CN101487698A - 单轴气浮台高精度姿态角测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对单轴气浮台微小移动角度的测量方法。在单轴气浮台台面上安装有测量杆系统，测量杆伸出气浮工作台，测量杆伸出端附近安装有微距测量仪，微距测量仪安装在地面上，从微距测量仪上可以读出测量杆的微小转动距离，结合测量杆的长度就可以计算出气浮台转动的微小角度，该角度测量的精度和分辨率与测量杆的长度以及微距测量仪的精度、分辨率有关。本发明单轴气浮台高精度姿态角测量方法，设备简单、精度高，特别适合气浮台微小角位移的高精度测量。本发明也可以进行其他非气浮单轴转台的微小角位移的精确测量。

Description

单轴气浮台高精度姿态角测量方法及其装置

(一)技术领域

本发明涉及测量技术，具体说就是单轴气浮台高精度姿态角测量方法及其装置。

(二)背景技术：

利用气浮台实现空间飞行器全物理/半物理仿真，能够验证控制系统方案设计的正确性，检验实际控制系统的功能和性能，是空间飞行器研制过程中的重要手段和方法。

空间飞行器全/半物理仿真过程中的一个核心问题是，要在地面上模拟空间飞行器在轨失重和无阻力等情况下的姿态运动，单轴气浮台依靠压缩空气在球面气浮轴承与轴承底座之间形成的气膜，产生向上的作用力，抵消台面的重力，使台面浮起，从而利用台面的角运动近似模拟无干扰的空间飞行器姿态运动。

空间飞行器运行过程中需要通过姿态敏感器动态地测量卫星相对于某一坐标系的姿态信息，反馈给控制计算机，经分析计算后形成控制指令，驱动执行机构实现空间飞行器姿态控制，形成闭环。因此为模拟空间飞行器运行控制过程需要进行气浮台姿态角的动态测量，且其测量精度高低直接影响了卫星姿态控制系统物理仿真的效果。传统上，利用光电码盘或感应同步器来测量刚体的角运动，由于该方法具有结构简单、测量精度高、完全数字化等受到广泛的关注和应用，但无论光电码盘还是感应同步器都受到制造工艺等的限制，其精度和分辨率几乎达到了极限，在某些高精度场合它们就不能满足需要。

经文献检索发现，气浮台姿态角测量采用无接触方式，目前的方法主要有：(1)直接照相法，(2)绘制码图法，(3)光电管接收法，(4)圆弧臂加滑架法。这些方法有的结构过于复杂，有的算法过于繁杂，并且其精度、分辨率都受到限制。

中国发明专利申请号：200410009083.7，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了一种接触式的低成本、高精度的刚体空间位置和姿态的测量装置和方法，但该方法一方面精度还是有限，另一方面该方法不适用于单轴气浮台的测量，因为气浮台需要为卫星仿真提供一个无干扰的环境，该专利提供的接触式测量装置和方法无法满足气浮台测量需求。

中国发明专利号：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，该专利利用一套CCD摄像机配合测量光标系统实现气浮台位姿的测量，但该方法成本高，技术复杂，并且关键是其精度受到摄像机系统、测量光标系统精度的限制，在高精度场合的应用受到限制。

哈尔滨工业大学的张晓友、刘墩和北京控制工程研究所的李季苏等提出了一种三轴气浮台单框伺服测角系统，该系统在气浮台基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三个姿态角。但该系统需要复杂的机械系统和敏感器系统，结构过于复杂，并且其精度受到机械装置和敏感器的限制，只能达到0.01°，很难达到高精度。

上述几种方法都可以测量大范围的角位移，对于微小的位移很难测量或其测量精度难以提高，而对于仿真过程中，有一种需求就是测量气浮台微小的位移，对其精度提出高要求，目前文献检索还没有类似的研究成果和方法。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种测量装置结构简单、成本低、精度高，不会对气浮台产生干扰的单轴气浮台高精度姿态角测量方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的：所述的单轴气浮台高精度姿态角测量装置，它是由基座1、单轴气浮台2、测量杆3和微距测量仪4组成的；基座1连接单轴气浮台2，单轴气浮台2连接测量杆3，微距测量仪4设置在与测量杆3相对应的地面上。

