一种三轴气浮台控制过程中的动态调平系统及动态调平方法

本发明属于航天器地面半物理仿真技术领域，尤其涉及一种三轴气浮台控制过程中的动态调平系统，同时还涉及一种三轴气浮台控制过程中的动态调平方法。

背景技术：

三轴气浮台是重要的航天器地面半物理仿真设备，可以对航天器姿态控制，航天器交会对接等进行高置信度的仿真。干扰力矩是限制气浮台使用的重要因素，随着半物理仿真技术的不断发展，气浮台的调平技术从开始的手动调节转变为了自动调节。现阶段大部分气浮台的干扰力矩补偿都依靠自动平衡系统完成，但仅局限于补偿气浮台正常控制前的干扰力矩，对在气浮台控制过程中产生的动态干扰力矩没有系统补偿方案，使得气浮台的控制精度难以得到较大的提升。

三轴气浮台在实际控制过程中，由于外界气流干扰、震动等因素会使原已重合的旋转中心与质心产生偏离，进而产生动态时变的干扰力矩。容易导致反作用飞轮转速饱和、气浮台控制精度降低甚至失控等问题。显而易见，传统的自动调平衡方案无法对动态时变的干扰力矩进行补偿，这极大的降低了气浮台的环境适应能力，限制了三轴气浮台的使用。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种三轴气浮台控制过程中的动态调平系统，本发明的另一目的是提供一种三轴气浮台控制过程中的动态调平方法。以实现对三轴气浮台在控制过程中产生的动态干扰力矩进行实时估计和补偿，提高提高三轴气浮台的控制精度，同时提高气浮台的环境适应能力。

技术方案：本发明所述的一种三轴气浮台控制过程中的动态调平系统，包括：

姿态测量系统，包括各类姿态传感器，其分布于气浮台体上，完成气浮台台体的姿态测量；

姿态控制系统，包括姿态控制执行机构和控制计算机；所述姿态控制执行机构包括反作用飞轮、冷气推力器以及x轴、y轴、z轴方向上的自动平衡装置，所述自动平衡装置包括步进电机、质量块与丝杆，所述步进电机转动时带动丝杆转动，进而移动质量块；所述控制计算机负责地面控制台和气浮台之间的通信和数据处理；

通信系统，用于气浮台及地面控制台之间的数据通信；

地面控制台，通过所述通信系统将操作指令传输至控制计算机，同时也接收显示控制计算机传输过来的气浮台的状态数据；

所述姿态控制系统通过反作用飞轮输出力矩的大小估计动态干扰力矩的大小，通过误差姿态角和右手定则原理判断动态干扰力矩的方向，最后通过步进电机的转动带动质量块移动，实现对动态干扰力矩的实时补偿。

进一步的，所述姿态传感器包括陀螺、倾角计、视觉测量系统；所述视觉测量系统以非接触方式对气浮平台的姿态进行测量，并将数据提供给控制计算机。

一种基于所述动态调平系统的三轴气浮台控制过程中的动态调平方法，包括如下步骤：

(1)动态干扰力矩大小判断：姿态敏感器采集带时间标签的气浮台实际姿态角和姿态角速度信息，控制计算机根据姿态敏感器采集的姿态信息，解算出的控制指令力矩，反作用飞轮执行该控制指令力矩，以加速或减速飞轮转子的形式来实现反作用飞轮力矩的输出，根据反作用飞轮实际输出力矩，估计动态干扰力矩大小；

(2)动态干扰力矩方向判断：根据误差姿态角和右手定则原理判断动态干扰力矩方向；步骤(2)具体包括如下内容：

定义气浮台实际姿态角为β，目标姿态角为α，误差姿态角δ＝β-α；

控制计算机将误差姿态角的绝对值|δ|与姿态控制执行机构的控制精度τ(即反作用飞轮、冷气推力器控制精度)进行比较，若|δ|≥τ，则通过右手定则判断动态干扰力矩方向，根据动态干扰力矩的大小与方向，计算步进电机的转动方向及圈数，对动态干扰力矩进行补偿；若|δ|＜τ，则忽略干扰力矩。

(3)动态干扰力矩补偿：控制计算机根据动态干扰力矩的大小和方向，选择气浮台x轴、y轴、z轴中对应坐标轴上的自动平衡装置，该坐标轴上的电机按指令方向转动，进而带动丝杆上的质量块移动，实现动态干扰力矩的补偿。

进一步的，定义姿态敏感器测得气浮台实际姿态角为β，反作用飞轮实际输出力矩大小m，由此估算出动态干扰力矩大小md，从而计算出偏心距r，公式如下：

m≈md＝mgrsinβ

其中，m为气浮台浮起部分质量，g为重力加速度。

步进电机的转动圈数k、质量块移动距离l、偏心距r的关系式为：

式中，mi为质量块质量。

有益效果：与现有的三轴气浮台调平衡系统相比，本发明加强了三轴气浮台的环境适应能力，提高了控制精度，支持未来三轴气浮台发展需求。目前，国内外尚未有关于三轴气浮台在控制过程中的动态调平等相关研究。

附图说明

图1为本发明的三轴气浮台调平衡系统；

图2(a)-(b)为本发明的三轴气浮台，其中，图2(a)为俯视图，图2(b)为主视图；

图3为本发明的自动平衡装置；

图4为本发明的调平原理图；

图5为本发明实施例的工作流程图；

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1-3所示，本发明的一种三轴气浮台控制过程中的动态调平系统，主要包括姿态测量系统、姿态控制系统、通信系统以及地面控制台。

具体的，姿态测量系统包括各类姿态传感器，其分布于气浮台体上，用于完成三轴气浮台1台体的姿态测量。本实施例中，姿态传感器包括陀螺仪7、倾角计8、视觉测量系统9(图1中采用相机)，陀螺仪7测量气浮台的角加速度，视觉测量系统9以非接触方式对气浮平台的姿态进行测量。

姿态控制系统包括姿态控制执行机构和控制计算机；姿态控制执行机构包括反作用飞轮2、冷气推力器3以及自动平衡装置4；本实施例中，气浮台机体坐标系x轴、y轴和z轴方向上各安装了一个自动平衡装置4。其中，各个自动平衡装置4均由高精度步进电机401、质量块402与丝杆403组成，丝杆与高精度步进电机输出轴连接，质量块安装在丝杆上，高精度步进电机转动时带动丝杆转动，进而移动质量块，从而实现对动态干扰力矩进行实时补偿。

控制计算机5与地面控制台6之间通过无线路由器10组建的无线局域网进行信息传递，以局域网的形式在控制计算机、地面控制台两者间建立了信息数据传送机制。三轴气浮台的姿态、姿态角速度、控制指令力矩、反作用飞轮实际输出力矩和动态干扰力矩等信息可以通过局域网在综合处理计算机、地面控制台之间进行传输。同时，地面控制台可以直观的显示实时的三轴气浮台角速度等数据信息，发送控制指令。

如图4所示，综合处理计算机(即控制计算机)采用递接饱和pd控制算法解算出控制指令力矩，反作用飞轮执行指令力矩，进而估算动态干扰力矩的大小；通过计算误差姿态角的大小判断是否需要补偿干扰力矩，并进行动态干扰力矩方向的判断。最后控制计算机计算高精度步进电机主要转动的圈数与方向，带动质量块移动，实现动态干扰力矩的补偿。具体的，分为三个阶段：

(1)动态干扰力矩大小判断：反作用飞轮根据控制指令力矩，以加速或减速飞轮转子的形式来实现的输出，通过飞轮实际输出力矩估计动态干扰力矩的大小。

(2)动态干扰力矩方向判断：根据误差姿态角和右手定则原理判断动态干扰力矩的方向。定义气浮台实际姿态角为β，目标姿态角为α，误差姿态角为δ，δ＝β-α。

(3)动态干扰力矩补偿：控制计算机根据动态干扰力矩的大小和方向，选择对应坐标轴上的自动平衡装置，高精度电机按指令方向转动带动丝杆上的质量块移动，实现动态干扰力矩的补偿；

其中，自动平衡装置具体工作原理如下：

姿态敏感器测得气浮台实际姿态角为β(即气浮台当前与水平面的夹角)，反作用飞轮实际输出力矩大小m，则可估算出动态干扰力矩大小md，从而计算出偏心距r，计算公式如下：

m≈md＝mgrsinβ

高精度步进电机的转动圈数k、质量块移动距离l、偏心距r关系式为：

式中，m为气浮台浮起部分质量，mi为质量块质量。

如，高精度步进电机的精度为1/3000圈，每转动一圈，质量块的移动距离为1cm，质量块最小移动步长为1/3000，丝杆有效导程为150cm，质量块质量为0.4kg。

此外，在网络终端，可储存整个控制过程中产生的所有数据，存储的数据包括带时刻标签的三轴气浮台角速度、姿态角、控制指令力矩、反作用飞轮实际输出力矩与转速、高精度步进电机转动方向与圈数。

如图5所示是本发明实施例的详细流程：

(1)启动三轴气浮台控制程序；

(2)输入目标姿态角；

(3)姿态敏感器采集气浮台姿态数据信息；

(4)误差姿态角计算；

(5)综合处理计算机计算控制指令力矩tc；

(6)反作用飞轮执行控制指令力矩tc，并输出力矩；

(7)根据反作用飞轮实际输出力矩，进行动态干扰力矩大小估计；

(8)误差姿态角绝对值|δ|与姿态控制执行机构的控制精度τ进行比较，若|δ|≥τ则通过右手定则判断动态干扰力矩方向，进入步骤(9)；若|δ|＜τ则干扰力矩可忽略，进入步骤(12)；

(9)综合处理计算机根据动态干扰力矩的大小与方向，选择对应坐标轴上的自动平衡装置，并计算高精度步进电机旋转方向与圈数；

(10)高精度步进电机按指令转动，补偿干扰力矩；

(11)网络终端储存控制过程产生的所有数据；

(12)控制程序结束本周期工作，进入下一个周期。