CN111707412B - 一种大型三轴气浮台转动惯量在线辨识***及惯量算法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大型三轴气浮台转动惯量在线辨识***及惯量算法，属于控制技术领域。本发明包括：三轴气浮台转动惯量辨识***的设计方案和三轴气浮台转动惯量算法推导。三轴气浮台转动惯量辨识***的设计方案，包括：数据处理***、显示***、支持与保护***、三轴气浮台姿态测控***、无线传输***、调平衡***和供电***。本发明一种大型三轴气浮台转动惯量在线辨识技术，能够对用于各***的不同大质量气浮台进行转动惯量的在线辨识，相较于已有的其他方案，可以在线的辨识转动惯量，并且在辨识过程中不需要对硬件结构进行变动。

Description

一种大型三轴气浮台转动惯量在线辨识***及惯量算法

技术领域

本发明涉及大型三轴气浮台转动惯量在线辨识技术，属于控制技术领域。

背景技术

三轴气浮台的转动惯量是其完成在地面对航天器仿真任务的重要物理量。三轴气浮台在安装好各类测量仪器后，需要对其进行调整平衡才可以工作，这一条件决定了三轴气浮台的转动惯量很难通过直接对质量进行分析得到，所以需要在气浮台安装好后对其转动惯量进行辨识，为其他算法中对气浮台转动惯量有需求的测量任务提供了基础。

申请公开号：CN105987788A、申请公布日2016年10月05号，公布了《三轴气浮台台体转动惯量在线识别装置》，利用六个质量块移动装置分别沿着三坐标轴进行三次等距移动的方法来完成对转动惯量特性的在线辨识，通过成对的质量块等距移动实现质心位置不变的前提下识别气浮台转动惯量。但是其需要对气浮台上的质量块进行移动，无法在不改变气浮台整体的情况下测量，并且在移动过程中很难保证气浮台质心依旧保持在气浮台回转中心，三次移动的过程中如果质心产生偏移会产生重力干扰力矩影响测量过程。

申请公开号：CN102620886A、申请公布日2012年08月01日，公布了《两步在轨辨识组合航天器转动惯量估计方法》选取航天器某一方向转动惯量作为基准，对转动惯量进行了归一化处理，通过EKF对***状态量进行滤波估计，采用最小二乘法进行辨识，但是需要将测量数据得到后进行离线辨识，不能进行在线辨识。

硕士学位论文《卫星及气浮台质量特性的在线辨识算法研究》，作者：王书廷2006年6月发表，以推力器作为执行机构，给出了考虑干扰力矩的气浮台转动惯量在线辨识方法，但是其用于仿真的气浮台转动惯量较小，并且对输入信号的具体选取方法不够详细。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种大型三轴气浮台转动惯量在线辨识技术。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本实施例所涉及的一种大型三轴气浮台转动惯量在线辨识***，包括，数据处理***、显示***、支持与保护***、三轴气浮台姿态测控***、无线传输***、调平衡***和供电***。上述各***之间的关系如下：数据处理***对台上测控***传来的输出信号进行数据处理以辨识转动惯量，显示***对数据处理***处理的数据在线显示，支持与保护***保证三轴气浮台工作时安全性和可靠性，三轴气浮台姿态测控***用于得到了地面微干扰力矩的环境，在地面模拟航天器的测量以及其姿态的控制，无线传输***用与台上测控***和台下上位机***的信息交换，调平衡***保证了三轴气浮台质心与气浮球回转中心重合，供电***为三轴气浮台姿态测控***和调平衡***进行供电。

三轴气浮台转动惯量算法：

转动惯量测量一次算法

辨识转动惯量的方案如下：利用飞轮作为***的执行器向气浮台输入，通过陀螺仪测量角速度作为***输出，由此建立下面动力学方程：

其中J_f为飞轮的转动惯量，ω_f为飞轮的转速，J为气浮台的转动惯量，ω为气浮台的角速度。在公式(2)中由于转动惯量很大并且辨识过程中始终以小角度进行姿态控制，故消除该公式中小量，并修改输入输出的位置可以得到：

其中J^-1为转动惯量矩阵的逆矩阵，该矩阵与转动惯量矩阵均为3×3的对称矩阵，对该矩阵进行变换可以得到：

J^-1＝[J₁₁ ^-1 J₂₂ ^-1 J₃₃ ^-1 J₁₂ ^-1 J₁₃ ^-1 J₂₃ ^-1]^T (5)

这其中转动惯量各值的逆均为符号表示，辨识得到公式(5)中各个值后还需要转换为3×3的对称矩阵再求逆得到实际的转动惯量矩阵。

通过上述分析得到了辨识转动惯量的最小二乘法表示形式。通过求逆的形式变换公式得以满足最小二乘法对输出的最小方差估计的特性，使辨识的精度更高。

转动惯量测量递推算法

上述推导中已经得到了最小二乘法的标准公式。用该公式重复测量需要计算次数多、时间长，还需要转换为递推最小二乘的方法来在线辨识转动惯量。通过上述的推导得到了如下类型的最小二乘法公式：

