专利名称：三轴气浮台高精度姿态角度及角速度测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量技术，具体说就是一种三轴气浮台高精度姿态角度及角速度测量 装直。
背景技术：
三轴气浮台依靠压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成的气膜，使模拟台体浮起，从而实现近似无摩擦的相对运动条件，以模拟卫星等空间飞行器在外层空间所受干扰力矩很小的力学环境。作为空间飞行器运动模拟器，三轴气浮台进行卫星控制系统全物理仿真实验检验系统的性能，是空间飞行器研制过程中的重要手段和方法。三轴气浮台在试验过程中需要通过姿态测量系统动态地给出气浮台的角度、角速度等姿态信息，以便完成控制闭环，由于三轴气浮台的特殊结构，以往用于转台测量的装置(如旋转变压器、感应同步器、光电码盘、光栅等)不适用于三轴气浮台的测量，需要考虑新的测量方法和装置。并且在目前实际应用中，姿态测量系统精度的高低直接关系到仿真试验的效果。经检索文献发现，中国发明专利申请号:200610010260.2，专利名称为三轴气浮台
姿态角测量装置及其测量方法，该专利在三轴气浮台上方安装有CCD摄像机，在气浮台台面上安装有测量LED 光标系统，利用计算机视觉理论结合测量光标点件的距离信息，计算出气浮台台面相对于摄像机的相对运动参数，但由于系统构建上的缺陷，测量精度受到限制，从而影响其实际使用范围。中国发明专利申请号:200410009086.7，专利名称为:刚体空间位姿测量装置及其测量方法，该专利采用拉线式编码器实现一种接触式的刚体空间位置姿态的测量，但由于三轴气浮台不能允许外接触式测量方式，因为接触给气浮台带来了干扰，因此该方法不适用于三轴气浮台的姿态信息测量。在文献“三轴气浮台单框伺服测角系统的研究”(发表于宇航学报，1996，第17卷，第4期，页码:71-74)中，哈尔滨工业大学的张晓友、刘敦和北京控制工程研究所的李继苏等提出了一种单框伺服测量方案，该系统在气浮台底座上安装一个可以绕气浮台中心铅垂线转动的圆弧臂，并在其上安装可以移动的滑架，通过敏感圆弧臂的转动和滑架的移动测量气浮台的姿态信息。当该系统需要增加复杂的机械系统和敏感器系统，机构复杂，工程应用较困难，并且其精度受到机械装置和敏感器的限制，很难达到高精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三轴气浮台高精度姿态角、角速度测量方法及其装置。本发明的目的是这样实现的:一种三轴气浮台高精度姿态角度及角速度测量装置，包括激光跟踪仪、智能测头、陀螺仪、两台光电自准直仪、四面棱镜和数据处理器，激光跟踪仪安装于三轴气浮台的台下，智能测头固定于三轴气浮台的仪表平台上，智能测头上具有靶标定位系统，激光跟踪仪配合智能测头能够跟踪并确定智能测头转动的三维角度以及移动的三维距离，陀螺仪和四面棱镜固定于三轴气浮台的仪表平台上，两台光电自准直仪正交放置于三轴气浮台台下，并且这两台光电自准直仪的光轴分别对准四面棱镜的两个相邻的正交面，数据处理器接收激光跟踪仪、陀螺仪和两台光电自准直仪的角度和角速度数据并进行处理输出气浮台的姿态角和角速度信息；当三轴气浮台在±55°大角度范围运动时用陀螺仪和激光跟踪仪的数据采用卡尔曼滤波融合方法得到三轴气浮台的姿态角度和角速度信息；当三轴气浮台在±0.1°小角度范围运动时根据两台光电自准直仪的数据直接组合得到三轴气浮台的姿态角度和角速度信息。本发明还具有如下特征:1、如上所述的当三轴气浮台在±55°大角度范围运动时用陀螺仪和激光跟踪仪的数据采用卡尔曼滤波融合方法得到三轴气浮台的姿态角度和角速度信息，其方法步骤如下:步骤一:采用偏差四元数和陀螺漂移组成六维向量，作为滤波状态的无冗余表示，滤波器的量测方程通过激光跟踪仪的输出来获得，系统状态方程如下:
