一种基于虚拟基准的太阳帆板平面度测量仪

　　1　引言

　　卫星在太空中获得能量是靠伸展开的六块太阳帆板上的太阳电池提供的,但卫星在发射以前和发射过程中,这六块帆板是每三块紧密折叠在一起的,以减少体积。为了保证太阳电池粘贴牢固和帆板间折叠严密,需要对帆板的平面度进行检测,检测精度要求小于0.1mm。由于太阳帆板面积大(2581×1755mm),刚性低,不能承受外界压力,这就决定了只能采用非接触式方法对帆板平面度进行检测,且要实现对大面积工件测量,大都需要高精度、大跨度导轨作为测量基准。

　　对太阳帆板这一特殊工件表面平面度专用测试仪的开发,目前国内还没有先例,国外也未见公开报道。国外对太阳帆板平面度的测试主要借助于龙门式框架结构或精密导轨提供测量基准,这些方法虽然测试效率和精度较高,但测试系统复杂,成本十分昂贵。

　　针对具体任务要求,该系统必须从结构上突破传统方案的束缚,使测试系统具有可靠性高、测试和调试灵活方便以及成本低等特点。为了避开导轨这一复杂设备,而又解决测量基准问题,在现有测量条件下,本文利用放置帆板的平台(精度较差)作为初略基准,通过自校正的方法,在计算机内建立高精度的虚拟基准或数学基准,从而解决了没有导轨前提下的测量基准问题。

　　2　测量系统基本原理

　　2.1　系统基本组成

　　太阳帆板平面度测量系统主要包括测量仪器和计算机系统两部分。其中测量仪器的实物照片如图1所示,主要包括专用激光光源、CCD摄像机及俯仰和横滚角度传感器(电子水平仪)等部分;计算机系统主要包括图像采集卡、角度传感器的通信转换卡以及系统软件等部分。

　　2.2　系统基本原理及分辨率

　　本测量系统的基本原理是基于一种特殊结构的激光三角交会原理,仪器的结构设计参数为:激光和摄像机光轴之间的夹角为θ0,激光和摄像机光轴所确定的平面与水平面之间的夹角为α(图1、图2)。根据几何关系,被测面的高度变化为z,但CCD实际分辨的是x,高度变化为z的平面截激光光束长度为y,则有:

　　设物距和像距分别为a和b,CCD上光斑图像几何中心偏移量为d,由以上关系式可以得到光斑图像几何中心偏移量d和被测面高度变化z之间的关系:

　　由此可以看出,通过CCD上光斑中心位置变化d,可以得到被照射点处高度变化z,而且通过增大激光和摄像机光轴之间的夹角H0,或者减少激光和摄像机光轴所确定的平面与水平面之间的夹角A,可以使被测面高度变化引起的光点偏移量得到放大,提高分辨率。

　　2.3　虚拟基准的建立

　　为了满足系统特定要求,本测试系统省掉了传统的导轨,而是利用放置太阳帆板的大平台作为测量仪器的载体和初略基准,而平台精度较差(平面度为0.3mm,大于帆板0.1mm的精度要求),因而造成了基准误差。基准误差主要是平台本身的起伏不平造成的,具体表现在两个方面:一是平台每个位置相对其理想平面的高度变化;另一方面是表面倾斜或角度变化造成的影响。由于该系统测量范围很大(仪器距被测点或光斑之间距离将近1m),而仪器在平台上的位置是不确定的,因此仪器在测量过程中即使是很小的角度变化,也会造成被测点处光斑的明显偏移,这是该系统的一项最主要误差因素。通过安装在仪器上的角度传感器对测量结果进行校正,在计算机中建立高精度的虚拟基准或数学基准,达到了大范围高精度测量而又不需要导轨的目的。主要测试过程和原理如下: