CN112985694A - 三轴气浮台质心调平衡的方法及*** - Google Patents

三轴气浮台质心调平衡的方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种三轴气浮台质心调平衡的方法及***，其中，三轴气浮台质心调平衡的方法包括如下步骤：步骤1.将三轴气浮台处于水平状态进行飞轮轮控，根据第一姿态测量仪所测姿态进行水平方向调平衡；步骤2：利用飞轮轮控将三轴气浮台倾斜偏置角度，根据第二姿态测量仪所测姿态进行竖直方向调平衡。本发明不依赖于三轴气浮台的质量特性，采用激光跟踪仪与自准直仪联合定姿，提高了调节精度，能够快速消除重力干扰力矩的影响，缩短了调节时间，能够为后续的全物理地面仿真试验提供保障。

Description

三轴气浮台质心调平衡的方法及***
技术领域
本发明涉及刚体动力学和姿态控制，具体地，涉及一种三轴气浮台质心调平衡的方法及***。
背景技术
三轴气浮台利用气浮球轴承形成近似无摩擦环境，用于模拟零重力、无摩擦的太空环境，实现三轴自由转动，广泛用于航天器的地面全物理仿真试验。由于采用球面气浮轴支撑台面,气浮台步进可以模拟卫星的姿态运动，还能够有效模拟卫星姿态藕合力学。
当三轴气浮台的质心和气浮球的球心不重合时，将会产生重力干扰力矩。为了保证地面仿真试验的有效性，需要保证三轴气浮台的干扰力矩满足任务仿真试验要求。所以需要进行质心调平衡工作，减小三轴气浮台质心和气浮球心的偏量，消除重力干扰力矩影响。
目前关于三轴气浮台质心调平衡的有效方法很少。使用较多的质心调平衡方法是复摆周期法，当气浮台周期较长时试验结果表明其通过陀螺等敏感器件测量的周期量精度不高，满足不了高精度调平衡需求。经文献检索，杨秀彬、金光、徐开等在论文“三轴气浮台自动调节平衡和干扰力矩测试”(见《空间科学学报》2009年，29卷第1期，页码34-38)中从理论上给出了三轴气浮台自动平衡装置，但没有给出实施方法。专利文献CN105300597A公开了一种三轴气浮台质心调平衡方法及装置，通过飞轮的转速反馈评估三轴气浮台的重力干扰力矩，进而对偏心量进行补偿，但该发明不仅要测量平台转动惯量，而且要根据数据分析飞轮加速度，过程复杂繁琐，难以快速调节。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种三轴气浮台质心调平衡的方法及***。
根据本发明提供的一种三轴气浮台质心调平衡的方法，包括如下步骤：
步骤1.将三轴气浮台处于水平状态进行飞轮轮控，根据第一姿态测量仪所测姿态进行水平方向调平衡；
步骤2：利用飞轮轮控将三轴气浮台倾斜偏置角度，根据第二姿态测量仪所测姿态进行竖直方向调平衡。
优选地，所述第一姿态测量仪采用自准直仪，所述第二姿态测量仪采用激光跟踪仪。
优选地，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1.1：通过预调平衡，使气浮台处于悬浮状态；
步骤1.2：进行飞轮控制，期望姿态角为[0,0,γ]，γ为台体初始欧拉角；
步骤1.3：第一姿态角偏差判断，若当前姿态角与期望姿态角的偏差|Δα|≥0.05°或|Δβ|≥0.05°，则用质量块进行质心调节；否则，进入步骤1.4；
步骤1.4：第二姿态角偏差判断，若当前姿态角与期望姿态角的偏差0.0005°≤|Δα|≤0.05°或0.0005°≤|Δβ|≤0.05°，则用对应轴的调平衡电机进行质心调节；否则，水平方向质心调平衡结束；
优选地，所述第一姿态角大于第二姿态角。
优选地，所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：进行飞轮控制，期望姿态角为[α,0,γ]或[0,β,γ]；
步骤2.2：第三姿态角偏差判断，若当前姿态角与期望姿态角的偏差|Δα|≥0.02°或|Δβ|≥0.02°，则在对称位置同增或同减质量块进行质心调节；否则，进入步骤2.3；
步骤2.3：第四姿态角偏差判断，若当前姿态角与期望姿态角的偏差0.0005°≤|Δα|≤0.05°或0.0005°≤|Δβ|≤0.05°，则用对应轴的调平衡电机进行质心调节；否则，进入步骤2.4；
步骤2.4：当前控制姿态角α+1或β+1；
步骤2.4：当前控制姿态角大小判断，当α≤3°或β≤3°时，返回步骤2.1；否则，竖直方向质心调平衡结束。
优选地，所述步骤2.1中的α或β的初始值为1°。
优选地，所述第三姿态角大于第四姿态角。
优选地，在进行角度机动时，根据实测的姿态角判断气浮台质心的竖直位置，当实测姿态角小于目标值时，表示质心偏下；当实测姿态角大于目标值时，表示质心偏上。
根据本发明提供的一种三轴气浮台质心调平衡的***，包括：
第一调平衡模块：将三轴气浮台处于水平状态进行飞轮轮控，根据第一姿态测量仪所测姿态进行水平方向调平衡；
