一種柔性噴管五自由度運動參數的測量裝置和方法
2023-10-09 20:35:14
專利名稱：一種柔性噴管五自由度運動參數的測量裝置和方法
技術領域：
本發明屬於火箭柔性噴管的控制監測技術領域，具體涉及一種柔性噴管五自由度運動參數的測量裝置和方法。
背景技術：
在火箭發射過程中，柔性噴管的控制對火箭發射軌跡起到了至關重要的作用，其自身的微小轉動決定了火箭運行方向。因此，在火箭發射前的調試期間，需要對其柔性噴管的控制進行嚴格和精密的測量，即需要對作動杆施加作用力後柔性噴管沿各軸的轉動角度及擺心的位移量進行測量。在目前的火箭柔性噴管測量中，所採用的方法均為接觸式測量，即在噴管上安裝諸如加速度計、陀螺儀、位移、壓力等傳感器。由於是接觸式測量，不僅會影響噴管自身狀態，而且各種數據線、電纜線也極大的降低了測量的靈活性。在現有公開的專利文獻中，僅有1993年2月M日公開的申請號是92214536. 9的中國專利對火箭柔性噴管的非接觸測量進行過研究，該系統採用了六路CCD相機結合安裝於噴管上的目標板的方式進行測量， 通過計算獲得噴管六個自由度的變化值。這種測量方式的不足之處在於需要在噴管上安裝目標板，有可能改變噴管結構受力狀態；另外，這種測量系統其CCD相機和目標板距離較近，很難在火箭調試期間進行測量。因此，該種方法並沒有在實際測量中得到應用。
發明內容
本發明的目的是提供一種柔性噴管五自由度運動參數的測量裝置和方法，其能夠實現火箭柔性噴管的非接觸測量且不破壞噴管的結構特性，同時能夠保證在噴管調試過程中測量數據的準確性、可靠性及實時性，而且還能夠滿足設備簡單、易操作、抗幹擾能力強的要求。為了實現上述目的，本發明所採取的技術方案如下一種柔性噴管五自由度運動參數的測量裝置，包括處理電路、面陣(XD、光學鏡頭、 編碼器和水平軸，處理電路、面陣CCD、光學鏡頭、編碼器四個部分作為一個整體安裝於水平軸上，柔性噴管的目標點通過光學鏡頭成像在面陣CCD上，處理電路將採集到的圖像數據和編碼器測得的角度數據存儲並計算，獲得柔性噴管五自由度運動參數。基於上述柔性噴管五自由度運動參數測量裝置的測量方法，該方法包括如下步驟步驟一、準備兩套測量裝置和六個目標點，所述六個目標點均為具有十字刻線的黑白標識，並分別貼在柔性噴管管壁同軸的兩個圓周上；步驟二、將步驟一所述的兩套測量裝置調水平，並通過兩套測量裝置各自的水平軸旋轉至步驟一所述目標點可以成像的位置並固定；步驟三、通過步驟二所述兩套測量裝置各自的光學鏡頭對步驟一所述六個目標點成像，獲得步驟二所述兩套測量裝置中面陣C⑶上的像面位置；
步驟四、由步驟二所述兩套測量裝置中的處理電路通過步驟三獲得的像面位置和步驟二所述兩套測量裝置中的編碼器測得的角度值，計算出六個目標點的空間角度關係， 再結合基線的長度值，根據交會測量原理推算出六個目標點的空間三維坐標；步驟五、利用步驟四所獲得的六個目標點的坐標，採用擬合的方法計算出步驟一所述兩個圓周的各自圓心坐標，從而計算出步驟一所述柔性噴管軸線的方位角和俯仰角， 以及擺心的三維坐標，進而完成柔性噴管五自由度運動參數的測量。本發明的有益效果是該方法採用光學非接觸式測量，無須改變噴管結構，不會引起噴管載荷變化；同時，由於採用雙面陣CCD成像結合交會測量原理，可以進行遠距離的實時測量，全程記錄噴管五自由度的變化，具有精確、便捷、快速的優點，非常適合於火箭發動機噴管擺動的精確測量。
圖1是本發明柔性噴管五自由度運動參數測量方法的原理圖。圖2是本發明柔性噴管五自由度運動參數測量裝置的結構框圖。圖3是本發明中的目標點坐標測量原理圖。圖4是本發明中的交會角測量原理圖。圖5是本發明中的俯仰角測量原理圖。圖6是本發明中的擺心位置坐標及噴管俯仰角、方位角測量原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述。如圖2所示，本發明柔性噴管五自由度運動參數的測量裝置包括處理電路6、面陣CXD 7、光學鏡頭8、編碼器9和水平軸10，處理電路6、面陣(XD7、光學鏡頭8、編碼器9 四個部分作為一個整體安裝於水平軸10上，水平軸10可以在水平面內360°旋轉，實現方位的對準。柔性噴管的目標點通過光學鏡頭8成像在面陣CXD 7上，處理電路6將採集到的圖像數據和編碼器9測得的角度數據存儲並計算，獲得柔性噴管五自由度運動參數。