CN104197955A

CN104197955A - 全自动三轴气浮台微干扰力矩测量***及方法

Info

Publication number: CN104197955A
Application number: CN201410398151.7A
Authority: CN
Inventors: 李太平; 徐俊; 倪华晨; 洪岩; 程世祥
Original assignee: Shanghai Institute of Satellite Equipment
Current assignee: Shanghai Institute of Satellite Equipment
Priority date: 2014-08-13
Filing date: 2014-08-13
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2034-08-13
Also published as: CN104197955B

Abstract

本发明公开一种全自动三轴气浮台微干扰力矩测量***及方法，包括气浮球和球窝，在所述气浮球上安装一个陀螺，用于测量三个方向的角速度ω_m，气浮球上安装三个配平质量块m₁、m₂、m₃和喷气***，所述气浮球、陀螺、质量块以及喷气***所构成的***在气浮球坐标下的转动惯量矩阵为一个3×3的矩阵I_a，所述喷气***使得气浮球产生一个初始角速度，通过所述陀螺测量气浮球在转动过程中的气浮球的角速度ω_m，并根据I_a计算出三个方向的干扰力矩。本发明所提供的***及方法，利用全转动时，对称结构所形成的章动，可以有效地解决气浮球轴承与球窝之间的干涉问题，可以实现在小角度的范围内测量气浮球轴承的干扰力矩。

Description

全自动三轴气浮台微干扰力矩测量***及方法

技术领域

本发明涉及测量微量级的干扰力矩，更具体的涉及一种三轴气浮台等需要精确测量各个方向干扰力矩，同时单轴测量时存在机械干涉、难以测量的情况。

背景技术

三轴气浮台作为研制高精度航天器、验证姿控***和补偿算法的有效地面测试设备，需要精确地测量其各个方向的干扰力矩。现在工程实践一般根据测量纵向的干扰力矩，但是由于干扰力矩T_d的量级很小，陀螺等测角速率类的仪器的测角速率的精度有限，通过该种方法测量干扰力矩时，需要经过较长时间的积分，才能测量出由于T_d所造成的ω的变化，进而反映到T_d上，但是由于积分时间很长，气浮球需要转过很大的角度，所以，该种方法在水平两个方向上并不适用，否则气浮球将撞击到球窝上。目前工程上尚无有效地手段解决此类问题，一般默认三个方向的干扰力矩一致，缺乏试验数据支持。

发明内容

本发明针对上述的现有技术中的不足，提供一种全自动三轴气浮台微干扰力矩测量***及方法，用于测量三轴气浮台气浮球轴承三个转动自由度方向上的干扰力矩的大小。该***及方法，利用全转动时，对称结构所形成的章动，可以有效地解决气浮球轴承与球窝之间的干涉问题，可以实现在小角度的范围内测量气浮球轴承的干扰力矩。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种全自动三轴气浮台微干扰力矩测量***，包括气浮球和球窝，在所述气浮球上安装一个陀螺，用于测量三个方向的角速度ω_m，气浮球上安装三个配平质量块m₁、m₂、m₃和喷气***，所述气浮球、陀螺、质量块以及喷气***所构成的***在气浮球坐标下的转动惯量矩阵为一个3×3的矩阵I_a，所述喷气***使得气浮球产生一个初始角速度，通过所述陀螺测量气浮球在转动过程中的气浮球的角速度ω_m，并根据I_a计算出三个方向的干扰力矩。

一种全自动三轴气浮台微干扰力矩测量方法，通过如权利要求1所述的***来完成，采用三轴同时转动，避免球窝边缘和球边缘的触碰，具体步骤如下：

1)球窝通过特定的连接端面固定于地面；

2)在气浮球上安装陀螺；

3)通过调整气浮球上端面上的质量块m₁、m₂和m₃的位置和配重，使得整个***的转动惯量矩阵在x、y、z三个方向满足I_xy＝0、I_yz＝0、I_zx＝0、I_yy＝I_zz；

4)按照如下公式估算气浮球的初始角速度ω_s0＝[ω_x0 ω_y0 ω_z0]^T：

(1)给定合适的ω_z0，并假设ω_x0＝ω_y0＝αω_z0，其中α为一个未知的常数；

(2)气浮球水平向允许的转角的幅值为β，按照初始三个姿态角均为0，则按照下式确定α：

\arctan α + \arctan \frac{\sqrt{2} I_{zz} α}{I_{xx}} < β;

