CN103868648A - 三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法 - Google Patents

Abstract

三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法，属于物理仿真领域，本发明为解决现有测量气浮台质心技术存在的问题。本发明方法包括以下步骤：步骤一、采用双轴倾斜角传感器测量、获取X轴角速度ω_x和Y轴角速度ω_y；采用角加速度传感器测量、获取Z轴角速度ω_z；步骤二、列出三轴气浮仿真实验平台的运动学方程：步骤三、列出三轴气浮仿真实验平台的动力学方程：步骤四、对步骤三所述动力学方程的三个公式分别在时间t0、t1和t2内进行积分，并与步骤二的运动学方程联立求解，获取三轴气浮仿真实验平台的质心位置（r_x，r_y，r_z）。

Description

三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法

技术领域

本发明涉及三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法，属于物理仿真领域。

背景技术

随着人们对外太空的探索，将研制的卫星置于气浮仿真平台进行仿真测试，以此降低研究成本，提高卫星执行任务的成功率，已经成为研制发射卫星的必要步骤。三轴仿真实验平台主要用于模拟飞行器等设备在某种环境下的姿态运动。控制技术和计算机技术的发展，以及新型材料的开发运用，使得三轴气浮仿真实验平台体积变小，刚度加大，承载能力更高。此外科学技术的进步还使得三轴气浮仿真实验平台的控制精度以及位资精度都有了极大的提高。因此，三轴气浮仿真实验平台将不再仅限于空间飞行器的实验模拟，也逐渐适用于其他各种方向，如航海时的模拟训练以及某些高精度，高成本的实验设备在投入使用之前的仿真测试。

在三轴气浮仿真实验平台中工作台是气浮台的本体，它用来安装姿态控制系统的测试部件。由于卫星在空间飞行时所须的驱动力矩很小，所以在进行地面模拟试验时，必须将干扰力矩控制到很小的数值。当各项干扰力矩控制到规定数值后，工作台便可浮在球轴承上在任意姿态角达随迁平衡，以实现稳定，此时卫星就像飘浮在空间飞行轨道上一样，再通过遥测、遥控装置，姿控系统就可在模拟台上进行各种试验了。传统人工调平费时费力，且往往达不到良好的调节效果。通过此调平机构，使旋转中心与整体质心重合，研制出的工作台具有很高的平衡精度，以满足地面仿真实验的使用要求。

中国专利《一种三维姿态角的测量方法和系统》，其公开号为CN102135421A，公开日为2011年10月12日，该专利提出了通过分析两路平行光线经孔光阑在图像传感器上形成的光斑，求解出平台三维空间的运动信息的方案。但是上述装置未考虑仿真实验时实验环境可能不够理想化，如灰尘，线缆等对光线的遮挡以及机械台体的震动带动光线的震荡，都会影响测量的准确性。

中国专利《一种适用于光纤陀螺观测系统的质心测量装置》，其公开号为CN201138270，公开日为2009年1月14日，该专利用于测量陀螺敏感轴上的速度。然而光纤陀螺属于电子陀螺，无转动部分，易受电磁干扰，使用场合受限制。其漂移非常大，在实际应用中，如果用于精确的导航、制导，需要进行非常复杂的解算和补偿。

中国专利《一种只用单个电子水平仪的质心调节装置》，其公开号为CN101900627A，公开日为2011年9月14日，该专利虽然可以直接得到一个平面即X、Y平面上的姿态角信息，但是在调节Z向时其方法采用了电机带动质量块上升，直至电子水平仪输出非零信号，即三轴气浮台台面处于临界状态。此种临界状态较难判断，需要丰富的工程经验，最后偏差较大，并且在Z向调解过程中难以求解质心具体位置。

发明内容

本发明目的是为了解决现有测量气浮台质心技术存在的问题，提供了一种三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法。

本发明所述三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、采用双轴倾斜角传感器测量三轴气浮仿真实验平台的X轴角度信息和Y轴角度信息，进而获取X轴角速度ω_x和Y轴角速度ω_y；