如圖1所示，基於上述柔性噴管五自由度運動參數測量裝置的測量方法，該方法包括如下步驟步驟一、準備兩套測量裝置1和六個目標點2，所述六個目標點2均為具有十字刻線的黑白標識，並分別貼在柔性噴管3管壁同軸的兩個圓周上，用以指示噴管3位置；步驟二、將步驟一所述的兩套測量裝置1調水平，並通過兩套測量裝置1各自的水平軸10旋轉至步驟一所述目標點2可以成像的位置並固定；步驟三、通過步驟二所述兩套測量裝置1各自的光學鏡頭8對步驟一所述六個目標點2成像，獲得步驟二所述兩套測量裝置1中面陣CXD 7上的像面位置；步驟四、由步驟二所述兩套測量裝置1中的處理電路6通過步驟三獲得的像面位置和步驟二所述兩套測量裝置1中的編碼器9測得的角度值，計算出六個目標點2的空間角度關係，再結合基線4的長度值，根據交會測量原理推算出六個目標點2的空間三維坐標；步驟五、利用步驟四所獲得的六個目標點2的坐標，採用擬合的方法計算出步驟一所述兩個圓周的各自圓心坐標，從而計算出步驟一所述柔性噴管3軸線的方位角和俯仰角，以及擺心5的三維坐標，進而完成柔性噴管3五自由度運動參數的測量。上述測量方法的具體實施過程如下一、目標點空間三維坐標的測量首先，建立坐標系，以水平面為OXY平面，以左側測量裝置1的光節點0為圓心，右側測量裝置1的節點位於Y軸上，通過測量數據獲取目標點2的空間三維坐標。如圖3所示，目標點Atl在OXY平面的投影為A' ^，其中θ 」 θ 2為方位交會角，αι為俯仰交會角，通過測量可以獲得交會角92和Ci1，通過標定可以獲得基線4的長度為H，根據三角形關係計算可得
權利要求
1.一種柔性噴管五自由度運動參數的測量裝置，其特徵在於，該裝置包括處理電路 (6)、面陣CCD(7)、光學鏡頭(8)、編碼器(9)和水平軸(10)，處理電路(6)、面陣CCD(7)、光學鏡頭(8)、編碼器(9)四個部分作為一個整體安裝於水平軸(10)上，柔性噴管的目標點通過光學鏡頭(8)成像在面陣CCD(7)上，處理電路(6)將採集到的圖像數據和編碼器(9)測得的角度數據存儲並計算，獲得柔性噴管五自由度運動參數。
2.基於權利要求1所述柔性噴管五自由度運動參數測量裝置的測量方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟步驟一、準備兩套測量裝置(1)和六個目標點O)，所述六個目標點( 均為具有十字刻線的黑白標識，並分別貼在柔性噴管⑶管壁同軸的兩個圓周上；步驟二、將步驟一所述的兩套測量裝置⑴調水平，並通過兩套測量裝置⑴各自的水平軸(10)旋轉至步驟一所述目標點( 可以成像的位置並固定；步驟三、通過步驟二所述兩套測量裝置(1)各自的光學鏡頭(8)對步驟一所述六個目標點( 成像，獲得步驟二所述兩套測量裝置(1)中面陣CCD(7)上的像面位置；步驟四、由步驟二所述兩套測量裝置(1)中的處理電路(6)通過步驟三獲得的像面位置和步驟二所述兩套測量裝置(1)中的編碼器(9)測得的角度值，計算出六個目標點(2) 的空間角度關係，再結合基線(4)的長度值，根據交會測量原理推算出六個目標點(2)的空間三維坐標；步驟五、利用步驟四所獲得的六個目標點O)的坐標，採用擬合的方法計算出步驟一所述兩個圓周的各自圓心坐標，從而計算出步驟一所述柔性噴管C3)軸線的方位角和俯仰角，以及擺心(5)的三維坐標，進而完成柔性噴管C3)五自由度運動參數的測量。
全文摘要
柔性噴管五自由度運動參數的測量裝置和方法屬於火箭柔性噴管的控制監測領域，該方法採用的設備主要由兩套測量裝置和六個目標點構成，六個目標點分別貼在噴管壁同軸的兩個圓周上。首先利用兩套測量裝置分別對六個目標點成像，然後根據像面位置關係，結合測量裝置內部編碼器角度值算出目標點空間角度關係，然後結合基線長度值，根據交會測量原理推算出六個目標點的空間三維坐標；利用六個坐標採用擬合的方法算出兩個圓周各自圓心坐標，從而計算出噴管的方位角和俯仰角及擺心的三維坐標，進而完成柔性噴管五自由度運動參數的測量。本發明由於採用面陣CCD成像，可以進行遠距離實時測量，全程記錄噴管五自由度的變化，具有精確、便捷、快速的優點。
文檔編號G01B11/26GK102155918SQ201110075689
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月28日 優先權日2011年3月28日
發明者劉暢, 劉紹錦, 李冬寧, 李建榮, 沈鋮武, 王志乾, 耿天文, 趙雁 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所