如果初始时刻气浮球存在一定的偏角，使得整个***的角动量的方向指向天顶，则确定α时的公式为：

5)通过喷气***使得整个气浮台有一个上述4)中的初始角速率；

6)通过陀螺测量台体角速率在整个过程的变化，按照下式计算三轴姿态角ω：

[\begin{matrix} \overset{\cdot}{φ} \\ \overset{\cdot}{θ} \\ \overset{\cdot}{ψ} \end{matrix}] = \frac{1}{\cos θ} [\begin{matrix} 1 & 0 & - \sin θ \sin φ \\ 0 & \cos θ \cos φ & - \cos θ \sin φ \\ 0 & \sin φ & \cos φ \end{matrix}] [\begin{matrix} ω_{x} \\ ω_{y} \\ ω_{z} \end{matrix}];

7)按照下式计算干扰力矩在本体系下的分量：

T_{b} = I \overset{\cdot}{ω} + ω \times I_{a} ω;

8)按照下式计算干扰力矩在惯性系下的分量

T_{i} = [\begin{matrix} \cos θ \cos ψ & \cos θ \sin ψ & - \sin θ \\ - \cos φ \sin ψ + \sin φ \sin θ \cos ψ & \cos φ \cos ψ + \sin \sin θ \sin ψ & \sin φ \cos θ \\ \sin φ \sin ψ + \cos φ \sin θ \cos ψ & - \sin φ \sin ψ + \cos \sin θ \sin ψ & \cos φ \cos θ \end{matrix}] T_{b},

式

中，ψ-θ-φ依次为按照z-y-x顺利转动的三轴姿态角。

所述质量块的数量可以适当增加，只需要满足最终I_xy＝0、I_yz＝0、I_zx＝0、I_yy＝I_zz即可。

本发明所公开的***及方法，利用全转动时，对称结构所形成的章动，可以有效地解决气浮球轴承与球窝之间的干涉问题，可以实现在小角度的范围内测量气浮球轴承的干扰力矩。

附图说明

图1是本发明气浮球安装就位示意图；

图2是气浮球安装就位剖面示意图。

其中：1-陀螺，2-气浮球上端面，3-气浮球，4-球窝，5-连接端面，6-质量块m₁，7-质量块m₂，8-质量块m₃，9-气浮球边缘，10-球和球窝之间的缝隙，11-球窝边缘，12-进气孔。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～图2所示，本发明所提供的全自动三轴气浮台微干扰力矩测量***，包括气浮球3和球窝4，在气浮球3上安装一个陀螺1，用于测量三个方向的角速度ω_m，气浮球3上安装三个配平质量块m₁6、m₂7、m₃8和喷气***(图中未示意出)，气浮球3、陀螺1、三个质量块以及喷气***所构成的***在气浮球坐标下的转动惯量矩阵为一个3×3的矩阵I_a，喷气***使得气浮球产生一个初始角速度，通过陀螺1测量气浮球在转动过程中的气浮球的角速度ω_m，并根据I_a计算出三个方向的干扰力矩。

进气孔12内吹入高压气体，高压气体在球3和球窝4之间缝隙10中形成一定的气膜，一般的干扰力矩测量方法在测量水平方向时会使得球边缘9碰到球窝边缘11而导致无法测量。本发明所提供的全自动三轴气浮台微干扰力矩测量方法，采用三轴同时转动，避免了球窝边缘和球边缘的触碰。具体包括步骤如下：

1)球窝通过特定的连接端面5固定于地面；

2)在气浮球上安装陀螺1；

3)通过调整气浮球上端面2上的质量块m₁6、m₂7和m₃8的位置和配重，使得整个***的转动惯量矩阵按照图1所示的x、y、z三个方向满足I_xy＝0、I_yz＝0、I_zx＝0、I_yy＝I_zz。此处质量块的数量可以适当增加，只需要满足最终I_xy＝0、I_yz＝0、I_zx＝0、I_yy＝I_zz即可；

(1)、给定合适的ω_z0，并假设ω_x0＝ω_y0＝αω_z0，其中α为一个未知的常数；

(2)、气浮球水平向允许的转角的幅值为β，则按照下式确定α：

\arctan α + \arctan \frac{\sqrt{2} I_{zz} α}{I_{xx}} < β;

