一種基于卡爾曼濾波對(duì)二次平臺(tái)線陣ccd測量傾角進(jìn)行優(yōu)化的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于卡爾曼濾波對(duì)二次平臺(tái)線陣CCD測量傾角進(jìn)行優(yōu)化的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代航天探索中，經(jīng)常需要高平面度的基部平臺(tái)，比如在空間交匯對(duì)接、地面測 量、導(dǎo)航、網(wǎng)絡(luò)通信和編隊(duì)控制等全物理仿真試驗(yàn)中，需要支撐整個(gè)地面仿真器，為地面仿 真實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)平臺(tái)，為編隊(duì)衛(wèi)星地面試驗(yàn)驗(yàn)證、控制算法驗(yàn)證分析等物理仿真試驗(yàn)提供 平臺(tái)支撐。考慮到大面積實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通常都是由若干小平面板塊拼接而成，這種方法雖然易 于加工、運(yùn)輸，但很難保證多塊平板之間的平面度，拼接產(chǎn)生的縫隙會(huì)影響氣足運(yùn)行的平穩(wěn) 性，從而使仿真結(jié)果產(chǎn)生偏差，不能真實(shí)模擬航天器在真空和微重力模擬環(huán)境下的運(yùn)行狀 態(tài)。負(fù)載移動(dòng)、氣足氣膜高度變化、地面平整度等因素，平臺(tái)的水平傾角會(huì)實(shí)時(shí)變化，因此需 要平臺(tái)在靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都能夠被快速、精確的調(diào)平，以保證平臺(tái)足夠的水平度。
[0003] 二次平臺(tái)和六自由度氣浮臺(tái)軌道器及六自由度氣浮臺(tái)上升器共同構(gòu)成交會(huì)對(duì)接 仿真試驗(yàn)的核心部分。其中，以氣浮球軸承和重力平衡伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為核心組成的六自由 度氣浮臺(tái)軌道器用來模擬軌道器動(dòng)力學(xué)仿真狀態(tài)；二次平臺(tái)用來支撐六自由度氣浮臺(tái)軌道 器，實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)調(diào)平；與六自由度上升器配合，實(shí)現(xiàn)完整的交會(huì)對(duì)接動(dòng)力學(xué)與控制全物 理仿真試驗(yàn)。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在大型花崗巖平臺(tái)上，是地面全物理仿真試驗(yàn)的核心和基礎(chǔ)平 臺(tái)；也為未來的編隊(duì)衛(wèi)星地面試驗(yàn)驗(yàn)證、控制算法驗(yàn)證分析等物理仿真試驗(yàn)提供平臺(tái)支撐。 傾角測量是整個(gè)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的一部分，主要實(shí)現(xiàn)激光掃描平面傾角測量。
[0004] 原方法是利用線陣CCD在掃過不同的三個(gè)線陣CCD時(shí)分別求出的目標(biāo)在空間中的 Z向坐標(biāo)，再加上我們之前安裝好已經(jīng)知道的線陣CXD所在的空間的X，Y坐標(biāo)，這樣的話就 知道了激光器所掃過的扇面在空間中的三個(gè)點(diǎn)，在空間中一直三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)可以確定三個(gè) 點(diǎn)所在平面的法向量，由此我們可以知到此時(shí)激光所在扇面的法向量，由于激光器是安裝 在二次平臺(tái)上以一個(gè)自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，由此我們便求出了二次平臺(tái)此時(shí)的水平度，但是問題在 于，當(dāng)選取的CCD相隔較遠(yuǎn)時(shí)，事實(shí)上也應(yīng)該去相隔較遠(yuǎn)的三個(gè)線陣CCD來進(jìn)行水平度的計(jì) 算，在這時(shí)，其實(shí)這三個(gè)點(diǎn)并不是同時(shí)被掃到的，而是他們之間有一定的時(shí)間間隔，這個(gè)時(shí) 間間隔與飛輪電機(jī)的角速度和線陣CCD所在的位置有關(guān)，設(shè)這個(gè)間隔為T。，事實(shí)上按照之前 的計(jì)算方法，我們第一時(shí)刻所得到的平面其實(shí)更趨近于T。之前時(shí)刻的平面，因?yàn)樵谶x取上 這三個(gè)點(diǎn)其實(shí)是第一時(shí)刻面，T。時(shí)刻面，和兩倍的T。時(shí)刻之前的面，雖然在實(shí)際系統(tǒng)中飛輪 電機(jī)轉(zhuǎn)速很快，使得T。很小，可以讓這部分誤差也隨之變小，綜上所述現(xiàn)有技術(shù)單純采用線 陣CCD對(duì)平臺(tái)傾角進(jìn)行測量時(shí)，測量結(jié)果精度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有單純采用線陣CCD對(duì)平臺(tái)傾角進(jìn)行測量時(shí)，測量結(jié) 果精度低的問題，而提出了一種基于卡爾曼濾波對(duì)二次平臺(tái)線陣CCD測量傾角進(jìn)行優(yōu)化的 系統(tǒng)及方法。
