一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法转让专利
申请号 : CN202110714584.9
文献号 : CN113267195B
文献日 : 2022-08-05
发明人 : 刘延芳 , 佘佳宇 , 李霏 , 马国财 , 齐乃明 , 曹志宏 , 周广平 , 周芮 , 倪晨瑞 , 刘振
申请人 : 北京电子工程总体研究所 , 哈尔滨工业大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法，所述方法是基于测量关节臂实现的，所述测量关节臂用于输出测量点的空间三自由度坐标，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、利用测量关节臂获取舱段对接面所在平面在空间中的位置；
步骤二、利用测量关节臂获取移动舱段对接面上销钉轴线与移动舱段对接面交点的位置坐标，包括以下步骤：
步骤二一：利用测量关节臂确定移动舱段对接面的一个销钉上任意三个不共线的点P14，P15，P16在测量关节臂坐标系下的坐标，分别为P14(x14,y14,z14)，P15(x15,y15,z15)，P16(x16,y16,z16)；
步骤二二、获取P14(x14,y14,z14)，P15(x15,y15,z15)，P16(x16,y16,z16)分别投影到移动舱段对接面的点P14′(x14′,y14′,z14′)，P15′(x15′,y15′,z15′)，P16′(x16′,y16′,z16′)的坐标；
步骤二三、利用步骤二二获取P14′、P15′、P16′的坐标分别获得P14′、P15′、P16′三点到销钉轴线与移动舱段对接面交点P01(x01,y01,z01)的距离即销钉半径为：步骤二四、根据步骤二三获得的公式获取P01(x01,y01,z01)的位置如下式：步骤二五、在移动舱段对接面上另一个销钉选取任意三个不共线的 点P17，P18，P19，根据步骤二一至二四的方法获取移动舱段对接面上另一个销钉轴线与移动舱段对接面交点在空间中的位置P02(x02,y02,z02)；
步骤三、利用测量关节臂获取固定舱段对接面上销孔轴线与固定舱段对接面交点的位置坐标；
步骤四、通过获取的销钉和销孔轴线与舱段对接面交点位置以及对接面所在平面位置分别获取移动舱段对接面和固定舱段 对接面相对于测量关节臂坐标系的关系；
步骤五、根据移动舱段对接面和固定舱对接面相对于测量关节臂坐标系的关系获取移动舱段和固定舱段之间的相对位置和姿态。
2.根据权利要求1所述的一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法，其特征在于：所述步骤一中利用测量关节臂获取舱段对接面所在平面在空间中的位置，包括以下步骤：步骤一一、获取测量关节臂基座的坐标系O0‑X0Y0Z0并建立舱段对接面的坐标系Oi‑XiYiZi：
以舱段对接面的圆心点Oi为坐标原点，以沿舱段轴向称为Xi轴，水平面内沿舱段径向且垂直Xi轴称为Yi轴，垂直Oi‑XiYi平面且沿舱段径向称为Zi轴；由此建立舱段对接面的坐标系Oi‑XiYiZi；当i＝1时，表示移动舱段，移动舱段上加工有两个销钉，当i＝2时，表示固定舱段，固定舱段上加工有两个销孔；
步骤一二、利用测量关节臂获取舱段对接面上任意三个点Pi1，Pi2，Pi3在测量关节臂坐标系下的坐标，分别为Pi1(xi1,yi1,zi1)，Pi2(xi2,yi2,zi2)，Pi3(xi3,yi3,zi3)；
步骤一三、根据Pi1，Pi2，Pi3三个点的坐标，获得舱段对接面所在平面在空间中的位置。
3.根据权利要求2所述的一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法，其特征在于：所述步骤一三中根据Pi1，Pi2，Pi3三个点的坐标，获得舱段对接面所在平面在空间中的位置为：Aix+Biy+Ciz‑1＝0
其中
4.根据权利要求3所述的一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法，其特征在于：所述步骤二二中获取P14(x14,y14,z14)，P15(x15,y15,z15)，P16(x16,y16,z16)分别投影到移动舱段对接面的点P14′(x14′,y14′,z14′)，P15′(x15′,y15′,z15′)，P16′(x16′,y16′,z16′)的坐标，包括以下步骤：步骤2.2.1、获取销钉上的点P1(x1,y1,z1)和P1(x1,y1,z1)投影到移动舱段对接面的点P1′(x1′,y1′,z1′)之间的关系式为：则
