應(yīng)用于航天器艙段地面對(duì)接的空間坐標(biāo)系標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于空間靶標(biāo)的高精度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，大部分航天器大型艙段的對(duì)接和分離為垂直狀態(tài)的吊裝方式，其安全與質(zhì) 量主要依靠工藝人員的工程經(jīng)驗(yàn)和操作人員的個(gè)體技能水平，對(duì)接的穩(wěn)定性與精度均無(wú)法 得到保證。而利用機(jī)械并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行的艙段自動(dòng)化對(duì)接可以有效的解決對(duì)接的穩(wěn)定性問(wèn) 題，機(jī)械并聯(lián)機(jī)構(gòu)雖然具有較高的重復(fù)定位精度，但其定位精度收到自身結(jié)構(gòu)的影響，不能 達(dá)到高精度裝配的要求。
[0003] 空間坐標(biāo)系標(biāo)定技術(shù)在飛機(jī)、火箭及導(dǎo)彈的自動(dòng)化裝配生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮了不可替 代的重要作用。因此開(kāi)展空間坐標(biāo)系標(biāo)定技術(shù)的研究，對(duì)于提升航天器生產(chǎn)的技術(shù)水平，具 有非常重大的意義和價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有航天器艙段地面對(duì)接時(shí)定位的方法精度低的問(wèn)題， 本發(fā)明提供一種應(yīng)用于航天器艙段地面對(duì)接的空間坐標(biāo)系標(biāo)定方法。
[0005] 本發(fā)明的應(yīng)用于航天器艙段地面對(duì)接的空間坐標(biāo)系標(biāo)定方法，
[0006] 所述方法基于激光跟蹤儀實(shí)現(xiàn)，所述激光跟蹤儀的靶標(biāo)分為靶球和T-Probe，靶球 測(cè)量后輸出靶球中心的空間三自由度坐標(biāo)，T-Probe測(cè)量后輸出T-Probe本體的空間六自 由度坐標(biāo)，所述方法包括：
[0007] 當(dāng)進(jìn)行水平對(duì)接時(shí)，固定段端面與移動(dòng)段端面均為平面，在固定段端面選取三個(gè) 基準(zhǔn)點(diǎn)，在選取的三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)上分別固定三個(gè)靶球Sp &和S 3，取SjP S 2連線的中點(diǎn)S左移 d mm的點(diǎn)O1為坐標(biāo)原點(diǎn)，以向量孩為Z1軸，向量或?yàn)閅1軸，X i軸垂直于S pSjP S 3組成 的平面，指向由右手定則確定，且過(guò)點(diǎn)O1，由此建立固定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系O1-X1Y 1Zl5Cl為 端面到靶球球心的距離；
[0008] 在移動(dòng)段端面選取三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在選取的三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)上分別固定三個(gè)靶球吣、M2 和M3，取吣和M 2連線的中點(diǎn)M右移d mm的點(diǎn)0 2為坐標(biāo)原點(diǎn)，以向量為22軸，向量 _為Y2軸，乂2軸垂直于M1M:組成的平面，指向由右手定則確定，且過(guò)點(diǎn)O 2，建立移動(dòng)段 端面的標(biāo)定坐標(biāo)系O2-X2Y2Z2;
[0009] 根據(jù)獲得固定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系O1-X1Y1Z 1和移動(dòng)段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系 O2-X2Y2Z2，確定固定段端面相對(duì)于移動(dòng)段端面的相對(duì)位置關(guān)系；
[0010] 當(dāng)進(jìn)行垂直對(duì)接時(shí)，在移動(dòng)段端面的前半部分的兩個(gè)銷孔分別固定靶球S1和靶球 S2，以向量為端面坐標(biāo)系的Z軸，4與S 2連線的中點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，利用T-Probe測(cè)量 移動(dòng)段端面后半部分端面的任意三個(gè)點(diǎn)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，根據(jù)獲得的任意三 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，確定相應(yīng)端面的法相向量，所述法相向量指向?yàn)樽鴺?biāo)系的y軸，同時(shí)根據(jù)右手 定則確定出坐標(biāo)系的X軸指向，由此建立艙段垂直對(duì)接的移動(dòng)段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系；
[0011] 艙段垂直對(duì)接的固定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系方法與艙段垂直對(duì)接的移動(dòng)段端面的 標(biāo)定坐標(biāo)系方法相同；
[0012] 根據(jù)獲得固定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系和移動(dòng)段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系，利用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換 關(guān)系，求得固定段端面坐標(biāo)系相對(duì)于移動(dòng)段端面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系，從而確定固定段端 面相對(duì)于移動(dòng)段端面的相對(duì)位置關(guān)系。
[0013] 當(dāng)進(jìn)行水平對(duì)接時(shí)，所述方法包括如下步驟：
[0014] 步驟一：利用靶球Sp &和S 3確定固定段端面上三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系 下的坐標(biāo)，分別為6' (xf ? )，S3 ( X21,44 )和( xf, W4 )，且S1* S 2連線的中 點(diǎn)s在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為
[0015] 步驟二：根據(jù)求得的三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)求出向量*SSr3和向量SS1 ,獲得向量SS3 和向量的夾角余弦y
從而求出Sp Sjp s 3在固定段端面的標(biāo)定坐 標(biāo)系下的坐標(biāo) S1 ( 4, :, ), S2 ( 4K4 )，' 民(4，少^ 4 ) s 其中
V V
[0016] 步驟三：根據(jù)S1、S2和S3在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下和固定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系下的 坐標(biāo)，利用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法求得固定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系；
[0017] 步驟四：根據(jù)步驟一至步驟三的方法，獲得移動(dòng)段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系；
[0018] 步驟五：根據(jù)步驟三獲得的固定段端面的標(biāo)定和步驟四獲得的移動(dòng)段端面的標(biāo)定 坐標(biāo)系，利用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系求得固定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系相對(duì)于移動(dòng)段端面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn) 換坐標(biāo)系，從而可以確定固定段端面相對(duì)于移動(dòng)段端面的相對(duì)位置關(guān)系。
[0019] 所述步驟三包括：
[0020] 步驟三一：根據(jù)Sl、S2和S3在固定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，獲得向量;Ρ? 和ξξ，利用叉乘公式求得向量將向量@ξξ和:Ρ；單位化，得到固 定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系下的矩陣
P；垂直 于向量和向量S3S2;
[0021 ] 步驟三二：根據(jù)SI、S2和S3在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，獲得三個(gè)單位化后向 量在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的矩陣(_)(<, );
[0022] 步驟三三，根據(jù)公式Q = RuP，求出固定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系到激光跟蹤儀坐標(biāo)系 的轉(zhuǎn)換矩陣Rd
[0023] 步驟三四：根據(jù)步驟三三獲得的轉(zhuǎn)換矩陣Rm利用公：
獲得固定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系下原點(diǎn)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)O1= (Xs，Yi;, zs)'，以向 量:?為Zji，向量1?為Y1軸，X i軸垂直于S i、&和S 3組成的平面，指向由右手定則確定， 且過(guò)點(diǎn)O1，獲得固定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系相對(duì)于激光跟蹤儀坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系。
[0024] 當(dāng)進(jìn)行垂直對(duì)接時(shí)，所述方法包括如下步驟：
[0025] 步驟一：利用兩個(gè)靶球先測(cè)量艙段固定段端面前半部分的兩個(gè)銷孔在激光跟蹤儀 下的坐標(biāo)5； (xf，，zf))和心(. )，.以向量S1S2為端面坐標(biāo)系的z軸，將向量S 1S2單位 化，得到z軸單位向量
S 2連線的中點(diǎn)為激光跟蹤儀坐標(biāo)系下原點(diǎn)坐標(biāo)
[0026]
[0027] 步驟二：利用T-Probe測(cè)量艙段固定段端面后半部分平面上任意三個(gè)點(diǎn)在激光跟 蹤儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為4 A (4，>，】，< )和& ? K,彳）；
[0028] 步驟三：根據(jù)步驟二獲得的三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，求取固定段端面后半部分的法向量： [0029] 根據(jù)&(?#)、^x41,尤4)和&(x丨?4)，獲得向量?jī)珊停笕∨摱?固定段端面后半部分平面法向量在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分量：
[0030]
[0031] ^既為由三個(gè)點(diǎn)確定的平面的法相向量在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分量；
[0032] 根據(jù)右手定則，將^單位化，獲彳 $即為固定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系 的y軸單位向量在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的空:仍、刀'里·；
[0033] 步驟四：在固定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系下，利用下式根據(jù)右手定則求得固定段端面 的z軸單位向量在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分量：
[0034]
[0035] 進(jìn)而確定固定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系相對(duì)于激光跟蹤儀坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣 根據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣,確定固定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系；
[0036] 步驟五：根據(jù)步驟一到四的方法，利用靶球和T-Probe求取移動(dòng)段端面的標(biāo)定坐 標(biāo)系相對(duì)于激光跟蹤儀坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣/^?7,^7,^7);根據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣匕(? 7,?7,?7)，確 定移動(dòng)段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系；步驟六：根據(jù)獲得固定段端面的標(biāo)定坐標(biāo)系和移動(dòng)段端面的 標(biāo)定坐標(biāo)系，利用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，求得固定段端面坐標(biāo)系相對(duì)于移動(dòng)段端面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn) 換坐標(biāo)系，從而確定固定段端面相對(duì)于移動(dòng)段端面的相對(duì)位置關(guān)系。
[0037] 利用T-Probe測(cè)量移動(dòng)段端面后半部分端面的任意三個(gè)點(diǎn)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系 下的坐標(biāo)的方法為：
[0038] 將T-Probe的尾端小球緊貼于移動(dòng)段端面后半部分端面上任意一個(gè)點(diǎn)，調(diào)整 T-Probe姿態(tài)使光線照射到T-Probe上，此時(shí)通過(guò)T-Probe測(cè)量得到T-probe尾端小球中心 在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。
[0039] 本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明利用激光跟蹤儀進(jìn)行高精度、大范圍的測(cè)量，利用 其精密測(cè)量技術(shù)通過(guò)將測(cè)量到的單點(diǎn)位置信息轉(zhuǎn)換為對(duì)接端面的坐標(biāo)系信息，建立空間坐 標(biāo)系對(duì)對(duì)接端面的空間位置進(jìn)行標(biāo)定，從而確定兩對(duì)接端面間的空間相對(duì)位置關(guān)系，以達(dá) 到提高定位精度，達(dá)到高精度安裝的目的。
【附圖說(shuō)明】
[0040] 圖1是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中的激光跟蹤儀的靶球測(cè)量原理示意圖。
[0041] 圖2是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中激光跟蹤儀的T-Probe測(cè)量原理示意圖。<