空间物体多维参数测量装置

摘要

本发明提供了一种空间物体多维参数测量装置，包括三个角度编码器N1、N2、N3和一个直线位移传感器，角度编码器N1的旋转轴与角度编码器N2的旋转轴垂直相交于一点；角度编码器N3的旋转轴连接被测物体，且垂直于被测物体的旋转平面(平行于被测物体B的旋转轴线)，直线位移传感器连接在度编码器N1、N2的交点与角度编码器N3之间。本发明结构简单，测量过程简便，能够对空间运动物体的多维参数进行测量。

权利要求

1.一种空间物体多维参数测量装置，包括三个角度编码器N1、N2、N3和一个直线位移传

感器，其特征在于：角度编码器N1的旋转轴与角度编码器N2的旋转轴垂直相交于一点；角度编码器N3的旋转轴连接被测物体，且垂直于被测物体的旋转平面，平行于被测物体B的旋转轴线，直线位移传感器连接在角度编码器N1、N2的交点与角度编码器N3之间。

2.根据权利要求1所述的空间物体多维参数测量装置，其特征在于：在空间直角坐标系

xyz中，所述的角度编码器N1用于测量直线位移传感器与坐标Z轴之间的夹角β；角度编码器N2用于测量直线位移传感器在xoy平面内的投影与X轴之间的夹角α；角度编码器N3用于测量被测物体的旋转角度θ；直线位移传感器用于测量被测物体的移动长度L。

3.根据权利要求2所述的空间物体多维参数测量装置，其特征在于：所述被测物体在空

间直角坐标系xyz中的坐标为(Lsinβcosα，Lsinβsinα，Lcosβ)；经过时间t后移动到点A’(x’,y’,z’)后的位移量为(Lsinβcosα-L’sinβ’cosα’，Lsinβsinα-L’sinβ’sinα’，Lcosβ-L’cosβ’)；移动速度Vx＝Δx/t＝(Lsinβcosα-L’sinβ’cosα’)/t，Vy＝Δy/t＝(Lsinβsinα-L’sinβ’sinα’)/t，Vz＝Δz/t＝(Lcosβ-L’cosβ’)/t；加速度ax＝ΔVx/t，ay＝ΔVy/t，az＝ΔVz/t；角速度ω＝θ/t。

说明书

空间物体多维参数测量装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种空间运动物体的位置状态测量装置。

背景技术

[0002] 运动物体的测量参数包括平面坐标、线速度、加速度、角速度和空间坐标等，但目前的测量装置测量参数少，没有一台测量设备能单独完成三维空间中物体多维参数的测量。如要完成三维空间中物体多维参数的测量，则需要使用多台测量设备共同进行测量，造成测量设备体积庞大、线路复杂。

发明内容

[0003] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种空间物体多维测量装置，体积小、外接线路简单。不仅可测量空间点坐标，还可以测量空间物体的运动状态。

[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括三个角度编码器N1、N2、N3和一个直线位移传感器；角度编码器N1的旋转轴与角度编码器N2的旋转轴垂直相交于一点；角度编码器N3的旋转轴连接被测物体，且垂直于被测物体的旋转平面(平行于被测物体B的旋转轴线)，直线位移传感器连接在度编码器N1、N2的交点与角度编码器N3之间。

[0005] 在空间直角坐标系xyz中，所述的角度编码器N1用于测量直线位移传感器与坐标Z轴之间的夹角β；角度编码器N2用于测量直线位移传感器在xoy平面内的投影与X轴之间的夹角α；角度编码器N3用于测量被测物体的旋转角度θ；直线位移传感器用于测量被测物体的移动长度L。

[0006] 所述被测物体在空间直角坐标系xyz中的坐标为(Lsinβcosα，Lsinβsinα，Lcosβ)；经过时间t后移动到点A’(x’,y’,z’)后的位移量为(Lsinβcosα-L’sinβ’cosα’，Lsinβsinα-L’sinβ’sinα’，Lcosβ-L’cosβ’)；移动速度Vx＝Δx/t＝(Lsinβcosα-L’sinβ’cosα’)/t，Vy＝Δy/t＝(Lsinβsinα-L’sinβ’sinα’)/t，Vz＝Δz/t＝(Lcosβ-L’cosβ’)/t；加速度ax＝ΔVx/t，ay＝ΔVy/t，az＝ΔVz/t；角速度ω＝θ/t。

