一种大尺寸光电经纬仪俯仰轴的精密静平衡配平方法与流程

本发明属于精密跟踪瞄准、成像与测量用光电经纬仪领域，涉及一种光电经纬仪的静平衡配平问题，具体一种大尺寸光电经纬仪俯仰轴的精密静平衡配平方法。本发明所述的大尺寸光电经纬仪是指口径大于450mm的光电经纬仪。

背景技术：

随着高精密跟踪瞄准、成像与测量需求与发展，高精度光电经纬仪无论t型或u型结构均要求搭载多种载荷，且搭载在俯仰轴上的载荷具有种类多样、尺寸与形状多样且光学口径越来越大、布局与结构复杂等特点。光电经纬仪载荷中不仅包括相机组件、载物平台，还包括相机供配电、信号处理与传输等电控单元、相机热控单元、热包覆等附件。这些载荷都搭载在经纬仪俯仰轴上，随俯仰轴作回转运动。

为实现光电经纬仪的高品质跟踪瞄准、成像与测量等功能与性能，光电经纬仪的方位轴与俯仰轴的伺服控制系统必须能提供高精度、高平稳性的运动控制。光电经纬仪俯仰轴上所有载荷形成的总质心与俯仰轴的回转轴心不重合而形成偏心，使光电经纬仪伺服控制的速度平稳性变差，从而影响光电经纬仪成像品质。因此，光电经纬仪俯仰轴上载荷在伺服控制系统调试前，需进行精密静平衡配平，以期实现载荷总质心与俯仰轴的回转轴心重合，减小或消除偏心引起的非线性干扰力矩。

在光电经纬仪的设计中，通过仿真软件设计来保证所有载荷形成的质心与俯仰轴的回转轴心重合。但由于各载荷单元设计的局部调整与误差、加工与装配偏差，最终各载荷形成的总质心难免与俯仰轴的回转轴心有偏心，所以必须进行静平衡配平。

光电经纬仪的载荷中包含有各种相机单元，其组成多是装配精度很高的薄壁件与易破损的玻璃材质。采用通用测量质心的悬挂法、多点支承法、吊起法、举升法、可倾斜平台法等静态质量特性测量方法，需专用测量设备且测试过程难免会对载荷中的光学仪器有所损伤或破坏其装调精度。所以，现实工程项目中光电经纬仪载荷的配平，一般先将载荷装配在光电经纬仪上，然后依靠配平师傅的经验进行人工配平。其中，人工配平主要依据绕俯仰的回转轴的力矩不平衡表象来进行人工反复调整，费时且很难保证静平衡配平精度。特别在航天产品中，希望配重的质量最轻且安装位置合理，而人工配平无法确认是否为最优化方案。

现有国内文献与专利中，多采用三维建模寻找质心与轴心偏移来实现配平，难以满足光电经纬仪复杂载荷配平的现实工程实践的需求。

技术实现要素：

为了解决现有的人工配平方式费时且很难保证配平精度、以及采用三维建模实现配平难以满足现实工程实践需求的技术问题，本发明提供了一种大尺寸光电经纬仪俯仰轴的精密静平衡配平方法。

本发明的技术方案是：

一种大尺寸光电经纬仪俯仰轴的精密静平衡配平方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1)建立坐标系

步骤2)对光电经纬仪进行水平调平

步骤3)在光电经纬仪俯仰轴上安装模拟载荷，调整安装位置至光电经纬仪俯仰轴回转运动达到静平衡，测量轴系摩擦力矩td；

步骤4)计算俯仰轴电机力矩系数kt；

步骤5)真实载荷偏心位置测量

5.1)去除模拟负载，然后安装真实载荷；装配真实载荷前，对真实载荷进行称重，确认真实载荷总质量m1；

5.2)向光电经纬仪俯仰轴伺服控制系统输入角度定位指令θ，θ为常值，调整伺服控制器的pid参数保证俯仰轴定位准确；

5.3)通过信息处理计算机在俯仰轴的有效工作范围内选择至少任意两点定位，即向公式ρ1cos(θ1+θ)＝(kt*i-td)/m1g中输入两个或两个以上不同的θ得到不同的俯仰轴电机电流i，联立为矛盾方程组，求解出真实载荷的偏心位置(ρ1，θ1)的极小最小二乘解；

