[发明专利]一种刚体空间定轴转动角度检测方法

说明书

本发明公开了一种刚体空间定轴转动角度检测方法，提出了在全站仪测量定位原理，即通过利用全站仪在两个位置对同一个标志点的水平角和垂直角测量，得到相应标志点在全站仪坐标系下的坐标值的前提下，由标志点的坐标值构造一组矢量，利用双矢量定姿原理确定空间刚体的位姿，在此基础上，进行转动角度解算方法的推导和验证，为大运动范围下的刚体位姿参数测量提供了新的解决方法。

技术领域

本发明属于刚体转角测量技术领域，具体涉及一种刚体空间定轴转动角度检测方法的设计。

背景技术

刚体是指在任何外力作用下，其形状和大小完全不变的物体，是一种理想的质点系统。刚体最基本的运动形式是平动和转动，任何复杂的刚体运动都可以分解为平动与转动的叠加，这两种简单运动是工程中最常见的运动，也是研究复杂运动的基础。工程中某些物体的运动，例如：气缸内活塞的运动、车床上刀架的运动等属于刚体平移；而最常见的齿轮、机床的主轴、电机的转子等属于刚体绕定轴转动。

刚体运动的转角测量已被广泛用于工业、军事、航天、航海等许多领域，并且对测量精度的要求也越来越高。在工业控制和测量中，角度作为一个重要的参数，对其进行测量是十分必要的。比如在一些陆基站或海基站天线伺服系统中、在需要转台的工业生产中、在低转速的实时控制中，都少不了角度的测量。

工业上现有的主要的测角方法有：机械测角方法、电磁测角方法、光学测角方法以及光电测角方法等。机械式测角技术是研究最早的测角技术之一，它主要以多齿分度盘为代表。机械测角方法早期应用较多，其优点是简单，成本低。电磁分度式测角技术是利用电磁感应的原理来测量角度，主要是利用各种参数进行分度测角。电磁分度技术大量应用于进一步细分，使仪器的分度和测量范围扩大，分辨率提高，使用范围广泛。目前主要有圆磁栅测角和感应同步器测角两种。光学测角方法历来以其极高的测量准确度而受到人们的重视，光学测角方法的应用也越来越广泛。目前光学测角方法除众所周知的光学分度头法和多面梭体法外，常用的还有莫尔条纹法、平行干涉图法、圆光栅法、光学内反射法、激光干涉法等。在光电测角方法中，目前应用比较普遍的光电传感器有光学码盘式传感器、环形激光器和图像传感器，其具有高精度、高可靠性、实现简单、体积小、角灵敏度高等优点。

其中机械测角方法、电磁测角方法属于传统的角度测量方法，大多釆用手工接触测量的方式，测量的精度和稳定性受到外界环境影响较大。光学测角方法、光电测角方法由于测量过程中不与被测物体接触，不仅实现了转角的高精度非接触测量，而且其操作简单，系统可靠性高，便于在现场实施测量，并能够大大降低人力劳动。

针对定轴转动，转角检测方法可分为接触式检测和非接触式检测。例如在齿轮传动系统中，此时轴线固定且便于安装编码器等设备，应用接触式检测即可方便的检测转角；而例如在飞机舵面等转角检测中，轴线固定却不明确或者转角测量元件不便于安装，常规的安装编码器等检测方法不再适用，常见的检测方法为非接触式检测方法，例如视觉测量，目前大部分视觉测量方法都是基于双目立体视觉的测量技术。

一直以来，在多轴飞行器、运动机器人、机械臂和航天航空等领域中，刚体空间运动的姿态和位置参数测量是刚体运动分析和控制的重要内容。传统的空间刚体运动参数测量方法是在刚体上安装陀螺仪，利用陀螺仪测量刚体空间姿态转角，或结合陀螺仪和加速度计的数据融合方法求解刚体空间姿态信息，这种方式需要在刚体上安装陀螺仪等测量仪器，相应的测量成本及设备维护代价比较高且精度受限。而在一些情况下，例如刚体表面易受损或者转动轴线无法确定时，接触式测量方式有很大的局限性，因此在刚体运动参数测量方法中，非接触式测量由于测量装置不与被测表面直接接触，被测表面既不会被损伤，也不会对测量装置造成损害，同时避免了由于接触而引入的测量误差，而受到广泛的关注。