5)通过喷气***(图中未画出)使得整个气浮台有一个4中的初始角速率；

[\begin{matrix} \overset{\cdot}{φ} \\ \overset{\cdot}{θ} \\ \overset{\cdot}{ψ} \end{matrix}] = \frac{1}{\cos θ} [\begin{matrix} 1 & 0 & - \sin θ \sin φ \\ 0 & \cos θ \cos φ & - \cos θ \sin φ \\ 0 & \sin φ & \cos φ \end{matrix}] [\begin{matrix} ω_{x} \\ ω_{y} \\ ω_{z} \end{matrix}];

7)按照下式计算干扰力矩在本体系下的分量：

T_{b} = I \overset{\cdot}{ω} + ω \times I_{a} ω;

8)按照下式计算干扰力矩在惯性系下的分量

T_{i} = [\begin{matrix} \cos θ \cos ψ & \cos θ \sin ψ & - \sin θ \\ - \cos φ \sin ψ + \sin φ \sin θ \cos ψ & \cos φ \cos ψ + \sin \sin θ \sin ψ & \sin φ \cos θ \\ \sin φ \sin ψ + \cos φ \sin θ \cos ψ & - \sin φ \sin ψ + \cos \sin θ \sin ψ & \cos φ \cos θ \end{matrix}] T_{b},

式

中：式中，ψ-θ-φ依次为按照z-y-x顺利转动的三轴姿态角。

上述第4)步第(2)条中，计算公式是按照初始三个姿态角均为0，如果初始时刻气浮球存在一定的偏角，使得整个***的角动量的方向指向天顶，则确定α时的公式应改写为：

\arctan \frac{\sqrt{2} I_{zz} α}{I_{xx}} < β .

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种全自动三轴气浮台微干扰力矩测量***，包括气浮球和球窝，其特征在于，在所述气浮球上安装一个陀螺，用于测量三个方向的角速度ω_m，气浮球上安装三个配平质量块m₁、m₂、m₃和喷气***，所述气浮球、陀螺、质量块以及喷气***所构成的***在气浮球坐标下的转动惯量矩阵为一个3×3的矩阵I_a，所述喷气***使得气浮球产生一个初始角速度，通过所述陀螺测量气浮球在转动过程中的气浮球的角速度ω_m，并根据I_a计算出三个方向的干扰力矩。

2.一种全自动三轴气浮台微干扰力矩测量方法，其特征在于，通过如权利要求1所述的***来完成，采用三轴同时转动，避免球窝边缘和球边缘的触碰，具体步骤如下：

1)球窝通过特定的连接端面固定于地面；

2)在气浮球上安装陀螺；

\arctan α + \arctan \frac{\sqrt{2} I_{zz} α}{I_{xx}} < β;

5)通过喷气***使得整个气浮台有一个上述4)中的初始角速率；

[\begin{matrix} \overset{\cdot}{φ} \\ \overset{\cdot}{θ} \\ \overset{\cdot}{ψ} \end{matrix}] = \frac{1}{\cos θ} [\begin{matrix} 1 & 0 & - \sin θ \sin φ \\ 0 & \cos θ \cos φ & - \cos θ \sin φ \\ 0 & \sin φ & \cos φ \end{matrix}] [\begin{matrix} ω_{x} \\ ω_{y} \\ ω_{z} \end{matrix}];

7)按照下式计算干扰力矩在本体系下的分量：

T_{b} = I \overset{\cdot}{ω} + ω \times I_{a} ω;

8)按照下式计算干扰力矩在惯性系下的分量

T_{i} = [\begin{matrix} \cos θ \cos ψ & \cos θ \sin ψ & - \sin θ \\ - \cos φ \sin ψ + \sin φ \sin θ \cos ψ & \cos φ \cos ψ + \sin \sin θ \sin ψ & \sin φ \cos θ \\ \sin φ \sin ψ + \cos φ \sin θ \cos ψ & - \sin φ \sin ψ + \cos \sin θ \sin ψ & \cos φ \cos θ \end{matrix}] T_{b},

式

中：ψ-θ-φ依次为按照z-y-x顺利转动的三轴姿态角。

3.根据权利要求1所述的全自动三轴气浮台微干扰力矩测量方法，其特征在于，所述质量块的数量能适当增加，只需要满足最终I_xy＝0、I_yz＝0、I_zx＝0、I_yy＝I_zz即可。