全自动三轴气浮台微干扰力矩测量系统及方法
【专利摘要】本发明公开一种全自动三轴气浮台微干扰力矩测量系统及方法，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ωm，气浮球上安装三个配平质量块m1、m2、m3和喷气系统，所述气浮球、陀螺、质量块以及喷气系统所构成的系统在气浮球坐标下的转动惯量矩阵为一个3×3的矩阵Ia，所述喷气系统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ωm，并根据Ia计算出三个方向的干扰力矩。本发明所提供的系统及方法，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。
【专利说明】全自动三轴气浮台微干扰力矩测量系统及方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]三轴气浮台作为研制高精度航天器、验证姿控系统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= W = JVxl/测量纵向的干扰力矩，但是由于干扰力矩Td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!^所造成的ω的变化，进而反映到Tdi，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】
[0003]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系统及方法，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。该系统及方法，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。
[0004]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0005]一种全自动三轴气浮台微干扰力矩测量系统，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ωπ，气浮球上安装三个配平质量块m1、m2、m3和喷气系统，所述气浮球、陀螺、质量块以及喷气系统所构成的系统在气浮球坐标下的转动惯量矩阵为一个3X3的矩阵Ia，所述喷气系统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ωπ，并根据Ia计算出三个方向的干扰力矩。
[0006]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所述的系统来完成，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:
[0007]I)球窝通过特定的连接端面固定于地面；
[0008]2)在气浮球上安装陀螺；
[0009]3)通过调整气浮球上端面上的质量块H^m2和m3的位置和配重，使得整个系统的转动惯量矩阵在X、1、Z三个方向满足Ixy = O、Iyz = O、Izx = O、Iyy = Izz ；
[0010]4)按照如下公式估算气浮球的初始角速度COstl = [ωχ0 COytl ω Jt:
[0011](I)给定合适的ωζ(ι，并假设ωχ(ι = Qy0 = α ωζ(ι，其中α为一个未知的常数；
[0012](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Ct:
[0013]arctan a + arctan√2Ia/Iax < ρ ;
[0014]如果初始时刻气浮球存在一定的偏角，使得整个系统的角动量的方向指向天顶，
贝_定α时的公式为:arctan √21a/Iax:a <β'
[0015]5)通过喷气系统使得整个气浮台有一个上述4)中的初始角速率；
[0016]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 ；
【权利要求】
1.一种全自动三轴气浮台微干扰力矩测量系统，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ωπ，气浮球上安装三个配平质量块In1 > m2、m3和喷气系统,所述气浮球、陀螺、质量块以及喷气系统所构成的系统在气浮球坐标下的转动惯量矩阵为一个3X3的矩阵Ia，所述喷气系统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ωπ，并根据Ia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所述的系统来完成，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H^m2和m3的位置和配重，使得整个系统的转动惯量矩阵在X、1、Z三个方向满足Ixy = O、Iyz = O、Izx = O、Iyy = Izz ； 4)按照如下公式估算气浮球的初始角速度Ostl=[ωχ0 ω- ωζ0]τ: (1)给定合适的ωζ(ι，并假设ωχ(ι= Qy0 = α ωζ(ι，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Ct:
如果初始时刻气浮球存在一定的偏角，使得整个系统的角动量的方向指向天顶，则确定α时的公式为:
5)通过喷气系统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:
7)按照下式计算干扰力矩在本体系下的分量:
8)按照下式计算干扰力矩在惯性系下的分量
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Ixy = O、Iyz = O、Izx = O、Iyy = Izz即可。
【文档编号】G01C25/00GK104197955SQ201410398151
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】李太平, 徐俊, 倪华晨, 洪岩, 程世祥 申请人:上海卫星装备研究所