步骤6)配重质量与位置优化计算

6.1)当载荷静平衡时，根据动量矩原理，有：

m1gρ1cos(θ1+θ)＝m2gρ2cos(θ2+θ)+m3gρ3cos(θ3+θ)

6.2)确定约束条件：

其中，minm为总质量的最小值；minj为总惯量的最小值；(ρ2-a,θ2-a)到(ρ2-b,θ2-b)是配重块质量m2的可载荷配重区域，由设计要求确定；(ρ3-c,θ3-c)到(ρ3-d,θ3-d)是配重块质量m2的可载荷配重区域，由设计要求确定；

6.3)对步骤6.1)的公式在步骤6.2)确定的约束条件下输入不同的θ，计算m2,m3与(ρ2,θ2),(ρ3,θ3)的最优解；

步骤7)配平

根据步骤6.3)得到的m2,m3与(ρ2,θ2),(ρ3,θ3)的最优解，在相应位置处添加相应质量的配重块，对光电经纬仪俯仰轴进行静平衡配平；

步骤8)配重质量与位置优化复核与确认

8.1)不加电情况下，手动转动经步骤8)静平衡配平后的俯仰轴，确认任意角度均能静止；

8.2)检测配平后的系统ρ总值，对俯仰轴伺服控制系统加电后输入角度定位指令θ，θ为常值，根据公式计算俯仰轴电机电磁力矩te，比较俯仰轴电机电磁力矩te与步骤3)所得轴系摩擦力矩td的大小，若二者差值小于设计阈值，表示配平精度达到设计要求，否则，表示配平精度未达到设计要求，应返回步骤6)；

上述公式中，m总为真实载荷与所添加的配重块的总质量，ρ总为真实载荷与所添加的配重块一起形成的偏心距，θ总为真实载荷与所添加的配重块一起形成的偏心角。

进一步地，在步骤3)-4)之间还包括对电机电流信息采集与处理单元所采集的俯仰电机电流i进行标校确认的步骤，具体如下：

a1)通过信息处理计算机向伺服控制计算机输入俯仰轴等加速运动指令，加速度范围分别为：0.5°/s²、1°/s²、1.5°/s²；

b1)伺服控制计算机根据步骤a1)的俯仰轴不同等加速运动工作指令，综合调整伺服控制器的pid参数；

c1)判断速度平稳性是否满足设计指标要求，若不满足，返回步骤b1)；若满足，则进入步骤d1)

d1)利用高精度电流仪测量电机电流波形，若电机电流波动不满足设计指标要求，则返回步骤3)；若电机电流波动满足设计指标要求，则进入步骤4)。

进一步地，步骤5.1)与5.2)之间还包括以下步骤：

a2)测试载荷静不平衡力矩，判断载荷静不平衡力矩是否超过俯仰轴电机峰值力矩，若超过，则终止此次配平工作；若未超过，则进入步骤5.2)。

本发明的有益效果：

1.本发明在配平时过程中根据设计需求设定相应的约束条件，计算配重质量及其位置的最优解，保证了配平效果。

2.本发明简单实用、高效，不仅适用于地面经纬仪，也适用于航空、航天类似回转机构的静平衡配平。

3.本发明通过对俯仰电机电流i进行标校，提高了俯仰轴电机力矩系数的计算精度，为后续更高精度的配平奠定了基础。

4.本发明在偏心位置测量前，增加了判断静不平衡力矩超过电机峰值力矩的环节，如果静不平衡力矩不超过电机峰值力矩，才可进入后续偏心位置测量和配平环节，避免了电机损坏的风险。

附图说明

图1是现有的光电经纬仪俯仰轴伺服控制系统的原理组成示意图。

图2是实现本发明静平衡配平方法的光电经纬仪俯仰轴静平衡配平系统的组成示意图。

图3是本发明静平衡配平方法的流程图。

图4是本发明建立的坐标系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

1.光电经纬仪俯仰轴静平衡配平系统组成

如图1所示，现有的光电经纬仪俯仰轴伺服控制系统由俯仰轴系与轴承(图中未示出)、俯仰轴电机、高精度角度传感器、高精度角速度传感器(部分光电经纬仪不配置高精度角速度传感器，由高精度角度传感器的角度信息计算得到角速度信息。此类光电经纬仪的静平衡配平本方法也适用)、电机驱动器单元、电机电流信息采集与处理单元和伺服控制计算机等组成。

