基于轮廓仪与二维振镜组合非合作目标相对位姿测量方法

技术领域

本发明涉及航空航天领域，具体是基于轮廓仪与二维振镜组合非合作目标相对位姿测量方法。

背景技术

随着卫星发射与制造需求逐渐增多。其大多数都是多段装配拼接而成，多段卫星模块的装配是卫星装配的重要组成部分，是直接影响卫星各项性能的重要环节。为实现航天器的精密装配，首先需获取装配对接目标间的空间相对位姿。对于可安装合作标识器或喷涂合作标识点的空间合作目标的位姿测量技术已相当的成熟。但待精密装配区域尺度跨度范围大且测量区域狭长不易直接测量，属于非合作目标测量领域的问题，增加了测量的难度与装配质量。目前，对于非合作目标的测量领域主要采用的方法有：双目视觉、多目视觉、激光雷达传感器与光学相机组合测量等，它们测量的精度受相机分辨率的影响大，导致其测量的精度偏低。

发明内容

本发明的目的是提供基于轮廓仪与二维振镜组合非合作目标相对位姿测量方法，包括以下步骤：

1)搭建相对位姿测量装置。所述相对位姿测量装置包括副模块、二维振镜、2D轮廓仪、连接杆、主模块、辅助安装平台、六自由度调整平台、发射光源、接收镜片、解算模块、计算机、测量区域模块、机械模块。

所述副模块上开设有对接孔。所述副模块的侧平面B2安装有副连接耳。

所述主模块上布置有对接针。所述主模块的侧平面B1安装有主连接耳。

搭建相对位姿测量装置的步骤包括：

将副模块和主模块安装在辅助安装平台上。所述副模块与辅助安装平台接触的面记为平面A2，主模块与辅助安装平台接触的面记为平面A1。

所述连接杆呈T字型，包括与水平面垂直的竖向子杆和与水平面平行的横向子杆。

所述竖向子杆的一端连接2D轮廓仪，另一端连接横向子杆。横向子杆的两端分别连接两个六自由度调整平台。其中，一个六自由度调整平台通过辅助安装平台调整副模块倾角，另一个六自由度调整平台通过辅助安装平台调整主模块倾角。

所述二维振镜的一端连接在副模块上，另一端连接在2D轮廓仪上。

2)在发射光源向二维振镜发射光源前，调整主模块与副模块之间的距离L。使距离L满足M-LA-LB≤L≤M。LA为主连接耳厚度。LB为副连接耳厚度。所述2D轮廓仪X向的测量宽度范围为[0，M]。M为常数。

令发射光源向二维振镜发射光源。二维振镜将光源折射至主模块的平面A1、副模块的平面A2。

3)所述接收镜片接收平面A1和平面A2的反射光，并传输至2D轮廓仪。

4)调整二维振镜的位置，令二维振镜将光源折射至主模块的平面B1、副模块的平面B2。

5)所述接收镜片接收平面B1和平面B2的反射光，并传输至2D轮廓仪

6)所述2D轮廓仪测量得到平面A1、平面B1在主模块的坐标系X

7)根据平面A1上各点坐标，设置法向量为P

平面方程P

A

式中，D

根据平面A2上各点坐标，拟合出平面A2在X

根据平面B1上各点坐标，拟合出平面B1在坐标系X

根据平面B2上各点坐标，拟合出平面B2在X

8)根据平面A1、平面A2的平面方程和空间法向，计算得到用于表征平面A1与平面A2空间位置关系的参数dθx

夹角θ满足下式：

式中，法向PA1＝(A

9)根据平面B1、平面B2的平面方程和空间法向量，计算得到用于表征平面B1与平面B2空间位置关系的参数dθ'y

夹角θ'满足下式：

式中，法向PB1＝(A

10)根据用于表征平面A1与平面A2空间位置关系的参数dθx

平面A1与平面A2间的距离dz如下所示：

根据用于表征平面B1与平面B2空间位置关系的参数计算出平面B1与平面B2间的距离dx

11)根据平面A1与平面A2间的距离dz、平面B1与平面B2间的距离dx

解算出主模块和副模块的相对位姿的步骤包括：

11.1)计算主模块和副模块间的距离分辨精度Dx，即：

Dx＝c/d (5)

式中，c为2D轮廓仪的最大测量距离。d为2D轮廓仪获得的轮廓线上的点数。

11.2)计算主模块的y

Dθz

式中，e、f分别为主模块、副模块的高与长。

11.3)根据平面A1、平面A2、平面B1、平面B2的平面方程和分辨精度Dθz

11.4)判断分辨精度Dθx

11.5)根据所测区域的位姿关系求得非合作目标区域的位姿，实现对接针与对接孔的精密对接装配。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明精度高，测量快，可以实现亚微米级的测量精度。本发明重量轻、功耗少测量简便本发明巧妙的利用被测目标结构体中连接耳部分的两相互垂直的面，间接的解算出对接圆孔与对接针间的相对位姿，减少了解算的难度与扫描时间，同时提高了解算的精度。