第二调平衡模块：利用飞轮轮控将三轴气浮台倾斜偏置角度，根据第二姿态测量仪所测姿态进行竖直方向调平衡。
优选地，所述第一姿态测量仪采用自准直仪，所述第二姿态测量仪采用激光跟踪仪。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明不依赖于三轴气浮台的质量特性，采用激光跟踪仪与自准直仪联合定姿，提高了调节精度，能够快速消除重力干扰力矩的影响，缩短了调节时间，能够为后续的全物理地面仿真试验提供保障。
2、本发明中三轴气浮台质心调平衡的装置结构简单，操作方便，调节精度高。
3、本发明中的方法将三轴气浮台质心调平衡的操作进行分解并分级采用质量块或平衡电机、自准直仪、激光跟踪仪逐级递进的精度检测分解方案，实现复杂问题的简单化，实现了精确调节的目的。
4、本发明中通过有限的几个飞轮实现三轴气浮台姿控，实现了姿态控制的目的。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中三轴气浮台质心调平衡的方法步骤简图；
图2为本发明中三轴气浮台质心调平衡的方法的流程图；
图3为本发明中三轴气浮台质心调平衡装置及坐标系定义示意图。
其中，x轴和y轴为水平轴，z轴与水平面垂直。
图中示出：
1--激光跟踪仪；
2--激光跟踪仪靶标；
3--棱镜；
4--自准直仪；
5--x方向飞轮；
6--Y方向飞轮；
7--z方向飞轮。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种三轴气浮台质心调平衡的方法，不依赖于平台的质量特性，根据姿态角偏差进行质心调节，可以快速消除重力干扰力矩的影响，本发明的技术路线为先调水平方向后调竖直方向。期初通过千斤顶将三轴气浮台升至设定高度后，千斤顶下降并采用飞轮进行平台姿态控制，通过自准直仪与激光跟踪仪联合监测当前姿态角与目标姿态角之差，进而判断质心偏差，根据质心偏心程度选择小质量块或高精度调平衡电机进行质心调节，从而消除重力干扰力矩影响。其中，当姿态角较大时，采用激光跟踪仪测量；当姿态角较小时，切换到精度更高的自准直仪，包括如下步骤：
步骤1.将三轴气浮台处于水平状态进行飞轮轮控，根据第一姿态测量仪所测姿态进行水平方向调平衡，所述第一姿态测量仪优选采用自准直仪。
进一步地，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1.1：通过预调平衡，使气浮台处于悬浮状态；
步骤1.2：进行飞轮控制，期望姿态角为[0,0,γ]，γ优选为台体初始欧拉角；
步骤1.3：第一姿态角偏差判断，若当前姿态角与期望姿态角的偏差|Δα|≥0.05°或|Δβ|≥0.05°，则用质量块进行质心调节；否则，进入步骤1.4；此时认为飞轮输出力矩无法克服水平干扰力矩，需停止控制姿态，升起千斤顶。由于高精度调平衡电机调节范围有限，所以在这种相对较大的质心调节过程中还需用小质量块或高精度调平衡电机进行调节。
步骤1.4：第二姿态角偏差判断，若当前姿态角与期望姿态角的偏差0.0005°≤|Δα|≤0.05°或0.0005°≤|Δβ|≤0.05°，则用对应轴的调平衡电机进行质心调节；否则，水平方向质心调平衡结束，其中，所述第一姿态角大于第二姿态角。
步骤2：利用飞轮轮控将三轴气浮台倾斜偏置角度，根据第二姿态测量仪所测姿态进行竖直方向调平衡，所述第二姿态测量仪优选采用激光跟踪仪。
进一步地，所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：进行飞轮控制，期望姿态角为[α,0,γ]或[0,β,γ]，其中，α或β的初始值i为1°；
步骤2.2：第三姿态角偏差判断，若当前姿态角与期望姿态角的偏差|Δα|≥0.02°或|Δβ|≥0.02°，其中，|Δα|表示X轴姿态角，|Δβ表示Y轴姿态角，则在对称位置同增或同减质量块进行质心调节；否则，进入步骤2.3，在进行角度机动时，根据实测的姿态角判断气浮台质心的竖直位置，当实测姿态角小于目标值时，表示质心偏下；当实测姿态角大于目标值时，表示质心偏上；同时，对称位置配重是为了保证水平方向质心不变。
进一步地，飞轮输出力矩无法克服水平干扰力矩，需先进行姿态角归零，然后停止控制，升起千斤顶。同样的，由于高精度调平衡电机调节范围有限，所以在这种相对较大的质心调节过程中还需用小质量块进行调节。
步骤2.3：第四姿态角偏差判断，若当前姿态角与期望姿态角的偏差0.0005°≤|Δα|≤0.05°或0.0005°≤|Δβ|≤0.05°，则用对应轴的调平衡电机进行质心调节；否则，进入步骤2.4，其中，所述第三姿态角大于第四姿态角；
步骤2.4：当前控制姿态角α+1或β+1；
步骤2.4：当前控制姿态角大小判断，当α≤3°或β≤3°时，返回步骤2.1；否则，竖直方向质心调平衡结束。