采用角加速度传感器测量三轴气浮仿真实验平台的Z轴旋转角的角加速度，进而获取Z轴角速度ω_z；

步骤二、根据步骤一获取的X轴角速度ω_x、Y轴角速度ω_y和Z轴角速度ω_z列出三轴气浮仿真实验平台的运动学方程：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}\end{array}\right]={\left(\cos \right)}^{-1}\·\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ 0& \cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}& -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}\\ 0& \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right]$

其中，φ为横滚角，

为横滚角的微分；θ为俯仰角，

为俯仰角的微分；ψ为偏航角，

为偏航角的微分；

步骤三、将步骤一获取的X轴角速度ω_x、Y轴角速度ω_y和Z轴角速度ω_z微分，列出三轴气浮仿真实验平台的动力学方程：

其中：I_x表示X轴的转动惯量，I_y表示Y轴的转动惯量，I_z表示Z轴的转动惯量；

m表示三轴气浮仿真实验平台及仿真部件总质量；

g为重力加速度；

（r_x，r_y，r_z）表示三轴气浮仿真实验平台的质心位置；

步骤四、对步骤三所述动力学方程的三个公式分别在时间t0、t1和t2内进行积分，并与步骤二的运动学方程联立求解，获取三轴气浮仿真实验平台的质心位置（r_x，r_y，r_z）：

本发明的优点：本发明所述三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法调节方案较为便捷，受环境影响较小且具有较高的测量精度。

附图说明

图1是本发明所述三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法的控制原理框图；

图2是本发明所述三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、采用双轴倾斜角传感器测量三轴气浮仿真实验平台的X轴角度信息和Y轴角度信息，进而获取X轴角速度ω_x和Y轴角速度ω_y；

采用角加速度传感器测量三轴气浮仿真实验平台的Z轴旋转角的角加速度，进而获取Z轴角速度ω_z；

步骤二、根据步骤一获取的X轴角速度ω_x、Y轴角速度ω_y和Z轴角速度ω_z列出三轴气浮仿真实验平台的运动学方程：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}\end{array}\right]={\left(\cos \right)}^{-1}\·\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ 0& \cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}& -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}\\ 0& \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right]$

其中，φ为横滚角，

为横滚角的微分；θ为俯仰角，

为俯仰角的微分；ψ为偏航角，为偏航角的微分；

步骤三、将步骤一获取的X轴角速度ω_x、Y轴角速度ω_y和Z轴角速度ω_z微分，列出三轴气浮仿真实验平台的动力学方程：

其中：I_x表示X轴的转动惯量，I_y表示Y轴的转动惯量，I_z表示Z轴的转动惯量；

m表示三轴气浮仿真实验平台及仿真部件总质量；

g为重力加速度；

（r_x，r_y，r_z）表示三轴气浮仿真实验平台的质心位置；

步骤四、对步骤三所述动力学方程的三个公式分别在时间t0、t1和t2内进行积分，并与步骤二的运动学方程联立求解，获取三轴气浮仿真实验平台的质心位置（r_x，r_y，r_z）：

该方法涉及的控制原理框图如图1所示，

双轴倾角传感器采用陀螺仪来实现。角加速度传感器采用电子倾角仪来实现。

当三轴气浮仿真实验平台质心与气浮球轴承旋转中心不重合时，气浮球轴承上的载物平台会呈现出一种周期震荡的运动状态。该三轴气浮仿真实验平台运动时即可看作是本体坐标系相对于参考坐标系的定点旋转运动。根据欧拉定理，以原点为旋转中心，绕Z轴旋转偏航角ψ，然后绕Y轴旋转俯仰角θ，最后，以X轴为旋转轴旋转横滚角φ。此时这三个欧拉角ψ，θ，φ就可以确定本体坐标系中平台旋转的任何一个姿态。

三个欧拉角ψ，θ，φ为中间变量，

代表欧拉角的微分，即三个欧拉角的角速度。I_x，I_y，I_z为已知量，在三轴气浮仿真实验平台制作时就确定了。

步骤四中对步骤三所述动力学方程的三个公式分别在时间t0、t1和t2内进行积分，此法既可以保证等式成立，又可解决解算过程中欧拉角矩阵不可逆的情况。联立平台运动学公式及动力学公式，将质心位置（r_x，r_y，r_z）作为未知量，即可反解出三轴气浮仿真实验平台当前质心位置。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤一中获取X轴角速度ω_x和Y轴角速度ω_y的获取过程为：