本发明单轴气浮台高精度姿态角测量装置还有以下技术特征：

所述的测量杆3设置在单轴气浮台2的台面上，一端伸出台面，其水平延长线通过单轴气浮台2的回转中心。

本发明一种单轴气浮台高精度姿态角测量方法，测量步骤如下：

步骤一：确认测量区域，将微距测量仪4移动到测量区域；

步骤二：从微距测量仪4上读出测量杆的转动距离；

步骤三：根据测得的转动距离和测量杆3的长度计算单轴气浮台2的角度位移。

本发明单轴气浮台高精度姿态角测量方法及其装置，测量设备简单、测量精度高，可以测量气浮台的高精度微小角位移。本发明也可以进行其它非气浮单轴转台的小角位移的精确测量。

(四)附图说明

图1为本发明单轴气浮台姿态角位移测量装置示意图；

图2为本发明根据气浮台测量杆的位移计算气浮台角位移的示意图；

图3为本发明根据气浮台测量杆的位置调整激光测距仪安装位置的示意图；

图4为本发明测量杆安装要求的示意图；

图5为本发明测量杆的有效长度和测量点的示意图。

(五)具体实施方式：

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1，结合图1、图2，本发明一种单轴气浮台高精度姿态角测量装置，它是由基座(1)、单轴气浮台(2)、测量杆(3)和微距测量仪(4)组成的；基座(1)连接单轴气浮台(2)，单轴气浮台(2)连接测量杆(3)，微距测量仪(4)设置在与测量杆(3)相对应的地面上。

所述的测量杆(3)设置在单轴气浮台(2)的台面上，一端伸出台面，其水平延长线通过单轴气浮台(2)的回转中心。

本发明一种单轴气浮台高精度姿态角测量方法，测量步骤如下：

步骤一：确认测量区域，将微距测量仪(4)移动到测量区域；

步骤二：从微距测量仪(4)上读出测量杆的转动距离；

步骤三：根据测得的转动距离和测量杆(3)的长度计算单轴气浮台(2)的角度位移。

实施例2，结合图1、图2、图3，本发明所述的单轴气浮台姿态角位移测量计算方法是这样实现的：所述的测量杆(3)通过单轴气浮台(2)的中心安装并且伸出台面，在测量杆(3)的一侧放置微距测量仪(4)，单轴气浮台(2)做一微小转动后(该角度记为θ)，微距测量仪(4)测量出测量杆(3)的水平转动距离α，测量点距离单轴气浮台(2)中心的距离记为L，因为转过的是微小的角度，则有关系 $\mathrm{tg\θ}=\frac{a}{L},$ 从而得到气浮台角位移的计算公式： $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{a}{L}\right),$ 或者近似的 $\mathrm{\θ}=\frac{a}{L}.$

由上面的公式可以看出，角度θ的分辨率、精度和微距测量仪(该例子中用的是激光测距仪)以及测量杆的长度L有关，L越长，微距测量仪的精度越高，则系统分辨率越大，测量的精度越高。由上面的公式分析可以看出，该测量装置的精度、分辨率在理论上可以无限提高。比如，在微距测量仪的精度、分辨率一定的情况下，测量杆的长度增加1倍，其测量精度和分辨率就增加1倍。