[0007] 本发明的有益效果是：装置结构简单，测量过程简便，能够对空间运动物体的多维参数进行测量。

附图说明

[0008] 图1是本发明的结构示意图；

[0009] 图2是A点空间物体B在坐标系中的坐标确定示意图；

[0010] 图3是A点空间方向的位移(Δx,Δy,Δz)示意图；

[0011] 图4是空间物体B的旋转示意图。

具体实施方式

[0012] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

[0013] 本发明提供一种多维测量装置，包括三个角度编码器N1、N2、N3和一个直线位移传感器L，由数据采集卡采集信息，再通过程序计算，最终通过屏幕显示所测参数。

[0014] 如图1所示，在空间三维直角坐标系xyz中，O点是原点(或参考点)，坐标为(x0，y0，z0)；W是由直线OA(直线位移传感器L)和Z轴形成的平面，点A(x，y，z)是W平面中的任意一点；α角是点A(x，y，z)在xoy平面内的投影点a’(x，y)与原点O形成的直线与坐标轴X形成的夹角，α角也就是W平面与坐标轴X形成的夹角；β角是W平面内的直线OA与坐标轴Z之间的夹角。角度编码器N1旋转轴垂直于W平面，平行于xoy平面。角度编码器N1旋转轴与W平面垂直连接(即与测量用直线位移传感器L垂直)；角度编码器N2旋转轴垂直于平面xoy，平行于W平面，角度编码器N1旋转轴和角度编码器N2旋转轴相互垂直；角度编码器N3旋转轴垂直于被测物体B的旋转平面(平行于被测物体B的旋转轴线)，并与被测物体B连接，角度编码器N3与直线位移传感器L连接。

[0015] 角度编码器N1用于测量直线位移传感器L与坐标Z轴之间的夹角β；角度编码器N2用于测量直线位移传感器L上的点A(x，y，z)投影在xoy平面内的点a’(x，y)与原点O形成的直线与X轴之间的夹角α；角度编码器N3用于测量在点A(x，y，z)的空间物体B的旋转角度θ；直线位移传感器L用于测量空间物体A点到原点O的直线OA长度。

[0016] 根据采集的角度α、β、θ、长度值和时间参数t，通过公式数学计算，可以精确得到出空间物体B的A点空间坐标(x,y,z)，以及空间物体B的空间方向位移(Δx,Δy,Δz)、空间方向速度(Vx,Vy,Vz)、空间方向加速度(ax,ay,az)、旋转角度θ和角速度ω。其原理如下：

[0017] (1)A点在坐标系中的坐标确定

[0018] 空间物体B在xyz空间直角坐标系中轴上的投影是

[0019] x＝Lsinβcosα    (1-1)

[0020] y＝Lsinβsinα    (1-2)

[0021] z＝Lcosβ    (1-3)

[0022] 由以上可得出空间物体B的坐标(Lsinβcosα，Lsinβsinα，Lcosβ)；

[0023] (2)空间物体B的空间方向位移(Δx,Δy,Δz)

[0024] 空间物体B从点A(x,y,z)移动到A’(x’,y’,z’)后，在A-A’之间就出现位移[0025] ︱AA’︱，这个位移在空间直角坐标系xyz中的投影是(Δx,Δy,Δz)(见图3)。

[0026] Δx＝x-x’＝Lsinβcosα-L’sinβ’cosα’    (2-1)

[0027] Δy＝y-y’＝Lsinβsinα-L’sinβ’sinα’    (2-2)

[0028] Δz＝z-z’＝Lcosβ-L’cosβ’    (2-3)

[0029] 因此，A点移动到A’点的位移在xyz空间直角坐标系投影是(Lsinβcosα-L’sinβ’cosα’，Lsinβsinα-L’sinβ’sinα’，Lcosβ-L’cosβ’)；

[0030] (3)A点空间物体B的速度(Vx,Vy,Vz)测量

[0031] 引入时间变量，可以测量出A点空间物体B在空间中运行的瞬时速度。即：V＝ΔS/t。所以空间物体B在x方向、y方向和z方向运动的瞬时速度为

[0032] Vx＝Δx/t＝(Lsinβcosα-L’sinβ’cosα’)/t    (3-1)

[0033] Vy＝Δy/t＝(Lsinβsinα-L’sinβ’sinα’)/t    (3-2)

[0034] Vz＝Δz/t＝(Lcosβ-L’cosβ’)/t    (3-3)

[0035] (4)A点空间物体B的加速度(ax,ay,az)测量

[0036] 测量出A点空间物体B在空间中运行的速度变化情况，即加速度a＝ΔV/t。所以，间物体B在x方向、y方向和z方向运动的加速度为

[0037] ax＝ΔVx/t    (4-1)

[0038] ay＝ΔVy/t    (4-2)

[0039] az＝ΔVz/t    (4-3)

[0040] (5)A点空间物体B的旋转角速度ω

[0041] 采用角度编码器N3测量空间物体B的旋转的角度θ，再通过时间变量t计算角速度ω＝θ/t。