本发明还提供了一种三轴气浮台质心调平衡的***，包括第一调平衡模块以及第二调平衡模块，所述第一调平衡模块能够将三轴气浮台处于水平状态进行飞轮轮控，根据第一姿态测量仪所测姿态进行水平方向调平衡；所述第二调平衡模块能够利用飞轮轮控将三轴气浮台倾斜偏置角度，根据第二姿态测量仪所测姿态进行竖直方向调平衡，其中，所述第一姿态测量仪优选采用自准直仪，所述第二姿态测量仪优选采用激光跟踪仪。
进一步地，在对三轴气浮台质心调平衡的操作过程中，将多个所述飞轮安装在三轴气浮台上并用于对三轴气浮台的姿态控制，自准直仪、激光跟踪仪分别用于检测三轴气浮台姿态。
进一步地，在一个具体地实施例中，如图3所示，被测三轴气浮台上的设备布置图，激光跟踪仪测试时通过激光跟踪仪1以及激光跟踪仪靶标2配合进行检测，通过激光跟踪仪1射出的激光投射到激光跟踪仪靶标2上进而进行测量。自准直仪是一种利用光的自准直原理将角度测量转换为线性测量的一种计量仪器。它广泛用于小角度测量、平板的平面度测量、导轨的平直度与平行度测量等方面，自准直仪4配合棱镜3完成测量，其中，5为x方向飞轮，6为Y方向飞轮，7为Z方向飞轮，通过三个方向的飞轮实现三轴气浮台姿态控制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的***、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种三轴气浮台质心调平衡的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.将三轴气浮台处于水平状态进行飞轮轮控，根据第一姿态测量仪所测姿态进行水平方向调平衡；
步骤2：利用飞轮轮控将三轴气浮台倾斜偏置角度，根据第二姿态测量仪所测姿态进行竖直方向调平衡。
2.根据权利要求1所述的三轴气浮台质心调平衡的方法，其特征在于，所述第一姿态测量仪采用自准直仪，所述第二姿态测量仪采用激光跟踪仪。
3.根据权利要求1所述的三轴气浮台质心调平衡的方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1.1：通过预调平衡，使气浮台处于悬浮状态；
步骤1.2：进行飞轮控制，期望姿态角为[0,0,γ]，γ为台体初始欧拉角；
步骤1.3：第一姿态角偏差判断，若当前姿态角与期望姿态角的偏差|Δα|≥0.05°或|Δβ|≥0.05°，则用质量块进行质心调节；否则，进入步骤1.4；
步骤1.4：第二姿态角偏差判断，若当前姿态角与期望姿态角的偏差0.0005°≤|Δα|≤0.05°或0.0005°≤|Δβ|≤0.05°，则用对应轴的调平衡电机进行质心调节；否则，水平方向质心调平衡结束。
4.根据权利要求3所述的三轴气浮台质心调平衡的方法，其特征在于，所述第一姿态角大于第二姿态角。
5.根据权利要求1所述的三轴气浮台质心调平衡的方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：进行飞轮控制，期望姿态角为[α,0,γ]或[0,β,γ]；
步骤2.2：第三姿态角偏差判断，若当前姿态角与期望姿态角的偏差|Δα|≥0.02°或|Δβ|≥0.02°，则在对称位置同增或同减质量块进行质心调节；否则，进入步骤2.3；
步骤2.3：第四姿态角偏差判断，若当前姿态角与期望姿态角的偏差0.0005°≤|Δα|≤0.05°或0.0005°≤|Δβ|≤0.05°，则用对应轴的调平衡电机进行质心调节；否则，进入步骤2.4；
步骤2.4：当前控制姿态角α+1或β+1；
步骤2.4：当前控制姿态角大小判断，当α≤3°或β≤3°时，返回步骤2.1；否则，竖直方向质心调平衡结束。
6.根据权利要求5所述的三轴气浮台质心调平衡的方法，其特征在于，所述步骤2.1中的α或β的初始值为1°。
7.根据权利要求5所述的三轴气浮台质心调平衡的方法，其特征在于，所述第三姿态角大于第四姿态角。
8.根据权利要求5所述的三轴气浮台质心调平衡的方法，其特征在于，在进行角度机动时，根据实测的姿态角判断气浮台质心的竖直位置，当实测姿态角小于目标值时，表示质心偏下；当实测姿态角大于目标值时，表示质心偏上。
9.一种三轴气浮台质心调平衡的***，其特征在于，包括：
第一调平衡模块：将三轴气浮台处于水平状态进行飞轮轮控，根据第一姿态测量仪所测姿态进行水平方向调平衡；
第二调平衡模块：利用飞轮轮控将三轴气浮台倾斜偏置角度，根据第二姿态测量仪所测姿态进行竖直方向调平衡。
10.根据权利要求9所述的三轴气浮台质心调平衡的***，其特征在于，所述第一姿态测量仪采用自准直仪，所述第二姿态测量仪采用激光跟踪仪。
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