一种四自由度空间至六自由度空间的三维坐标传递方法技术

本发明专利技术公开了一种四自由度空间至六自由度空间的三维坐标传递方法，属于空间测量领域；包括测量场点在四自由度空间坐标系中的三维坐标、四自由度空间坐标系纵轴旋转角度θh、参考运动坐标系原点与四自由度空间坐标原点连线的长度及其与纵轴的夹角；通过坐标传递矩阵，将场点坐标从四自由度空间传递至参考运动坐标系；根据参考运动坐标系纵轴旋转角度φz，获得实时运动坐标系，实现场点坐标从参考运动坐标系向实时运动坐标系的传递；最后，通过改变θh和φz的角度值，获得六自由度空间三维坐标的全空间表述。本发明专利技术解决了基于四自由度系统实现复杂六自由度系统功能的工程问题；使四自由度系统低成本地实现六自由度系统功能进入可实施的技术阶段。

A Three-dimensional Coordinate Transfer Method from Four-degree-of-freedom Space to Six-degree-of-freedom Space

The invention discloses a three-dimensional coordinate transfer method from Four-Degree-of-Freedom space to six-degree-of-freedom space, which belongs to the field of space measurement, including three-dimensional coordinates of measuring field points in Four-Degree-of-Freedom space coordinate system, rotation angle of vertical axis of Four-Degree-of-Freedom space coordinate system, length of connection between reference motion coordinate system origin and Four-Degree-of-Freedom space coordinate origin and its angle with vertical axis. The coordinate transfer matrix transfers the coordinates of field points from Four-Degree-of-Freedom space to the reference motion coordinate system; obtains the real-time motion coordinate system according to the rotation angle of the longitudinal axis of the reference motion coordinate system z, realizes the transfer of the coordinates of field points from the reference motion coordinate system to the real-time motion coordinate system; finally, obtains the full-space expression of the three-dimensional coordinates of six-degree-of-freedom space by changing the angle values of theta h and_z \u3002 The invention solves the engineering problem of realizing the functions of a complex six-degree-of-freedom system based on a Four-Degree-of-Freedom system, and enables the Four-Degree-of-Freedom system to realize the functions of a six-degree-of-freedom system at a low cost to enter an implementable technical stage.