Y＝Φθ,θ＝(Φ^TΦ)^-1Φ^TY (6)

其中Y为输出的角加速度，Φ为由飞轮转速得到的力矩输入，θ为转动惯量矩阵的变形形式。递推公式推导如下：

我们令：

P(k)＝(Φ^T(k)Φ(k))^-1,θ(k)＝P(k)Φ^T(k)Y(k) (8)

将公式(7)与公式(8)带入到公式(6)中可以得到：

对公式(10)利用矩阵的求逆引理可以得到：

将上述公式带入到公式(6)中可以得到最小二乘法的递推公式：

其中取P(0)＝10¹⁰I,θ(0)＝0以满足递推最小二乘法原理。考虑到***噪声以及转动惯量参数会随干扰力矩以及温度等因素随时间变化，在递推最小二乘法的基础上，采用渐消记忆的递推最小二乘法实现更高精度的辨识。渐消记忆的最小二乘法递推公式如下：

其中λ为遗忘因子，取0到1的值，通过对转动惯量的预估进行仿真可以对遗忘因子选取具体数值。将该由***姿态推导的一次辨识方法中各值带入到公式(13)中即可在线的辨识得到转动惯量。

本发明一种大型三轴气浮台转动惯量在线辨识技术，能够对用于各***的不同大质量气浮台进行转动惯量的在线辨识，相较于前文提到的方案相比，可以在线的辨识转动惯量，并且在辨识过程中不需要对硬件结构进行变动。

附图说明

图1为本发明大型三轴气浮台转动惯量在线辨识***结构示意图。

图2为三轴气浮台结构示意图。

图3为数据处理***和显示***示意图，

图中的附图标记，1为数据处理***，2为显示***，3为支持与保护***，4为三轴气浮台姿态测控***，5为无线传输***，6为调平衡***，7为供电***。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例1

如图1—图3，本实施例所涉及的一种大型三轴气浮台转动惯量在线辨识技术，包括：三轴气浮台转动惯量辨识***的设计方案和三轴气浮台转动惯量算法推导。

三轴气浮台转动惯量辨识***的设计方案，包括，数据处理***1、显示***2、支持与保护***3、三轴气浮台姿态测控***4、无线传输***5、调平衡***6和供电***7。上述七个***之间的关系如下：数据处理***1对台上测控***传来的输出信号进行数据处理以辨识转动惯量，显示***2对数据处理***1处理的数据在线显示，支持与保护***3保证三轴气浮台工作时安全性和可靠性，三轴气浮台姿态测控***4用于得到了地面微干扰力矩的环境，在地面模拟航天器的测量以及其姿态的控制，无线传输***5用与台上测控***和台下上位机***的信息交换，调平衡***6保证了三轴气浮台质心与气浮球回转中心重合，供电***7为三轴气浮台姿态测控***4和调平衡***6进行供电。

实施例2

三轴气浮台转动惯量算法推导：

转动惯量测量一次算法

辨识转动惯量的方案如下：利用飞轮作为***的执行器向气浮台输入，通过陀螺仪测量角速度作为***输出，由此建立下面动力学方程：

其中J_f为飞轮的转动惯量，ω_f为飞轮的转速，J为气浮台的转动惯量，ω为气浮台的角速度。在公式(2)中由于转动惯量很大并且辨识过程中始终以小角度进行姿态控制，故消除该公式中小量，并修改输入输出的位置可以得到：

其中J^-1为转动惯量矩阵的逆矩阵，该矩阵与转动惯量矩阵均为3×3的对称矩阵，对该矩阵进行变换可以得到：

J^-1＝[J₁₁ ^-1 J₂₂ ^-1 J₃₃ ^-1 J₁₂ ^-1 J₁₃ ^-1 J₂₃ ^-1]^T (5)

这其中转动惯量各值的逆均为符号表示，辨识得到公式(5)中各个值后还需要转换为3×3的对称矩阵再求逆得到实际的转动惯量矩阵。

通过上述分析得到了辨识转动惯量的最小二乘法表示形式。通过求逆的形式变换公式得以满足最小二乘法对输出的最小方差估计的特性，使辨识的精度更高。

转动惯量测量递推算法

上述推导中已经得到了最小二乘法的标准公式。用该公式重复测量需要计算次数多、时间长，还需要转换为递推最小二乘的方法来在线辨识转动惯量。通过上述的推导得到了如下类型的最小二乘法公式：

Y＝Φθ,θ＝(Φ^TΦ)^-1Φ^TY (6)