步骤2.2.2、获取P1(x1,y1,z1)投影到移动舱段对接面的点P1′坐标，具体过程为：由于P1 ′在移动舱段对接面上，则A1x1 ′+B1y1′+C1z1 ′‑1＝0，得到可得到投影点P1′坐标为：
步骤2.2.3、将P14，P15，P16代入P1′的计算公式中，即可获得在移动舱段对接面上的投影点P14′(x14′,y14′,z14′)，P15′(x15′,y15′,z15′)，P16′(x16′,y16′,z16′)。
5.根据权利要求4所述的一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法，其特征在于：所述步骤三中利用测量关节臂获取固定舱段对接面上销孔轴线与固定舱段对接面交点的位置坐标，包括以下步骤：
步骤三一、利用测量关节臂确定固定舱段对接面的一个销孔上任意三个不共线的点P24，P25，P26在测量关节臂坐标系下的坐标，分别为P24(x24,y24,z24)，P25(x25,y25,z25)，P26(x26,y26,z26)；
步骤三二、获取P24(x24,y24,z24)，P25(x25,y25,z25)，P26(x26,y26,z26)分别投影到固定舱段 对接面上的点P24′(x24′,y24′,z24′)，P25′(x25′,y25′,z25′)，P26′(x26′,y26′,z26′)的坐标；
步骤三三、利用步骤三二获得的P24′、P25′、P26′的坐标分别获得P24′、P25′、P26′三点到销孔轴线与固定舱段对接面交点P03(x03,y03,z03)的距离即销孔半径为：步骤三四、利用步骤三三获得的公式获取P03(x03,y03,z03)的位置为：步骤三五、在固定舱段 对接面上另一个销孔选取任意三个不共线的 点P27，P28，P29，根据步骤三一至三四的方法获取固定舱段对接面上另一个销孔轴线与固定舱段对接面交点在空间中的位置P04(x04,y04,z04)。
6.根据权利要求5所述的一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法，其特征在于：所述步骤三二中获取P24(x24,y24,z24)，P25(x25,y25,z25)，P26(x26,y26,z26)分别投影到固定舱段 对接面上的点P24′(x24′,y24′,z24′)，P25′(x25′,y25′,z25′)，P26′(x26′,y26′,z26′)的坐标，包括以下步骤：步骤3.2.1、获取销孔上的点P2(x2,y2,z2)和P2(x2,y2,z2)投影到固定舱段对接面的点为P2′(x2′,y2′,z2′)之间的关系式为：则，
步骤3.2.2、获取P2(x2,y2,z2)投影到固定舱段对接面的点P2′坐标：由于P2′在固定舱段对接面上，则A2x2 ′+B2y2′+C2z2 ′‑1＝0，得到可得到投影点P2′坐标为
步骤3.2.3、将P24，P25，P26代入P2′的计算公式中获得固定舱段对接面上的投影点P24′(x24′,y24′,z24′)，P25′(x25′,y25′,z25′)，P26′(x26′,y26′,z26′)。
7.根据权利要求6所述的一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法，其特征在于：所述步骤四中通过获得的销钉和销孔轴线与舱段对接面交点位置以及对接面所在平面位置分别获取移动舱段对接面和固定舱段 对接面相对于测量关节臂坐标系的关系，包括以下步骤：
步骤四一、确定移动舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的关系，包括以下步骤：
步骤四一一、根据步骤二获取的两个销钉轴线与移动舱段对接面交点位置在空间中的坐标，得到两个销钉轴线与移动舱段对接面交点P01、P02在测量关节臂坐标系下形成的矢量移动舱段对接面法向向量 两个销钉轴线与移动舱段对接面交点P01、P02在移动舱段对接面关节臂坐标系下形成的矢量移动舱段对接面法向向量在移动舱段对接面关节臂坐标系下的矢量表示
其中，D1为两个销钉之间的距离；