[0006] 上述的發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 步驟一、高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)半導(dǎo)體激光器旋轉(zhuǎn)，掃描以高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)為中心，直徑 為1~5米范圍內(nèi)的線陣(XD，在線陣C⑶感光器件上留下不同高度的光點(diǎn)，通過線陣C⑶確 定線陣CCD感光器件上光點(diǎn)的成像中心坐標(biāo)，得到線陣CCD感光器件上光點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)；
[0008] 其中，所述高速為大于等于l〇〇〇〇r/min ;
[0009] 步驟二、選取相鄰的3個(gè)線陣C⑶感光器件上光點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)記為線陣C⑶上3 個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，即AU1, Z1)，B(x2, y2, z2)，C(x3, y3, z3)，X# A點(diǎn)在X軸上的坐標(biāo)，y i 為A點(diǎn)在y軸上的坐標(biāo)，Z1S A點(diǎn)在z軸上的坐標(biāo)，X 2為B點(diǎn)在X軸上的坐標(biāo)，y 2為B點(diǎn)在 y軸上的坐標(biāo)，Z2S B點(diǎn)在z軸上的坐標(biāo)，X 3為C點(diǎn)在X軸上的坐標(biāo)，y 3為C點(diǎn)在y軸上的 坐標(biāo)，23為C點(diǎn)在z軸上的坐標(biāo)；
[0010] 以 A(x!，y!，Z1)，B(x2, y2, z2)，C(x3, y3, Z3)三點(diǎn)確定一個(gè)平面記為平面 ABC，根據(jù) 三點(diǎn)坐標(biāo)可求得平面ABC的法線方向矢量（a，b，c),進(jìn)而可求得該平面與水平面的夾角Θ ; [0011] 步驟三、采用卡爾曼濾波對(duì)夾角Θ進(jìn)行遞推校正，得出t時(shí)刻的實(shí)際傾角 Θ (t I t) O
[0012] 發(fā)明效果
[0013] 采用本發(fā)明的一種基于卡爾曼濾波對(duì)二次平臺(tái)線陣CCD測量傾角進(jìn)行優(yōu)化的系 統(tǒng)及方法，本方法可以應(yīng)用于二次平臺(tái)系統(tǒng)中對(duì)平臺(tái)的調(diào)整，保證了氣浮臺(tái)在大平臺(tái)處于 動(dòng)態(tài)工作時(shí)也能達(dá)到微米級(jí)別的精度，對(duì)直接應(yīng)用線陣CCD數(shù)據(jù)解算平臺(tái)傾角的方案進(jìn)行 了優(yōu)化，使六自由度氣浮臺(tái)軌道器實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)調(diào)平，實(shí)現(xiàn)完整的交會(huì)對(duì)接動(dòng)力學(xué)與控 制全物理仿真試驗(yàn)，測量結(jié)果精度提高了 25%。
【附圖說明】
[0014] 圖1二次平臺(tái)線陣C⑶的傾角測量系統(tǒng)示意圖；
[0015] 圖2測量二次平臺(tái)傾角原理示意圖；
[0016] 圖3求解光點(diǎn)構(gòu)成平面的傾角示意圖；
[0017] 圖4卡爾曼濾波的在本系統(tǒng)模型的框圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0018] 一：結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，一種基于卡爾曼濾波對(duì)二次平臺(tái)線 陣CCD測量傾角進(jìn)行優(yōu)化的方法，其特征在于，一種基于卡爾曼濾波對(duì)二次平臺(tái)線陣CCD測 量傾角進(jìn)行優(yōu)化的方法具體是按照以下步驟進(jìn)行的：