其中Y为输出的角加速度，Φ为由飞轮转速得到的力矩输入，θ为转动惯量矩阵的变形形式。递推公式推导如下：

我们令：

P(k)＝(Φ^T(k)Φ(k))^-1,θ(k)＝P(k)Φ^T(k)Y(k) (8)

将公式(7)与公式(8)带入到公式(6)中可以得到：

对公式(10)利用矩阵的求逆引理可以得到：

将上述公式带入到公式(6)中可以得到最小二乘法的递推公式：

其中取P(0)＝10¹⁰I,θ(0)＝0以满足递推最小二乘法原理。考虑到***噪声以及转动惯量参数会随干扰力矩以及温度因素随时间变化，在递推最小二乘法的基础上，采用渐消记忆的递推最小二乘法实现更高精度的辨识。渐消记忆的最小二乘法递推公式如下：

其中λ为遗忘因子，取0到1的值，通过对转动惯量的预估进行仿真可以对遗忘因子选取具体数值。将该由***姿态推导的一次辨识方法中各值带入到公式(13)中即可在线的辨识得到转动惯量。

用于辨识的输入信号选取方式

本***利用既定的输入信号得到输出信号通过上述算法对转动惯量进行辨识，其中最为关键的为输入信号的选取。输入信号的选取要满足以下需求：

1)输入信号的阶数高于该***阶数。

2)信号需要在实际项目中能够用飞轮进行模拟。

3)该输入信号能够使转动惯量较大的气浮台产生合适姿态变化得到输出信号方便辨识。

通过以上条件，输入信号有两种选取方式。其一为利用多个频率不同的正弦信号进行叠加作为输入信号；其二为将高阶的伪随机的m序列作为激励用于飞轮的指令作为输入信号。

实施例3

本***对三轴气浮台进行转动惯量的辨识是为该气浮台完成其他任务所做的前提工作，由于三轴气浮台工作前需要进行调整平衡，转动惯量会有变化，故只要常规的由三轴气浮台构成的***中有本***所述的装置和功能，就能够在其他***完成所需要的硬件安装和调整平衡后对三轴气浮台进行转动惯量辨识。

本***采用台上测控***测量、台下上位机***计算显示控制、台上测控***和台下上位机***无线通信的结构。由台下上位机***发送指令，台上测控***控制飞轮产生控制力矩，由陀螺仪测量姿态变化，由台下上位机***运行辨识算法并显示这些数据在。本方法所给出的转动惯量辨识技术对大部分***中所用三轴气浮台均可辨识，故***的组成根据不同的气浮台***会有所不同，后文只描述一些必备的***组成。详细的***组成如下：

三轴气浮台姿态测控***

三轴气浮台姿态测控***由气浮球、仪表平台、飞轮、陀螺仪组成，其中飞轮和陀螺仪要按照台体坐标系的三个方向正交安装，外部供气将气浮球和仪表平台托起，得到了地面微干扰力矩的环境，在此环境下能够在地面模拟航天器并能够测量以及控制其姿态，得到了待辨识的气浮台的工作环境。

支撑与保护***

三轴气浮台的核心部件仪表平台和气浮球轴承的安全性是***的关键问题之一，该***保证了三轴气浮台工作时安全性和可靠性。

保护***由仪表平台下的伞状支撑组成，通过控制电机控制伞状部分的张开角度，从而控制仪表平台的角度变化范围。

支撑***由三台同步千斤顶及其驱动控制***组成，在非工作状态时，千斤顶同步升起，使气浮球脱离轴承座对***进行保护。在工作状态下，气浮台***供气后放下千斤顶使其处于工作状态。

调平衡***

三轴气浮台能够完成对航天器的模拟需要其质心与气浮球回转中心重合，本***的辨识任务也建立在该基础上，故需要先对气浮台调整平衡。

调平衡***由多个配重块和直线模组组成，在粗调平衡时，观察气浮台的倾斜情况去调整配重块位置，粗调平衡后，通过直线模组调整滑块位置，进行精调平衡，保证气浮台的平衡。

供电***

为了将气浮台***完全与台下隔离以完成辨识任务，气浮台与台下不能有任何有线连接，故供电***需要用锂电池与二次电源为台上各个设备进行供电。

无线传输***

在保证气浮台***的独立的情况下，需要对气浮台上设备发出指令，并得到台上的数据，通过无线通讯的方式，由台下上位机控制台上工控机执行操作。台上工控机将采集得到的数据由无线传输***发送至台下，由台下进行数据处理及显示的工作。