实施例3，结合图2、图5，本发明所述的测量杆(3)长度的确定和测量点的选取：假定要求的角度测量精度为0.001弧度，微距测量仪仍以激光测距仪为例，假定选取的激光测距仪的精度为0.002米，根据近似的关系 $\mathrm{\θ}=\frac{a}{L},$ 测量杆的有效长度不短于2米即可满足要求，所谓测量杆的有效长度就是指从气浮台圆心到测量杆伸出台面的杆端的长度；假定要求的角度测量分辨率为0.0005弧度，而选取的激光测距仪的分辨率为0.001米，根据近似的关系 $\mathrm{\θ}=\frac{a}{L},$ 测量杆的有效长度不短于5米既可以满足要求，综合考虑测量精度和分辨率的要求，就可以确定测量杆的长度(以较长的测量杆为准)。测量杆的有效长度确定下来之后，测量点就可以根据微距测量仪的测量特点确定下来，比如，测量杆的有效长度为5米，微距测量仪选用激光测距仪，这时只要将测量杆5米处设为测量点就可以了，这样测量杆的有效长度和测量点就确定下来了，考虑到实际测量情况，测量杆在保证其有效长度的前提下可以适当改造，比如对于微距测量仪采用激光测距仪的情况，测量点和测量杆最末端之间有一定距离，测量杆可以适当延长(5-10厘米即可)，如图5所示。

实施例4，结合图1、图3，下面说明测量区域的选取和微距测量仪的安装，在被试验设备安装完毕后，并且单轴气浮台的水平和配平都已经调整完毕，根据测量杆(3)所在的位置，将地面上的微距测量仪移动到测量杆附近(测量杆附近就是测量区域)，然后调整微距测量仪的位置使微距测量仪处于有效测量区域，即调整微距测量仪使之处于能够测量出测量杆转动距离的位置。此处仍以激光测量仪为例，被试验设备安装完毕，并且单轴气浮台的水平和配平都已经调整完毕，测量杆伸出单轴气浮台和单轴气浮台的圆周有个交点，通过该交点做单轴气浮台圆周的切线，通过测量杆的测量点做该切线的平行线，然后将激光测量仪的移动到该平行线上，如图3所示，激光测量仪的测量光束对准测量杆的测量点，根据激光测量仪的使用说明书要求，在激光测量仪和测量杆之间保持合适的距离，这样完成了激光测量仪的安装。

实施例5，结合图1，图4，所述的测量杆(3)设置在单轴气浮台(2)的台面上，一端伸出台面，其水平延长线通过单轴气浮台(2)的回转中心，是指测量杆(3)安装在单轴气浮台(2)的台面上，测量杆(3)的中线延长线通过单轴气浮台台面的回转中心，测量杆(3)的形状和长度不受限制，只要保证测量杆(3)中线延长线通过单轴气浮台(2)台面的回转中心，测量杆(3)本身既可以通过回转中心也可以不通过回转中心，如图4所示的各种情况，如果单轴气浮台台面是圆形，那么测量杆的中线延长线通过气浮台的圆心。

实施例6，本发明单轴气浮台高精度姿态角测量方法，适用于转台微小角位移的测量，当角位移较大时就不再适用，具体测量的范围由所使用的微距测量仪的量程确定。并且在同样的测量杆长度和微距测量仪的测量精度条件下，要测量的角位移越小，本发明所述的测量方法的测量精度就越高。本发明所述的测量方法也适用于其他转台的微小角位移的测量，只要将测量杆安装在转台工作台面上，要求同样是测量杆的中线通过转台工作台面的回转中心，计算和测量方法同单轴气浮台的情况一样。

Claims (3)

1.一种单轴气浮台高精度姿态角测量装置，它是由基座(1)、单轴气浮台(2)、测量杆(3)和微距测量仪(4)组成的；其特征在于：基座(1)连接单轴气浮台(2)，单轴气浮台(2)连接测量杆(3)，微距测量仪(4)设置在与测量杆(3)相对应的地面上。

2.根据权利要求1所述的一种单轴气浮台高精度姿态角测量装置，其特征在于：所述的测量杆(3)设置在单轴气浮台(2)的台面上，一端伸出台面，其水平延长线通过单轴气浮台(2)的回转中心。

3.一种单轴气浮台高精度姿态角测量方法，其特征在于：测量步骤如下：

步骤一：确认测量区域，将微距测量仪(4)移动到测量区域；

步骤二：从微距测量仪(4)上读出测量杆的转动距离；

步骤三：根据测得的转动距离和测量杆(3)的长度计算单轴气浮台(2)的角度位移。

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