[0019] 所述基于卡爾曼濾波對(duì)二次平臺(tái)線陣CCD測量傾角進(jìn)行優(yōu)化的系統(tǒng)由二次平臺(tái) (1)、大平臺(tái)（2)、半導(dǎo)體激光器（3)、高速旋轉(zhuǎn)軸電機(jī)（4)、線陣CCD (5)、工控機(jī)（6)組成；半 導(dǎo)體激光器（3)固定在高速旋轉(zhuǎn)軸電機(jī)（4)上，置于二次平臺(tái)上表面，將線陣CCD(5)設(shè)置 在整個(gè)大平臺(tái)四周，設(shè)置線陣CCD(5)的感光面法線的交點(diǎn)在底部大平臺(tái)中心；二次平臺(tái)可 在整個(gè)底部大平臺(tái)安全范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，線陣CCD信號(hào)經(jīng)工控機(jī)處理得到二次平臺(tái)傾角；
[0020] 步驟一、高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)半導(dǎo)體激光器旋轉(zhuǎn)，掃描以高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)為中心，直徑 為1~5米范圍內(nèi)的線陣(XD，在線陣C⑶感光器件上留下不同高度的光點(diǎn)，通過線陣C⑶確 定線陣CCD感光器件上光點(diǎn)的成像中心坐標(biāo)，得到線陣CCD感光器件上光點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)；
[0021] 其中，所述高速為大于等于l〇〇〇〇r/min ;
[0022] 步驟二、選取相鄰的3個(gè)線陣C⑶感光器件上光點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)記為線陣C⑶上3 個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，即AU1, Z1)，B(x2, y2, z2)，C(x3, y3, z3)，X# A點(diǎn)在X軸上的坐標(biāo)，y i 為A點(diǎn)在y軸上的坐標(biāo)，Z1S A點(diǎn)在z軸上的坐標(biāo)，X 2為B點(diǎn)在X軸上的坐標(biāo)，y 2為B點(diǎn)在 y軸上的坐標(biāo)，Z2S B點(diǎn)在z軸上的坐標(biāo)，X 3為C點(diǎn)在X軸上的坐標(biāo)，y 3為C點(diǎn)在y軸上的 坐標(biāo)，23為C點(diǎn)在z軸上的坐標(biāo)；
[0023] 以 A(x!，y!，Z1)，B(x2, y2, z2)，C(x3, y3, Z3)三點(diǎn)確定一個(gè)平面記為平面 ABC，根據(jù) 三點(diǎn)坐標(biāo)可求得平面ABC的法線方向矢量（a，b，c),進(jìn)而可求得該平面與水平面的夾角Θ ;
[0024] 步驟三、采用卡爾曼濾波對(duì)夾角Θ進(jìn)行遞推校正，得出t時(shí)刻的實(shí)際傾角 Θ (t I t) O
【具體實(shí)施方式】 [0025] 二、本實(shí)施方式與一不同的是，所述步驟二中選取相 鄰的3個(gè)線陣C⑶感光器件上光點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)記為線陣C⑶上3個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，即A(Xl， yp Z1)，B(x2, y2, z2)，C(x3, y3, z3)，A點(diǎn)在X軸上的坐標(biāo)，y為A點(diǎn)在y軸上的坐標(biāo)，z 1 為A點(diǎn)在z軸上的坐標(biāo)，X2S B點(diǎn)在X軸上的坐標(biāo)，y 2為B點(diǎn)在y軸上的坐標(biāo)，z 2為B點(diǎn)在 z軸上的坐標(biāo)，X3S C點(diǎn)在X軸上的坐標(biāo)，y 3為C點(diǎn)在y軸上的坐標(biāo)，z 3為C點(diǎn)在z軸上的 坐標(biāo)；以AU1, yp Z1)，B(x2, y2, z2)，C(x3, y3, Z3)三點(diǎn)確定一個(gè)平面記為平面ABC，根據(jù)三點(diǎn) 坐標(biāo)可求得平面ABC的法線方向矢量（a，b，c),進(jìn)而可求得該平面與水平面的夾角Θ ;具體 過程為：
[0026] 如圖3所示，
[0027] 以平臺(tái)某一位置定位空間坐標(biāo)原點(diǎn)（0,0,0)，當(dāng)激光器掃射一周并采集數(shù)據(jù)，
[0028] 設(shè)分別在相鄰的三個(gè)線陣CCD上取點(diǎn)A (Xl，yi，Z1)，點(diǎn)B (x2, y2, Z2)和點(diǎn) C (x3, y3, z3)，三點(diǎn)確定一個(gè)平面記為平面ABC，根據(jù)三點(diǎn)坐標(biāo)求得平面ABC的法線方向矢量 (a, b，c)，
[0030] 式中，i為x方向的單位法向量，k為z方向的單位法向量，j為y方向的單位法向 量