俯仰轴电机、高精度角度传感器、高精度角速度传感器均同轴安装在待配平光电经纬仪俯仰轴系上。

电机驱动器单元主要实现：接收伺服控制计算机的速度指令，驱动俯仰轴电机转动。

电机电流信息采集与处理单元主要实现：对电机驱动器单元的输出电流进行采集，并进行信号放大、滤波平滑处理。

伺服控制计算机主要包括：时统单元(用于各单元公用时统的实现)、伺服控制器、数字/模拟转换(用于将速度数字量转换为速度模拟量并发送速度模拟量给电机驱动器单元)、模拟/数字转换(用于接收电机电流信息采集单元采集的电机电流信息、高精度角度传感器采集的角度信息、高精度角速度传感器采集的角速度信息等，并将采集的信息转换为速度数字量)、通信接口。

如图2所示，实现本发明静平衡配平方法的光电经纬仪俯仰轴静平衡配平系统是在现有光电经纬仪俯仰轴伺服控制系统基础上，添加一个信息处理计算机，根据本发明的静平衡配平方法编写相应的数据处理软件即可实现。信息处理计算机主要实现：人机交互、配重块位置与质量的优化等数据处理、与伺服控制计算机之间的通信接口。

在测试前，还需根据前期设计要求，加工一个质量均匀分布、且转动惯量与设计载荷相等的模拟载荷。保证其回转质心与回转轴重合，且满足静平衡。推荐采用轮辐式模拟载荷。

2.本发明光电经纬仪俯仰轴静平衡配平方法的流程(流程图参见图3)

步骤1)建立坐标系

光电经纬仪的俯仰轴载荷运动可看成刚体运动。如图4所示，假定，俯仰轴载荷坐标系ox′y′z＇的回转轴ox′与基座坐标系oxyz轴ox重合(俯仰轴载荷坐标系ox′y′z′是为了说清楚俯仰轴转动的方向，便于理解，后续计算都是基于基座坐标系oxyz的)，俯仰轴载荷总质量m1的质心位置在yoz平面上(ρ1，θ1)点，配重块质量m2的质心位置在yoz平面上(ρ2，θ2)点，配重块质量m3的质心位置在yoz平面上(ρ3，θ3)点。其中，配重位置(ρ2，θ2)、(ρ3，θ3)在可配重区域(可配重区域由设计要求给出，本实施例中配重块质量m2的可配重区域为图4所示a到b，配重块质量m2的可配重区域为图4中c到d)调整；配重块质量m2与m3可以调整。

步骤2)光电经纬仪水平调平

步骤3)在光电经纬仪俯仰轴上安装模拟载荷，调整安装位置至光电经纬仪俯仰轴回转运动达到静平衡，测量轴系摩擦力矩td

当光电经纬仪俯仰轴载荷装配后没做静平衡配平时，根据动量矩定理可得：

其中：jx为没配重前，俯仰轴载荷对轴ox的转动惯量；为俯仰轴载荷绕轴ox的转动角加速度；te为俯仰轴电机电磁驱动力矩；td为轴系摩擦力矩；g为重力加速度，θ为俯仰轴载荷绕轴ox的转动角度，m1为模拟载荷的质量，ρ1为模拟载荷所形成的偏心距，θ1为模拟载荷形成的偏心角。

俯仰轴电机的电磁力矩方程为：te＝kt*i,其中，kt为俯仰轴电机力矩系数，单位nm/a，i为俯仰轴电机电流，单位a。所以，公式(1)可以写成：

当将与设计载荷转动惯量相等且质心为回转中心的模拟载荷装配到光电经纬仪俯仰轴上后，公式(2)中，ρ1＝θ1＝0。此时，公式(2)可写成：

公式(3)中，通过采用吊砝码的静态测量方法，可以测量出轴系摩擦力矩td的近似值(因为量级很小，与实际载荷装配时基本一致)。

步骤4)对电机电流信息采集与处理单元，采集的俯仰电机电流i进行标校确认

4.1)通过信息处理计算机向伺服控制计算机输入俯仰轴等加速运动指令，加速度分别为：0.5°/s²、1°/s²、1.5°/s²；

4.2)伺服控制计算机根据步骤4.1)的俯仰轴不同等加速运动指令，综合调整伺服控制器的pid参数；

4.3)判断速度平稳性是否满足设计指标要求，若不满足，返回步骤4.2)；若满足，则进入步骤4.3)

