三自由度气浮台干扰力矩组成测量装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种三自由度气浮台干扰力矩组成测量装置。包括三轴气浮台、标准气浮体、配重块、台上测量转发系统和台下接收数据处理系统，台上部分由标准气浮体及质量特性配准装置、角速度采样及其数据转发装置、电源及其转换模块组成的；台下接收数据处理系统包括台下无线传输设备、工控机和局域网服务器，利用“五步法”实时解算干扰力矩相关参数，将解算参数显示并保存成文档，本干扰力矩测量方法及其装置不但能够高精度地测量三自由度气浮台总体的干扰力矩，还能分离各干扰力矩组成及其影响参数，再此基础上给出合理的干扰力矩补偿建议。本装置具有测量精度高、测量结果完全、操作方便、测量实验时间不受限制的特点。
【专利说明】三自由度气淳台干扰力矩组成测量装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量技术，具体说涉及一种三自由度气浮台干扰力矩组成测量装置。
【背景技术】
[0002] 气浮台依靠压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成气膜，使气浮台浮起,实现近 似无摩擦的相对运动条件，以模拟卫星在外层空间所受小干扰力矩的环境。作为卫星运动 模拟器，采用球面气浮轴承支撑的三自由度气浮台，不但能模拟三轴方向所需要的姿态运 动，还能模拟卫星三轴姿态耦合动力学，通过气浮台进行全物理仿真具有重要作用，它是方 案论证和功能验证不可缺少的工具。仿真实践证明，利用气浮台进行仿真不仅对卫星姿态 控制系统验证有着重要作用，而且能够显著提高卫星的效费比，降低风险，缩短研发周期。
[0003] 气浮球轴承作为配准卫星全物理仿真系统的核心部件组件，其性能指标直接关系 到仿真测试系统的优劣，因此需给出专用的方法与设备对干扰力矩这一指标检测分析，并 当干扰力矩不满足要求时给出补偿建议。
[0004] 目前关于气浮台干扰力矩测量的方法主要有质点系动量矩定理法、旋转测量法、 周期测量法等。
[0005] 在应用的模型方面，各种干扰力矩测量方法的参考模型均类似于李延斌、包钢、王 祖温、吕彦东等在论文"三自由度气浮台自动平衡系统动力学建模"（见《中国惯性技术学 报》，2005年，13卷第5期，页码83-87)中建立的中等精度的动力学模型，不满足高承载的、 高精度测量要求；本发明通过严密的理论分析与动力学推导，建立了更完整的三自由度气 浮台动力学模型。针对高承载高精度的三自由度气浮台要求，此模型考虑了质量中心与实 际转动中心偏离，实际转动中心相对气浮台基座几何中心的漂移，气浮台交叉轴的转动惯 量，参数化了各干扰力矩组成等因素；此模型不仅更满足高精度的测量与工程实用性的要 求，而且便于多方面应用，例如测量系统构建过程中方案精度分析，三自由度气浮台姿态实 时解算，三自由度气浮台综合干扰力矩测量与成分分析，气浮台干扰力矩补偿，质量特性配 平过程中避免气浮台"倒戈现象"（一定的干扰力矩和气浮台偏心距条件下，气浮台侧翻到 现象）等。
[0006] 在测量方法方面，中国发明专利号201210321537. 9,专利名称：三轴气浮台综合 干扰力矩测量方法，提出了一种测量三轴气浮台综合干扰力矩的装置，该方法仅能测出绕 坚直轴的单轴总干扰力矩，不能分析出其他两轴干扰力矩，更不能分析出各干扰力矩的组 成。杨秀彬等在"三轴气浮台自动调节平衡和干扰力矩测试"、"三轴气浮平台常值干扰力矩 的分析与补偿"、"3自由度气浮台力学性能研究"等文章中在常值干扰力矩或静不平衡力矩 作用假设下，与实际气浮台复杂干扰力矩环境不同。如上测量方法还存在着不同的缺陷：质 点系动量矩定理法只能测量静不平衡的干扰力矩；旋转测量法只能测量沿坚直轴的干扰力 矩分量；周期测量法只能测量沿某一水平轴的干扰力矩等。
[0007] 目前，还没有一种实用的方法能够高精度测量三轴干扰力矩，也没有涉及到干扰 力矩的组成分离与补偿方法。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种三自由度气浮台干扰力矩组成测量装置，本发明可以 满足大承载情况下高精度地面全物理仿真系统的分析与设计需求。
