn)位置相對(duì)不變的相機(jī)，同時(shí)，在下吊點(diǎn)處設(shè)置與下吊點(diǎn)距離相對(duì)不變的靶標(biāo)點(diǎn)，通過測(cè)量靶標(biāo)點(diǎn)在圖像中的位置，再加上吊索長(zhǎng)度，計(jì)算出吊索的傾角。如果靶標(biāo)點(diǎn)能夠保持平動(dòng)，則靶標(biāo)點(diǎn)設(shè)置為一個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)即可，如果還存在轉(zhuǎn)動(dòng)，則靶標(biāo)點(diǎn)需要設(shè)置為一組具有空間特征的多點(diǎn)組合。無論是平視視覺測(cè)量還是俯視視覺測(cè)量都容易受到環(huán)境光的影響，容易出現(xiàn)不可靠的情況，而且視覺測(cè)量的輸出頻率受到工業(yè)相機(jī)幀率和圖像處理速度的影響，一般只有25Hz左右。

iGPS測(cè)量法是直接測(cè)量上吊點(diǎn)空間坐標(biāo)與下吊點(diǎn)空間坐標(biāo)的方法，得到兩個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)就可以直接計(jì)算出吊索的傾角。這兩種方法的缺點(diǎn)是輸出頻率較低，成本高，iGPS的輸出頻率一般只有20～50Hz。

激光跟蹤儀測(cè)量法也是直接測(cè)量上吊點(diǎn)空間坐標(biāo)與下吊點(diǎn)空間坐標(biāo)的方法，具有速度快，精度高的特點(diǎn)，但每中激光跟蹤儀只能測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，一根吊索就需要兩臺(tái)激光跟蹤儀，在有多根吊索同時(shí)需要傾角測(cè)量的情況下，各激光跟蹤儀之間容易出現(xiàn)干擾，且成本難以控制。

目前，存在有一種空間機(jī)械臂，該空間機(jī)械臂由多個(gè)臂桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接而成，在整臂總裝完成后，按照要求進(jìn)行地面展開及運(yùn)動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，以驗(yàn)證機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)功能是否正常。為此，需要建立一套地面微重力試驗(yàn)輔助系統(tǒng)，抵消重力對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的影響，具體則采用多根吊索懸吊式方案。

吊索懸吊式方案的核心環(huán)節(jié)是吊索的傾角控制，更進(jìn)一步則是吊索傾角的測(cè)量。機(jī)械臂吊索懸吊式微重力輔助系統(tǒng)對(duì)吊索傾角的測(cè)量方法具有以下主要要求：

1)能夠提供水平XY兩個(gè)垂直方向的傾角，以便于直接控制XY向的跟蹤運(yùn)動(dòng)；

2)適應(yīng)吊索的運(yùn)動(dòng)加速度(最大100mm/s²)，在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中要求吊索仍能保持豎直不受運(yùn)動(dòng)影響；

3)可靠性高，不得受環(huán)境光線、溫度變化的影響；

4)穩(wěn)定性好，長(zhǎng)時(shí)間使用不出現(xiàn)漂移；

5)輸出頻率不低于100Hz；

6)各吊索傾角的測(cè)量過程之間互不影響。

現(xiàn)有的吊索傾角測(cè)量法中，三軸加速度傳感器測(cè)量法容易受到運(yùn)動(dòng)加速度的影響，三軸陀螺儀測(cè)量法長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)產(chǎn)生漂移，視覺測(cè)量法容易受到環(huán)境光線的影響，且輸出頻率通常較低，iGPS測(cè)量法輸出頻率低，激光跟蹤儀測(cè)量法不能同時(shí)測(cè)量多根吊索傾角，均不滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是提供一種基于編碼器反饋的吊索傾角測(cè)量裝置，該裝置操作簡(jiǎn)單，精度較高，滿足空間機(jī)械臂地面微重力或低重力試驗(yàn)的要求。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：