4.3)利用高精度电流仪测量电机电流波形，若电机电流波动不满足设计指标要求，则返回步骤3)，进一步调整模拟载荷安装位置与调整静平衡精度、测量轴系摩擦力矩td；若电机电流波动满足设计指标要求，则进入步骤5)；

步骤5)计算俯仰轴电机力矩系数kt

设计载荷转动惯量为设计已知，对光电经纬仪俯仰轴伺服控制系统发送恒定角加速度转动指令，实时采集俯仰轴电机电流i，根据公式(3)可以计算出俯仰轴电机力矩系数kt(此数值电机出厂时会测试，但为进一步提高配平精度，在试验前，需测试确认)。输入多个不同的角加速度进行多组试验得到多个kt，对得到的kt取算术平均作为后期计算值。

步骤6)真实载荷偏心位置测量

6.1)去除模拟载荷，然后安装真实载荷；装配真实载荷前，需对真实载荷进行称重，确认真实载荷总质量m1。

6.2)采用弹簧秤测力等常用低精度测力矩方法，判断载荷静不平衡力矩是否超过俯仰轴电机峰值力矩，若超过，则终止此次配平工作，设计师开展复核复算排查质量事故原因、上报主管部门、更改设计等工作；若未超过，则进入步骤6.3)；

6.3)向光电经纬仪俯仰轴伺服控制系统输入角度定位指令θ(θ为常值)，调整伺服控制器的pid参数保证俯仰轴定位准确；

此时，公式(2)中则有：

ρ1cos(θ1+θ)＝(kt*i-td)/m1g(4)

6.4)通过信息处理计算机在俯仰轴的有效工作范围内选择至少任意两点定位，即向公式(4)中输入两个或两个以上不同的θ得到不同的俯仰轴电机电流i，联立为矛盾方程组，求解出真实载荷的偏心位置(ρ1，θ1)的极小最小二乘解(最佳逼近解)。

步骤7)配重质量与位置优化计算

当载荷静平衡时，根据动量矩原理，可知：

m1gρ1cos(θ1+θ)＝m2gρ2cos(θ2+θ)+m3gρ3cos(θ3+θ)(5)

其中，俯仰轴载荷绕轴ox的转动角度θ任意，上等式均成立。

考虑配重的总质量与总惯量最小，及配重区域位置的约束，最终可以确认约束条件如下：

其中，minm为总质量的最小值；minj为总惯量的最小值；(ρ2-a,θ2-a)到(ρ2-b,θ2-b)是配重块质量m2的可配重区域，由设计要求确定；(ρ3-c,θ3-c)到(ρ3-d,θ3-d)是配重块质量m2的可配重区域，由设计要求确定；

对公式(5)在约束条件(6)下输入不同的θ，由信息处理计算机计算m2,m3与(ρ2,θ2),(ρ3,θ3)的最优解。最优解的计算方法可采用通用有约束条件下的最优解算法，例如zoutendijk可行方向法、简约梯度法、罚函数法等求解。

步骤8)配平

根据步骤7)得到的m2,m3与(ρ2,θ2),(ρ3,θ3)的最优解，在相应位置处添加相应质量的配重块，对光电经纬仪俯仰轴进行静平衡配平；

步骤9)配重质量与位置优化复核与确认

9.1)不加电情况下，手动转动经步骤8)静平衡配平后的俯仰轴，确认任意角度均能静止；

9.2)检测配平后的系统ρ值(配重块与载荷最终形成的偏心距)，对俯仰轴伺服控制系统加电后输入角度定位指令θ(θ为常值，为俯仰轴载荷绕轴ox的转动角度)，则由公式计算俯仰轴电机电磁力矩te，若te与轴系摩擦力矩td的差值大于等于设计阈值，则返回步骤7)；若te与轴系摩擦力矩td的差值小于设计阈值，则表明配平精度达到设计要求，配平工作完成；上述公式中，m总为真实载荷与所添加的配重块的总质量，ρ总为真实载荷与所添加的配重块一起形成的偏心距，θ总为真实载荷与所添加的配重块一起形成的偏心角。