[0009] 本发明的目的是这样实现的：一种三自由度气浮台干扰力矩组成测量装置，包括 三轴气浮台、标准气浮体、配重块、台上测量转发系统和台下接收数据处理系统，标准气浮 体安装在三轴气浮台上，配重块和台上测量转发系统安装在标准气浮体上，台下接收数据 处理系统安装在气浮台旁边的地基上，所述的台上测量转发系统包括三轴陀螺、三轴加速 度计、多通道采样卡、嵌入式计算机、可编程控制器和电池，三轴陀螺和三轴加速度计分别 与多通道采样卡相连接，多通道采样卡与嵌入式计算机连接，嵌入式计算机与可编程控制 器相连接，电池负责给台上测量转发系统供电；台下接收数据处理系统包括台下无线传输 设备、工控机和局域网服务器，无线传输设备和工控机相连，工控机和局域网服务器相连， 可编程控制器与无线传输设备无线网络连接；嵌入式计算机通过多通道采样卡采集三轴陀 螺和三轴加速度计角速度和加速度信号；嵌入式计算机能够调节配置采集卡采集模式、采 样频率的参数，采集角速度、加速度数据，对数据滤波封装后从串口发送到可编程控制器， 可编程控制器接收角速度和加速度数据，并通过无线网络传输发送给台下的工控机，台下 的工控机通过无线网络实时获取数据，利用"五步法"实时解算干扰力矩相关参数，将解算 参数显示并保存成文档，所述的"五步法"如下：
[0010] 步骤一，式（1)给出了建立的三自由度气浮台模型，通过三轴陀螺和三轴加速度 计测量数据进行捷联姿态解算获得载体相对导航坐标系角速度，再根据式（1)求解总干扰 力矩，
[0011]
【权利要求】
1. 一种三自由度气浮台干扰力矩组成测量装置，包括三轴气浮台、标准气浮体、配重 块、台上测量转发系统和台下接收数据处理系统，其特征在于：标准气浮体安装在三轴气 浮台上，配重块和台上测量转发系统安装在标准气浮体上，台下接收数据处理系统安装在 气浮台旁边的地基上，所述的台上测量转发系统包括三轴陀螺、三轴加速度计、多通道采样 卡、嵌入式计算机、可编程控制器和电池，三轴陀螺和三轴加速度计分别与多通道采样卡相 连接，多通道采样卡与嵌入式计算机连接，嵌入式计算机与可编程控制器相连接，电池负责 给台上测量转发系统供电；台下接收数据处理系统包括台下无线传输设备、工控机和局域 网服务器，无线传输设备和工控机相连，工控机和局域网服务器相连，可编程控制器与无线 传输设备无线网络连接；嵌入式计算机通过多通道采样卡采集三轴陀螺和三轴加速度计角 速度和加速度信号；嵌入式计算机能够调节配置采集卡采集模式、采样频率的参数，采集角 速度、加速度数据，对数据滤波封装后从串口发送到可编程控制器，可编程控制器接收角速 度和加速度数据，并通过无线网络传输发送给台下的工控机，台下的工控机通过无线网络 实时获取数据，利用"五步法"实时解算干扰力矩相关参数，将解算参数显示并保存成文档， 所述的"五步法"如下： 步骤一，式（1)给出了建立的三自由度气浮台模型，通过三轴陀螺7和三轴加速度计 测量数据进行捷联姿态解算获得载体相对导航坐标系角速度，再根据（1)式求解总干扰力 矩，
步骤二，对体坐标系下干扰力矩分量形式进行FFT频谱分析，分离由于电磁干扰等因 素产生的固定频率的干扰力矩分量，不包括质量偏心产生的干扰力矩分量； 步骤三，根据式（2)计算偏心距角速度相关的干扰力矩常数Κωχ，Κων，Κωζ、偏心距r、涡 流力矩M2，式中姿态角及姿态矩阵为捷联惯导系统解算获得的参数：
其中，Cf为载体系到平台系的坐标转换矩阵；
为载体总干扰力矩在平台坐标系下分量表示；
为涡流力矩在平台坐标系下的分量表示； Κωχ，Kuy，κωζ为角速度相关干扰力矩等效比例系数；
为偏心矢量在载体系内表达式； γ，Θ为气浮台的滚转角、俯仰角； 步骤四，进一步分析基座安装偏差角对干扰力矩的影响通过式（3)算出，通过多次改 变固定水平位置角处的基座坚直偏差角〇. 1度，获得多组方程，再根据（3)式求解独立参数 Kq、α、β、Mconstx、Mconsty ;
(3) 其中，K,为基座安装误差角干扰力矩系数； α为基座坚直轴偏差角； β为基座水平轴偏差位置角； Mconstx，M_sty为常值干扰力矩分量； 步骤五，用前四步解算出的独立参数，获得各干扰力矩值，三轴陀螺7和三轴加速度计 采样进行下一解算周期。
【文档编号】G01L3/00GK104296908SQ201410545398
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】王常虹, 夏红伟, 马广程, 王月明, 杨立峰, 刘飞 申请人:哈尔滨工业大学