【技术实现步骤摘要】
一种四自由度空间至六自由度空间的三维坐标传递方法
本专利技术涉及空间测量领域，具体涉及一种四自由度空间至六自由度空间的三维坐标传递方法。
技术介绍
四自由度测控平台是目前多个
中应用非常广泛的必要装备，如室内台架试验平台、水池试验设备安装平台、装备计量测试平台等，但随着测量、测试要求的不断提高，对更多自由度测控平台提出了更迫切的需求。实际工程应用中，六个自由度即可以完整地描述物体的运动状态，建造六自由度测控系统可以满足绝大多数领域的工程需求，但与四自由度系统相比，六自由度系统实现的技术复杂度、实现技术难度、建造成本等都会大幅提高，不利于推广应用，特别是对于一些规模小、经济实力弱的企业单位，实现工程应用困难。本专利技术针对可实现前后向(-x、x轴向)、左右向(-y、y轴向)、上下向(-z、z轴向)以及绕垂直向旋转(绕z轴旋转)的四自由度测控平台，提出一种可基于上述四自由度平台系统实现六自由度系统功能的自由度空间三维坐标传递方法，该项技术利用传递矩阵实现了四自由度空间场点三维坐标向六自由度空间的传递，支撑了采用四自由度平台实现六自由度测控方案的实施。本专利技术的提出，可有效解决目前各领域普遍对六自由度测控系统的迫切需求问题，从而可基于已有四自由度系统平台通过软件升级和简单的硬件改造实现六自由度测控能力，达到了既简便易行，又节约成本，还可实现更多自由度完整表达的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的是实现四自由度空间至六自由度空间的三维坐标传递，为基于四自由度系统实现六自由度系统功能提供实时方案。一种四自由度空间至六自由度空间的三维坐标传递方法，包括以下步骤：步骤一：测量场点在四自由度空间坐标系中的三维坐标(xp,yp,zp)、四自由度空间坐标系纵轴旋转角度θh、参考运动坐标系原点与四自由度空间坐标原点连线的长度d及其与纵轴的夹角θz；步骤二：通过坐标传递矩阵A(θh,θz,d)，将场点坐标(xp,yp,zp)从四自由度空间传递至参考运动坐标系，获得场点在参考运动坐标系下的三维坐标(xp_k,yp_k,zp_k)；步骤三：根据参考运动坐标系绕纵轴旋转的角度φz，获得实时运动坐标系，利用坐标传递矩阵实现场点坐标(xp_k,yp_k,zp_k)从参考运动坐标系向实时运动坐标系的传递，获得实时运动坐标系下六自由度空间的场点三维坐标(x’k,y’k,z’k)；步骤四：通过改变θh和φz的角度值，重复步骤二、步骤三过程，最终获得场点在六自由度空间的三维坐标序列，在实时运动坐标系中获得六自由度空间三维坐标的全空间表述。所述步骤二中的通过坐标传递矩阵A(θh,θz,d)，将场点坐标(xp,yp,zp)从四自由度空间传递至参考运动坐标系，获得场点在参考运动坐标系下的三维坐标(xp_k,yp_k,zp_k)，实现步骤如下：CMS(xp_k,yp_k,zp_k)＝A(θh,θz,d)*C4D(xp,yp,zp)其中，CMS(xp_k,yp_k,zp_k)＝[xp_kyp_kzp_k1]T为参考运动坐标系下场点的三维空间表示，C4D(xp,yp,zp)＝[xpypzp1]T为四自由度空间坐标系下场点的三维空间表示，A(θh,θz,d)为此流程的传递矩阵，公式为：上式中，θy＝arcsin(sinθzsinθh)，所述步骤三中的根据参考运动坐标系绕纵轴旋转的角度φz，获得实时运动坐标系，利用坐标传递矩阵实现场点坐标(xp_k,yp_k,zp_k)从参考运动坐标系向实时运动坐标系的传递，实现步骤如下：其中，C6D(x′p,y′p,z′p)＝[x′py′pz′p]T为实时运动坐标系下场点的三维空间表示，为此过程的传递矩阵，表示如下：本专利技术的有益效果在于：本专利技术的一种四自由度空间至六自由度空间的三维坐标传递方法，解决了包括前后向、左右向、上下向以及绕垂直轴向旋转的四自由度空间中场点坐标，至包括前后向、左右向、上下向以及绕三个方向旋转角度的六自由度空间三维坐标的传递问题，从数学模型及操作流程方面支撑了基于上述四自由度系统实现六自由度系统功能方案的实施，使采用以建设有的四自由度系统低成本地实现六自由度系统功能进入可实施的技术阶段，不仅有利于推动应用多自由度测控装置的测试、测量、试验、计量等领域相关技术的发展，而且带来了可观的经济效益和社会效益。附图说明图1为本专利技术的四自由度空间至六自由度空间三维坐标传递流程；图2为本专利技术的四自由度空间至六自由度空间三维坐标传递数学模型；图3为本专利技术的时仿真条件下场点在六自由度空间的三维分布图；图4为本专利技术的时仿真条件下场点在六自由度空间的三维分布图。具体实施方式本专利技术涉及一种四自由度空间至六自由度空间的三维坐标传递方法，包括测量场点在四自由度空间坐标系中的三维坐标、四自由度空间坐标系纵轴旋转角度θh、参考运动坐标系原点与四自由度空间坐标原点连线的长度及其与纵轴的夹角；然后，通过坐标传递矩阵，将场点坐标从四自由度空间传递至参考运动坐标系；接着，根据参考运动坐标系纵轴旋转角度获得实时运动坐标系，实现场点坐标从参考运动坐标系向实时运动坐标系的传递；最后，通过改变θh和的角度值，在实时运动坐标系中获得六自由度空间三维坐标的全空间表述。根据本专利技术所述的三维坐标传递方法，建立了四自由度空间向六自由度空间三维坐标传递的数学模型，解决了基于四自由度系统实现复杂六自由度系统功能的工程问题。下面结合附图对本专利技术做进一步描述。实施例1：如图1所示，本专利技术所述的一种四自由度空间至六自由度空间的三维坐标传递方法，包括如下步骤：(1)测量场点P在四自由度空间坐标系oxyz中的三维坐标(xp,yp,zp)、四自由度空间坐标系纵轴旋转角度θh、参考运动坐标系okxkykzk原点ok与四自由度空间坐标原点o间连线的长度d及其与纵轴的夹角θz，如图2所示；(2)通过坐标传递矩阵A(θh,θz,d)，将场点P的坐标(xp,yp,zp)从四自由度空间传递至参考运动坐标系okxkykzk，获得场点P在参考运动坐标系okxkykzk下的三维坐标(xp_k,yp_k,zp_k)，具体流程表示为：CMS(xp_k,yp_k,zp_k)＝A(θh,θz,d)*C4D(xp,yp,zp)其中，CMS(xp_k,yp_k,zp_k)＝[xp_kyp_kzp_k1]T为参考运动坐标系下场点的三维空间表示，C4D(xp,yp,zp)＝[xpypzp1]T为四自由度空间坐标系下场点的三维空间表示，A(θh,θz,d)为此流程的传递矩阵，表示如下：上式中，θy＝arcsin(sinθzsinθh)，(3)根据参考运动坐标系绕纵轴旋转的角度获得实时运动坐标系o’kx’ky’kz’k，利用坐标传递矩阵实现场点坐标(xp_k,yp_k,zp_k)从参考运动坐标系okxkykzk向实时运动坐标系o’kx’ky’kz’k的传递，获得实时运动坐标系o’kx’ky’kz’k下六自由度空间的场点三维坐标(x’k,y’k,z’k)，具体流程表示为：其中，C6D(x′p,y′p,z′p)＝[x′py′pz′p]T为实时运动坐标系o’kx’ky’kz’k中场点P的三维空间表示，为此过程的传递矩阵，表示如下：(4)通过改变θh和的角度值，重复(2)、(3)过程，最终获得场点在六自由度空间的三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四自由度空间至六自由度空间的三维坐标传递方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：测量场点在四自由度空间坐标系中的三维坐标(xp,yp,zp)、四自由度空间坐标系纵轴旋转角度θh、参考运动坐标系原点与四自由度空间坐标原点连线的长度d及其与纵轴的夹角θz；步骤二：通过坐标传递矩阵A(θh,θz,d)，将场点坐标(xp,yp,zp)从四自由度空间传递至参考运动坐标系，获得场点在参考运动坐标系下的三维坐标(xp_k,yp_k,zp_k)；步骤三：根据参考运动坐标系绕纵轴旋转的角度φz，获得实时运动坐标系，利用坐标传递矩阵