附图说明

图1是基于轮廓仪与二维振镜组合的空间非合作目标测量相对位姿方法的整体结构示意图；

图2是基于轮廓仪与二维振镜组合的空间非合作目标测量相对位姿方法的原理图；

图中：对接孔1、副模块2、二维振镜3、2D轮廓仪4、连接杆5、对接针6、主模块7、副连接耳8、主连接耳9、辅助安装平台10、六自由度调整平台11、测量模块12、发射光源13、接收镜片14、解算模块15、计算机16、测量区域模块17、机械模块18。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1至图2，基于轮廓仪与二维振镜组合非合作目标相对位姿测量方法，包括以下步骤：

1)搭建相对位姿测量装置。所述相对位姿测量装置包括副模块2、二维振镜3、2D轮廓仪4、连接杆5、主模块7、辅助安装平台10、六自由度调整平台11、发射光源13、接收镜片14、解算模块15、计算机16、测量区域模块17、机械模块18。

其中，测量模块12包括二维振镜3、2D轮廓仪4、发射光源13、接收镜片14；

测量区域模块17包括主模块7、副模块2所在区域。

机械模块18包括除测量模块、解算模块以外的装置。

所述副模块2上开设有对接孔1。所述副模块2的侧平面B2安装有副连接耳8。

所述主模块7上布置有对接针6。所述主模块7的侧平面B1安装有主连接耳9。

搭建相对位姿测量装置的步骤包括：

将副模块2和主模块7安装在辅助安装平台10上。所述副模块2与辅助安装平台10接触的面记为平面A2，主模块7与辅助安装平台10接触的面记为平面A1。

所述连接杆5呈T字型，包括与水平面垂直的竖向子杆和与水平面平行的横向子杆。

所述竖向子杆的一端连接2D轮廓仪4，另一端连接横向子杆。横向子杆的两端分别连接两个六自由度调整平台11。其中，一个六自由度调整平台11通过辅助安装平台10调整副模块2倾角，另一个六自由度调整平台11通过辅助安装平台10调整主模块7倾角。

所述二维振镜3的一端连接在副模块2上，另一端连接在2D轮廓仪4上。

2)在发射光源13向二维振镜3发射光源前，调整主模块7与副模块2之间的距离L。使距离L满足M-LA-LB≤L≤M。LA为主连接耳厚度。LB为副连接耳厚度。所述2D轮廓仪4，X向的测量宽度范围为[0，M]。M为常数。

令发射光源13向二维振镜3发射光源。二维振镜3将光源折射至主模块7的平面A1、副模块2的平面A2。

3)所述接收镜片14接收平面A1和平面A2的反射光，也就是扫描测量点后的接收面，并传输至2D轮廓仪4。

4)调整二维振镜3的位置，令二维振镜3将光源折射至主模块7的平面B1、副模块2的平面B2。

5)所述接收镜片14接收平面B1和平面B2的反射光，并传输至2D轮廓仪4

6)所述2D轮廓仪(4)测量得到平面A1、平面B1在主模块7的坐标系X

7)根据平面A1上各点坐标，设置法向量为P

平面方程P

A

式中，D

根据平面A2上各点坐标，拟合出平面A2在X

根据平面B1上各点坐标，拟合出平面B1在坐标系X

根据平面B2上各点坐标，拟合出平面B2在X

8)根据平面A1、平面A2的平面方程和空间法向，计算得到用于表征平面A1与平面A2空间位置关系的参数dθx

夹角θ满足下式：

式中，法向PA1＝(A

9)根据平面B1、平面B2的平面方程和空间法向量，计算得到用于表征平面B1与平面B2空间位置关系的参数dθ'y

夹角θ'满足下式：

式中，法向PB1＝(A

10)根据用于表征平面A1与平面A2空间位置关系的参数dθx

平面A1与平面A2间的距离dz如下所示：

根据用于表征平面B1与平面B2空间位置关系的参数计算出平面B1与平面B2间的距离dx

11)根据平面A1与平面A2间的距离dz、平面B1与平面B2间的距离dx

解算出主模块7和副模块2的相对位姿的步骤包括：

11.1)计算主模块7和副模块2间的距离分辨精度Dx，即：

Dx＝c/d (5)