步骤四一二、获取移动舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的关系：其中， 是移动舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的平移矩阵， 是移动舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的旋转矩阵，是中间变量；
令
则， 是移动舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的旋转矩阵；
其中，
步骤四二、确定固定舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的关系，包括以下步骤：
步骤四二一、根据步骤 三获取的两个销孔轴线与固定舱段对接面交点在空间中的坐标得到两个销孔轴线与固定舱段对接面交点P03、P04在测量关节臂坐标系下形成的矢量为以及固定舱段对接面法向向量在测量关节臂坐标系下的矢量表示 两个销孔轴线与固定舱段对接面交点P03、P04在固定舱段对接面关节臂坐标系下形成的矢量为 固定舱段对接面法向向量步骤四二二、获取固定舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的关系：其中， 为固定舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的平移矩阵， 为固定舱段对接面坐标系相对于测量关节臂坐标系的旋转矩阵，为中间变量；
令
则
其中，
8.根据权利要求7所述的一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法，其特征在于：所述步骤五中根据移动舱段对接面和固定舱段 对接面相对于测量关节臂坐标系的关系获取移动舱段和固定舱段之间的相对位置和姿态，具体过程为：根据已知的 和 以及 和得到固定舱段对接面坐标系相对于移动舱段对接面坐标系的关系，由此求得固定舱段对接面相对于移动舱段对接面空间六自由度位置。
9.根据权利要求8所述的一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法，其特征在于：所述固定舱段对接面坐标系相对于移动舱段对接面坐标系的关系为：其中， 为 的逆矩阵。
说明书 :
一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法
技术领域
背景技术
节也是重要风险点，因此如何准确对接航天器对接舱成为本领域的研究重点。传统的航天
器对接舱对接方法主要采用人工调姿对接，但是传统的人工调姿对接工艺还存在无法精确
测量大舱段的位姿、无法精确计算大舱段位姿调整量，以及大舱段位移调整量无法实现量
化、操作同步性差、舱段姿态不能量化检测、装备集成化程度低等缺点，从而在很大程度上影响对接装配的精度和质量，因此无法获取准确的舱段间的位置关系和姿态是准确舱段对
接的主要难题。
的设备可能会对激光跟踪仪产生遮挡，因此这种测量方法会导致舱段对接面的位置精度较
低；同时在对接前，需要对靶标球进行粘贴，对接后需要对靶标球进行拆除，因此测量舱段相对位置关系的操作比较复杂，所以目前获取舱段间的相对位置关系还存在操作较复杂、
舱段对接面的位置精度较低从而导致舱段装配对接的效率低的问题。
发明内容
航天器舱段对接装配相对位姿测量方法。
置定位精度；由于最后输出的是固定舱段对接面相对于移动舱段对接面的相对位置关系，
测量关节臂的坐标系只起中间值的作用，所以无需固定测量关节臂的位置，简化了测量的
复杂操作，使测量更简便。本发明使用测量关节臂测量舱段的相对位置关系，无需在舱段上粘贴靶标、二维码等其他物体，不改变舱段的外观、气动等属性，无需对舱段进行特殊处理，提升了舱段装配对接的效率。
附图说明
具体实施方式
十微米级，所述测量关节臂输出测量点的空间三自由度坐标(图1)。一种航天器舱段对接装配相对位姿测量方法具体过程为：
步骤：
P01P021＝(0,‑D1,0)′，移动舱段对接面法向向量在移动舱段对接面关节臂坐标系下的矢量表示
是中间变量；
以及固定舱段对接面法向向量在测量关节臂坐标系
下的矢量表示 两个销孔轴线与固定舱段对接面交点P03、P04在固定舱
段对接面关节臂坐标系下形成的矢量为 固定舱段对接面法向向量
阵， 为中间变量；
置。