台下数据处理与显示***

台下上位机向台上发送飞轮指令产生输入信号作用于***中，并对台上传来的输出信号进行数据处理以辨识转动惯量，同时在线的显示出来。

具体测量步骤

1.按要求安装硬件设备，调整配重块使气浮台质心接近气浮球几何中心。

2.台上测控***中供电***上电、台下上位机***与支撑保护***上电，台上测控***台下上位机***通讯连接。

3.给三轴气浮台供气，使其浮起。

4.打开伞状支撑，放下千斤顶。

5.精确调整气浮台平衡。

6.向台上测控***发送飞轮指令，开始辨识任务。

7.台下上位机***在线的辨识转动惯量并显示。

8.辨识结束后，升起千斤顶，收起伞状支撑，停止气浮台供气。

9.关闭电源，结束全部工作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种大型三轴气浮台转动惯量在线辨识***，其特征在于，包括：数据处理***(1)、显示***(2)、支持与保护***(3)、三轴气浮台姿态测控***(4)、无线传输***(5)、调平衡***(6)和供电***(7)，上述七个***之间的关系如下：数据处理***(1)对台上测控***传来的输出信号进行数据处理以辨识转动惯量，显示***(2)对数据处理***(1)处理的数据在线显示，支持与保护***(3)保证三轴气浮台工作时安全性和可靠性，保护***由仪表平台下的伞状支撑组成，支持***由三台同步千斤顶及其驱动控制***组成；三轴气浮台姿态测控***(4)用于得到了地面微干扰力矩的环境，在地面模拟航天器的测量以及其姿态的控制，无线传输***(5)用于台上测控***和台下上位机***的信息交换，调平衡***(6)保证了三轴气浮台质心与气浮球回转中心重合，供电***(7)为三轴气浮台姿态测控***(4)和调平衡***(6)进行供电。

2.一种使用权利要求1所述的一种大型三轴气浮台转动惯量在线辨识***的三轴气浮台转动惯量算法，其特征在于，转动惯量测量一次算法，辨识转动惯量的方案如下：利用飞轮作为***的执行器向气浮台输入，通过陀螺仪测量角速度作为***输出，由此建立下面动力学方程：

其中J_f为飞轮的转动惯量，ω_f为飞轮的转速，J为气浮台的转动惯量，ω为气浮台的角速度，在公式(2)中由于转动惯量很大并且辨识过程中始终以小角度进行姿态控制，故消除该公式中小量，并修改输入输出的位置可以得到：

其中J^-1为转动惯量矩阵的逆矩阵，该矩阵与转动惯量矩阵均为3×3的对称矩阵，对该矩阵进行变换可以得到：

J^-1＝[J₁₁ ^-1 J₂₂ ^-1 J₃₃ ^-1 J₁₂ ^-1 J₁₃ ^-1 J₂₃ ^-1]^T (5)

这其中转动惯量各值的逆均为符号表示，辨识得到公式(5)中各个值后还需要转换为3×3的对称矩阵再求逆得到实际的转动惯量矩阵；

通过上述分析得到了辨识转动惯量的最小二乘法表示形式，通过求逆的形式变换公式得以满足最小二乘法对输出的最小方差估计的特性，使辨识的精度更高；

转动惯量测量递推算法，上述推导中已经得到了最小二乘法的标准公式，用该公式重复测量需要计算次数多、时间长，还需要转换为递推最小二乘的方法来在线辨识转动惯量，通过上述的推导得到了如下类型的最小二乘法公式：

Y＝Φθ,θ＝(Φ^TΦ)^-1Φ^TY (6)

其中Y为输出的角加速度，Φ为由飞轮转速得到的力矩输入，θ为转动惯量矩阵的变形形式，递推公式推导如下：

我们令：

P(k)＝(Φ^T(k)Φ(k))^-1,θ(k)＝P(k)Φ^T(k)Y(k) (8)

将公式(7)与公式(8)带入到公式(6)中可以得到：

对公式(10)利用矩阵的求逆引理可以得到：

将上述公式带入到公式(6)中可以得到最小二乘法的递推公式：

其中取P(0)＝1010I,θ(0)＝0以满足递推最小二乘法原理，考虑到***噪声以及转动惯量参数会随干扰力矩以及温度因素随时间变化，在递推最小二乘法的基础上，采用渐消记忆的递推最小二乘法实现更高精度的辨识，渐消记忆的最小二乘法递推公式如下：

其中λ为遗忘因子，取0到1的值，通过对转动惯量的预估进行仿真可以对遗忘因子选取具体数值，将该由***姿态推导的一次辨识方法中各值带入到公式(13)中即可在线的辨识得到转动惯量。

3.根据权利要求2所述的三轴气浮台转动惯量算法，其特征在于，用于辨识的输入信号选取要满足以下需求：

1)输入信号的阶数高于该***阶数；

2)信号需要在实际项目中能够用飞轮进行模拟；

3)该输入信号能够使转动惯量较大的气浮台产生合适姿态变化得到输出信号方便辨识；

故输入信号为利用多个频率不同的正弦信号进行叠加或为将高阶的伪随机的m序列作为激励用于飞轮的指令作为输入信号。

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