双轴倾斜角传感器测量三轴气浮仿真实验平台的X轴角度信息和Y轴角度信息，所述X轴角度信息经串行通信接口电路输出给工控机，工控机对X轴角度信息进行微分处理，获取X轴角速度ω_x；

所述Y轴角度信息经RS485接口电路输出给工控机，工控机对Y轴角度信息进行微分处理，获取Y轴角速度ω_y。

串行通信接口电路采用RS485或RS232串行接口电路。

具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤一中Z轴角速度ω_z的获取过程：

角加速度传感器测量三轴气浮仿真实验平台的Z轴旋转角的角加速度，所述Z轴旋转角的角加速度由A/D转换电路转换成数字信号的角加速度，所述数字信号的角加速度被工控机进行积分处理，获取Z轴角速度ω_z。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，t0=8ms～12ms；t1=16ms～25ms；t2=25ms～35ms。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一作进一步说明，t0=10ms；t1=20ms；t2=30ms。

Claims (6)

1.三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、采用双轴倾斜角传感器测量三轴气浮仿真实验平台的X轴角度信息和Y轴角度信息，进而获取X轴角速度ω_x和Y轴角速度ω_y；

采用角加速度传感器测量三轴气浮仿真实验平台的Z轴旋转角的角加速度，进而获取Z轴角速度ω_z；

步骤二、根据步骤一获取的X轴角速度ω_x、Y轴角速度ω_y和Z轴角速度ω_z列出三轴气浮仿真实验平台的运动学方程：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}\end{array}\right]={\left(\cos \right)}^{-1}\·\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ 0& \cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}& -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}\\ 0& \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right]$

其中，φ为横滚角，

为横滚角的微分；θ为俯仰角，

为俯仰角的微分；ψ为偏航角，

为偏航角的微分；

步骤三、将步骤一获取的X轴角速度ω_x、Y轴角速度ω_y和Z轴角速度ω_z微分，列出三轴气浮仿真实验平台的动力学方程：

其中：I_x表示X轴的转动惯量，I_y表示Y轴的转动惯量，I_z表示Z轴的转动惯量；

m表示三轴气浮仿真实验平台及仿真部件总质量；

g为重力加速度；

（r_x，r_y，r_z）表示三轴气浮仿真实验平台的质心位置；

步骤四、对步骤三所述动力学方程的三个公式分别在时间t0、t1和t2内进行积分，并与步骤二的运动学方程联立求解，获取三轴气浮仿真实验平台的质心位置（r_x，r_y，r_z）：

2.根据权利要求1所述三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法，其特征在于，步骤一中获取X轴角速度ω_x和Y轴角速度ω_y的获取过程为：

双轴倾斜角传感器测量三轴气浮仿真实验平台的X轴角度信息和Y轴角度信息，所述X轴角度信息经串行通信接口电路输出给工控机，工控机对X轴角度信息进行微分处理，获取X轴角速度ω_x；

所述Y轴角度信息经RS485接口电路输出给工控机，工控机对Y轴角度信息进行微分处理，获取Y轴角速度ω_y。

3.根据权利要求2所述三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法，其特征在于，串行通信接口电路采用RS485或RS232串行接口电路。

4.根据权利要求1所述三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法，其特征在于，步骤一中Z轴角速度ω_z的获取过程：

角加速度传感器测量三轴气浮仿真实验平台的Z轴旋转角的角加速度，所述Z轴旋转角的角加速度由A/D转换电路转换成数字信号的角加速度，所述数字信号的角加速度被工控机进行积分处理，获取Z轴角速度ω_z。

5.根据权利要求1所述三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法，其特征在于，t0=8ms～12ms；t1=16ms～25ms；t2=25ms～35ms。

6.根据权利要求1所述三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法，其特征在于，t0=10ms；t1=20ms；t2=30ms。

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