权利要求
1.一种三轴气浮台高精度姿态角度及角速度测量装置，包括激光跟踪仪(I)、智能测头(2)、陀螺仪(3)、两台光电自准直仪(4)、四面棱镜(5)和数据处理器￠)，其特征在于:激光跟踪仪(I)安装于三轴气浮台的台下，智能测头(2)固定于三轴气浮台的仪表平台上，智能测头(2)上具有靶标定位系统，激光跟踪仪(I)配合智能测头(2)能够跟踪并确定智能测头(2)转动的三维角度以及移动的三维距离，陀螺仪(3)和四面棱镜(4)固定于三轴气浮台的仪表平台上，两台光电自准直仪(4)正交放置于三轴气浮台台下，并且这两台光电自准直仪⑷的光轴分别对准四面棱镜的两个相邻的正交面，数据处理器(6)接收激光跟踪仪(I)、陀螺仪(3)和两台光电自准直仪(4)的角度和角速度数据并进行处理输出气浮台的姿态角和角速度信息；当三轴气浮台在±55°大角度范围运动时用陀螺仪(3)和激光跟踪仪(I)的数据采用卡尔曼滤波融合方法得到三轴气浮台的姿态角度和角速度信息；当三轴气浮台在±0.1°小角度范围运动时根据两台光电自准直仪(4)的数据直接组合得到三轴气浮台的姿态角度和角速度信息。
2.根据权利要求1所述的一种三轴气浮台高精度姿态角度及角速度测量装置，其特征在于:所述的当三轴气浮台在±55°大角度范围运动时用陀螺仪(3)和激光跟踪仪(I)的数据采用卡尔曼滤波融合方法得到三轴气浮台的姿态角度和角速度信息，其方法步骤如下: 步骤一:采用偏差四元数和陀螺漂移组成六维向量，作为滤波状态的无冗余表示，滤波器的量测方程通过激光跟踪仪的输出来获得，系统状态方程如下:
3.根据权利要求1所述的一种三轴气浮台高精度姿态角度及角速度测量装置，其特征在于:所述的当三轴气浮台在±0.1°小角度范围运动时根据两台光电自准直仪(4)的数据直接组合得到三轴气浮台的姿态角度和角速度信息，方法是:两台光电自准直仪正交放置，每台光电自准直仪得到两维测量数据，第一光电自准直仪得到的测量数据是(al，bl)，而第二光电自准直仪得到的测量数据是(a2，b2)，根据两台光电自准直仪的位置关系，bl和a2是对应的，那么最终的测量数据应该是(al，bl，b2)，角速度的测量采用角度差分的方式得到，其中al是第一光电自准直仪的一维光轴偏转的角度，其代表了棱镜反射面与该路光轴基准面的角度偏差为al，而bl是第一光电自准直仪的另一维光轴偏转的角度，其代表了棱镜反射面与该路光轴基准面的角度偏差为bl ；a2是第二光电自准直仪的一维光轴偏转的角度，其代表了棱镜反射面与该路光轴基准面的角度偏差为a2，而b2是第二光电自准直仪的另一维光轴偏转的角度，其代表了棱镜反射面与该路光轴基准面的角度偏差为b2。
全文摘要
本发明公开了一种三轴气浮台高精度姿态角度及角速度测量装置，在三轴气浮台的仪表平台上安装智能测头、陀螺、四面棱镜，并且在三轴气浮台台下安装激光跟踪仪，两台光电自准直仪正交放置于三轴气浮台台下，大角度运动时用陀螺仪和激光跟踪仪的数据通过卡尔曼滤波融合得到气浮台的角度和角速度信息，小角度运动时根据两台光电自准直仪的数据直接组合得到气浮台的角度和角速度信息，本装置能够实现三轴气浮台姿态角、角速度的无接触、高精度、动态测量。本发明也适用于单轴气浮台的姿态角测量。
文档编号G01C19/56GK103234512SQ20131013463
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者李莉, 夏红伟, 马广程, 王常虹, 马闯, 任顺清, 凌明祥, 王艳敏, 刘川 申请人:哈尔滨工业大学