[发明专利]深空探测行星着陆模拟器位姿测量装置及方法

说明书

本发明提供了一种深空探测行星着陆模拟器位姿测量装置及方法，属于着陆模拟器位姿测量装置及方法技术领域。本发明包括电机、导轨、丝杠、Y横梁、X横梁、Z横梁、支架、摄像机、气浮平台、气浮轴承、大理石平台、基座和标志点，大理石平台的上端设有气浮轴承，气浮轴承的上端设有气浮平台，标志点固定在气浮平台的上端。三个坐标作为反馈信息传给横梁上对应的电机，使电机带动丝杠产生相应的位移，从而使得摄像机能够始终跟随气浮平台的平动，并且保证摄像机可以调整与标志点的高度差，提高了测量的精度。通过由摄像机坐标系到世界坐标系的坐标变换可以得到三个标志点在世界坐标系中的坐标变化情况，并由此可以解算出气浮平台的转动角度。

技术领域

本发明涉及一种深空探测行星着陆模拟器位姿测量装置及方法，属于着陆模拟器位姿测量装置及方法技术领域。

背景技术

现代航天深空探测任务要求进行行星着陆探测，航天器从环绕轨道进入火星大气直至降落在火星上是一个复杂的运动过程，在这个过程中着陆器需要面对复杂多变的火星环境和突发条件，并且需要进行轨道姿态的调控，着陆是否成功直接关系到探测任务的成败。因此，设计火星捕获制动与器器分离全物理仿真试验系统，对火星探测捕获制动阶段和器器分离阶段的减速制动、安全分离等控制而开展的仿真验证便显得尤为重要。

行星着陆模拟器采用两个运动模拟器分别来模拟环绕器与着陆器。运动模拟器在轨道稳定支撑系统上运动，在水平面内实现三自由度运动，包括X，Y方向平动和绕Z轴转动。为实现对模拟器的闭环控制，需要通过测量系统得到模拟器的轨道和姿态。测量系统的精度决定了整个控制系统的精度，因此，设计高精度且稳定可靠的测量系统是非常重要的。

论文“基于单目视觉的位姿测量方法及仿真系统研究”(哈尔滨工业大学硕士学位论文，马国松，20050301)中提出了一种利用单目摄像机对目标进行位置及姿态测量的方法。虽然结构简单，并且能够实现物体位置和姿态的测量，但是其测量精度较低，其最终位置误差为2％，姿态误差为±2°左右，应用范围有限，难以应用在航空探测等高精度场合。

论文“三维姿态角高精度测量装置”(光学精密工程：doi:10.3788/OPE.20162405.0963)提出了一种基于激光准直仪的三维测角装置。该装置具有高精度、高稳定性，结构简单可靠。但是该方法仅适用于转动，无法测量物体的平动信息。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种深空探测行星着陆模拟器位姿测量装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种深空探测行星着陆模拟器位姿测量装置，包括：电机、导轨、丝杠、两个Y横梁、X横梁、四个Z横梁、支架、摄像机、气浮平台、气浮轴承、大理石平台、四个基座和标志点，所述四个Z横梁竖直设置，每个Z横梁的上端设有一个电机，每个Z横梁的下端与一个基座固定连接，每个Z横梁上设有一个导轨和一个丝杠，丝杠的一端与电机的输出端相连接，丝杠与导轨相啮合，导轨与Z横梁固定连接；两个Y横梁相互平行设置在两两相对的Z横梁上的导轨上且与导轨滑动连接；

每个Y横梁上设有一个电机、一个导轨和一个丝杠，丝杠的一端与电机的输出端相连接，丝杠与导轨相啮合，导轨与Y横梁固定连接；X横梁的一端与一侧的Y横梁的导轨滑动连接，X横梁的另一端与另一侧的Y横梁的导轨滑动连接；

X横梁上设有一个电机、一个导轨和一个丝杠，丝杠的一端与电机的输出端相连接，丝杠与导轨相啮合，导轨与X横梁固定连接；

支架与X横梁上的导轨滑动连接，摄像机固定在支架的下端，大理石平台设置在四个基座围成的空间内的下部，大理石平台的上端设有气浮轴承，气浮轴承的上端设有气浮平台，标志点固定在气浮平台的上端，摄像机与标志点上下对应。

一种深空探测行星着陆模拟器位姿测量方法如下：