【技术特征摘要】
1.一种四自由度空间至六自由度空间的三维坐标传递方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：测量场点在四自由度空间坐标系中的三维坐标(xp,yp,zp)、四自由度空间坐标系纵轴旋转角度θh、参考运动坐标系原点与四自由度空间坐标原点连线的长度d及其与纵轴的夹角θz；步骤二：通过坐标传递矩阵A(θh,θz,d)，将场点坐标(xp,yp,zp)从四自由度空间传递至参考运动坐标系，获得场点在参考运动坐标系下的三维坐标(xp_k,yp_k,zp_k)；步骤三：根据参考运动坐标系绕纵轴旋转的角度φz，获得实时运动坐标系，利用坐标传递矩阵实现场点坐标(xp_k,yp_k,zp_k)从参考运动坐标系向实时运动坐标系的传递，获得实时运动坐标系下六自由度空间的场点三维坐标(x’k,y’k,z’k)；步骤四：通过改变θh和φz的角度值，重复步骤二、步骤三过程，最终获得场点在六自由度空间的三维坐标序列，在实时运动坐标系中获得六自由度空间三维坐标的全空间表述。2.根据权利要求1所述的一种四自由度空间至六自由度空间的三维坐标传递方法，其特征在于，所述步骤二中的通过坐标传递矩阵A(θ...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建军，王文彤，李海森，梁景然，白嵩，魏波，马晶鑫，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23