式中，c为2D轮廓仪3的最大测量距离。d为2D轮廓仪3获得的轮廓线上的点数。轮廓线是指扫描面，反馈回2d轮廓仪的激光点构成的线。

11.2)计算主模块7的y

Dθz

式中，e、f分别为主模块7、副模块2的高与长。

11.3)根据平面A1、平面A2、平面B1、平面B2的平面方程和分辨精度Dθz

11.4)判断分辨精度Dθx

因不同传感器的测量精度对不同的尺寸的模块地测量分辨精度不一样，当测量的误差大于或接近于分辨精度，那么用该传感器测量就是不能精准的测量，就需要换测量精度更高的传感器。因此，本步骤计算分辨精度以确定传感器精度是否满足要求。

11.5)根据所测区域的位姿关系求得非合作目标区域的位姿，实现对接针与对接孔的精密对接装配。

实施例2：

基于轮廓仪与二维振镜组合的空间非合作目标相对位姿测量方法，参考图1，包括1对接圆孔，2副模块,3二维振镜，4为2D轮廓仪，5连接杆，6对接针，7主模块，8副连接耳，9主连接耳，10辅助安装平台，11六自由度调整平台，12测量模块，13发射光源，14接收镜片，15解算模块，16计算机，17测量区域模块，18机械模块。其中：

所述各器件的安装位置如图1本发明的整体结构示意图所示，测量位姿的原理如图2测量方法的原理图所示，本测量方案的主要步骤如下：

步骤1.根据2D轮廓激光测量仪的X向的测量宽度范围0-Mmm,需两个连接耳厚度加上两模块的距离需满足：

LA+L+LB≤M

其中LA为主模块连接耳厚度，LB为副模块连接厚度，L为主模块与副模块之间的距离，因此主模块与副模块之间的距离小于M-LA-LB≤L≤M(mm)，即首先需要把两对接模块移动到该距离范围内。

步骤2.2D轮廓仪通过二维振镜内部的偏转扫描连接耳的同时记录2D轮廓仪测头返回的测量数据，因此即实现了对平面A1、平面B1、平面A2与平面B2上各点在XYZO坐标系中的坐标测量；

步骤3.通过平面A1上空间坐标点，即可拟合出该平面在坐标系XYZO中的平面方程及空间法向为PA1，类似的处理方法即可计算出平面B1、平面A2与平面B2的平面方程及空间法向分别对应为PB1、PA2与PB2。

步骤4.根据个平面空间方程与对应的法向PA1、PA2，计算出dθxb1、dθyb1，即可计算出平面A1与平面A2的空间位置关系，然后再计算出两平面间的距离dz。同理可以通过平面B1与B2、向量PB1与PB2的空间位置关系计算出dθy

dθxb1、dθyb1具体计算公式如下

其中PA1＝(A

步骤5.最后通过解算出的四个面的关系，可以求出剩下4个自由度，这样就解算出了两连接模块的相对位姿，即六个空间自由度。其中原理如下。

根据调平后再在任意位置的一次扫描，反射回来的线段坐标，中无返回值的区域距离就是dy。其中平面A1与平面A2的距离差为2D轮廓仪与二维振镜的综合精度为a微米，也即dz的分辨率为a微米。平面B1与平面B2的距离差为2D轮廓仪与二维振镜的综合精度为b微米，也即dy的分辨率为b微米。基于2D轮廓仪的测量范围是c毫米，轮廓线上的点数为d个点，则两模块间的距离分辨为：

Dx＝c/d

其中，Dx为两模块间的距离分辨精度。

结合图1，主模块上y

Dθz

其中，Dθz

根据两模块连接耳平面的各坐标点拟合各平面，再结合数据处理过程中截断误差等，可初步估算出绕轴o

本发明公开了一种基于轮廓仪与二维振镜组合的空间非合作目标位姿测量方法，包括二维振镜、2D轮廓仪、辅助安装平台、六自由度调整平台、解算模块。通过2D轮廓仪与二维振镜组合对主副模块上的两连接耳进行扫描,解算模块拟合得到四个面的信息，进而解算出对接针与对接圆孔的相对位姿关系。该装置采用2D轮廓仪与二维振镜组合的形式，利用二维振镜扫响应时间快、扫描区域大、价格便宜等优点，不需要借助其他机械结构就可以通过2D轮廓仪测到连接耳四个面的信息，在保证精度的基础上提高了测量效率。该方法具有测量精度高、解算快、结构简单、体积小、重量轻、功耗少等优点，尤其适合航空航天飞行器的高精度装配等相关领域。

实施例3：

基于轮廓仪与二维振镜组合非合作目标相对位姿测量方法，包括以下步骤：

1搭建所述相对位姿测量装置；所述相对位姿测量装置包括副模块2、二维振镜3、2D轮廓仪4、连接杆5、主模块7、辅助安装平台10、六自由度调整平台11、发射光源13、接收镜片14、解算模块15、计算机16、测量区域模块17、机械模块18。

所述副模块2上开设有对接孔1；所述副模块2的侧平面B2安装有副连接耳8；

所述主模块7上布置有对接针6；所述主模块7的侧平面B1安装有主连接耳9；

搭建相对位姿测量装置的步骤包括：

将副模块2和主模块7安装在辅助安装平台10上；所述副模块2与辅助安装平台10接触的面记为平面A2，主模块7与辅助安装平台10接触的面记为平面A1；

所述连接杆5呈T字型，包括与水平面垂直的竖向子杆和与水平面平行的横向子杆；

所述竖向子杆的一端连接2D轮廓仪4，另一端连接横向子杆；横向子杆的两端分别连接两个六自由度调整平台11；其中，一个六自由度调整平台11通过辅助安装平台10调整副模块2倾角，另一个六自由度调整平台11通过辅助安装平台10调整主模块7倾角；

所述二维振镜3的一端连接在副模块2上，另一端连接在2D轮廓仪4上；

2令发射光源13向二维振镜3发射光源；二维振镜3将光源折射至主模块7的平面A1、副模块2的平面A2；

3所述接收镜片14接收平面A1和平面A2的反射光，并传输至2D轮廓仪4；

4调整二维振镜3的位置，令二维振镜3将光源折射至主模块7的平面B1、副模块2的平面B2；

5所述接收镜片14接收平面B1和平面B2的反射光，并传输至2D轮廓仪4

6所述2D轮廓仪4测量得到平面A1、平面B1在主模块7的坐标系X

7根据平面A1上各点坐标，设置法向量为P

根据平面A2上各点坐标，拟合出平面A2在X

根据平面B1上各点坐标，拟合出平面B1在坐标系X

根据平面B2上各点坐标，拟合出平面B2在X

8根据平面A1、平面A2的平面方程和空间法向，计算得到用于表征平面A1与平面A2空间位置关系的参数dθx

9根据平面B1、平面B2的平面方程和空间法向量，计算得到用于表征平面B1与平面B2空间位置关系的参数dθ'y

10根据用于表征平面A1与平面A2空间位置关系的参数dθx

根据用于表征平面B1与平面B2空间位置关系的参数计算出平面B1与平面B2间的距离dx

11根据平面A1与平面A2间的距离dz、平面B1与平面B2间的距离dx

实施例4：

基于轮廓仪与二维振镜组合非合作目标相对位姿测量方法，主要内容见实施例3，其中，所述2D轮廓仪4X向的测量宽度范围为[0，M]；M为常数。

实施例5：

基于轮廓仪与二维振镜组合非合作目标相对位姿测量方法，主要内容见实施例3，其中，在发射光源13向二维振镜3发射光源前，调整主模块7与副模块2之间的距离L；使距离L满足M-LA-LB≤L≤M；LA为主连接耳厚度；LB为副连接耳厚度。

实施例6：

基于轮廓仪与二维振镜组合非合作目标相对位姿测量方法，主要内容见实施例3，其中，夹角θ满足下式：

式中，法向PA1＝(A

实施例7：

基于轮廓仪与二维振镜组合非合作目标相对位姿测量方法，主要内容见实施例3，其中，夹角θ'满足下式：

式中，法向PB1＝(A

实施例8：

基于轮廓仪与二维振镜组合非合作目标相对位姿测量方法，主要内容见实施例3，其中，解算出主模块7和副模块2的相对位姿的步骤包括：

1计算主模块7和副模块2间的距离分辨精度Dx，即：

Dx＝c/d

式中，c为2D轮廓仪3的最大测量距离；d为2D轮廓仪3获得的轮廓线上的点数；

2计算主模块7的y

Dθz

式中，e、f分别为主模块7、副模块2的高与长；

3根据平面A1、平面A2、平面B1、平面B2的平面方程和分辨精度Dθz

4判断分辨精度Dθx

5根据所测区域的位姿关系求得非合作目标区域的位姿，实现对接针与对接孔的精密对接装配。非合作目标区域位姿为对接针中心圆点的位姿。所测区域为连接耳位姿，由于其都是在副模块上的，他们之间的位姿关系已知。所以可根据所测区域的位姿关系求得非合作目标区域的位姿。

实施例9：

基于轮廓仪与二维振镜组合非合作目标相对位姿测量方法，主要内容见实施例3，其中，平面方程P

A

式中，D

实施例10：

基于轮廓仪与二维振镜组合非合作目标相对位姿测量方法，主要内容见实施例3，其中，平面A1与平面A2间的距离dz如下所示：

式中，D