CN102944234B

CN102944234B - 气浮平台位姿测量装置及其测量方法

Info

Publication number: CN102944234B
Application number: CN201210454095.5A
Authority: CN
Inventors: 马广程; 夏红伟; 王常虹; 李莉; 任顺清; 凌明祥; 曲耀斌; 安昊
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2032-11-02
Also published as: CN102944234A

Abstract

一种气浮平台位姿测量装置及其测量方法，装置包括直线运动单元、辅测滑台机构和台上固定机构，所述的直线运动单元通过连接臂与辅测滑台机构连接，辅测滑台机构与台上固定机构连接，台上固定机构安装于气浮平台上；台上固定机构和辅测滑台机构安放于光滑的工作台上。方法如下：将直线运动单元安放于气浮平台工作区间旁，辅测滑台机构安放于工作台上并和直线运动单元连接在一起，将台上固定机构安装于气浮平台上；将台上固定机构上磁致伸缩传感器的测量杆穿过辅测滑台机构上的磁环；根据外线反馈控制辅测滑台机构跟踪气浮平台根据磁致伸缩传感器和两个编码器的数据就可以实现气浮平台的位姿测量。本发明原理简单、方便实用、费用低。

Description

气浮平台位姿测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术，具体说就是气浮平台位姿测量装置及其测量方法。

背景技术

气浮平台依靠压缩空气在气浮轴承与轴承基座(通常采用大理石)之间形成的气膜，使台体浮起，从而实现近似无摩擦的相对运动条件，可以模拟卫星在外层空间所受干扰力矩很小的力学环境。作为卫星运动模拟器，采用气浮平台，可以模拟其平面三维运行特性，通过气浮平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，利用气浮平台进行仿真不仅对卫星姿轨控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。

在进行仿真时需要进行气浮平台的位置和姿态的测量，这些数据对于试验分析和位姿控制是必须的，需要测量的数据包括气浮平台的二维平动和绕竖直轴的一维转动量。根据调研，由于气浮平台的特殊性，不允许有线干扰，以往通常采用无线测量方式。例如，可以采用激光跟踪仪(如瑞士的Leiea、美国的API等著名品牌)实现气浮平台的位姿测量，但这种方案费用高，对一些有经费限制的项目不适用；采用安装在气浮平台上的惯性元件(如陀螺和加速度计)也可以实现气浮平台的位姿测量，但由于陀螺和加速度计的精度和采样速度限制，往往很难实现高精度测量，并且数据只能以无线的方式下传，很难实现高采样率测量，并且这些惯性元件的供电只能采用台上电池供电的方法，这又额外增加了系统的设计难度。刘伟、徐斌等在论文“卫星气浮平台视觉测量系统研究”(见《微计算机信息》，2008年，24卷第4-1期，页码124-126)中利用机器视觉检测气浮平台的位姿信息，但这种方法精度不高(位置误差1mm，角度误差2。)，并且视觉测量的带来另一个问题是数据采样慢，限制了其工程应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原理简单、成本低、操作方便的气浮平台位姿测量装置及其测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种气浮平台位姿测量装置，包括直线运动单元、辅测滑台机构和台上固定机构，所述的直线运动单元通过连接臂与辅测滑台机构连接，辅测滑台机构与台上固定机构连接，台上固定机构安装于气浮平台上；台上固定机构和辅测滑台机构安放于光滑的工作台上。

本发明还具有如下特征：

1、所述的辅测滑台机构包括气浮平台、气浮滑轨、第一编码器和磁环，气浮平台与气浮滑轨连接，气浮滑轨与第一编码器连接，第一编码器与磁环连接。

2、所述的台上固定机构包括安装底座、第二编码器和磁致伸缩传感器；第二编码器安装于安装底座上，第二编码器与磁致伸缩传感器连接。

3、所述的磁致伸缩传感器上设置有测量杆，测量杆穿过辅测滑台机构上的磁环紧密连接。

4、使用如上所述的一种气浮平台位姿测量装置得出的一种气浮平台位姿测量方法，包括如下步骤：

步骤一：将直线运动单元安放于气浮平台工作区间旁，将辅测滑台机构安放于工作台上并和直线运动单元连接在一起，将台上固定机构安装于气浮平台上；

步骤二：将台上固定机构上磁致伸缩传感器的测量杆穿过辅测滑台机构上的磁环；

步骤三：给系统通气，气浮平台和辅测滑台机构浮起；

步骤四：给系统通电，直线运动单元根据外线反馈控制辅测滑台机构跟踪气浮平台；

记(x₁，y₁)为直线运动单元输出的辅测滑台机构的平面位置坐标信息，L₁为磁致传感器测量的长度，L₂为磁致伸缩传感器的安装中心与气浮平台中心的直线距离，a₁为第一编码器输出的角度值，a₂为第二编码器输出的角度值；则有：

气浮平台位置信息(x，y)为

\{\begin{matrix} x = x_{1} + L_{1} \times \cos (a_{1}) + L_{2} \times \cos (a_{1} + a_{2}) \\ y = y_{1} + L_{1} \times \sin (a_{1}) + L_{2} \times \sin (a_{1} + a_{2}) \end{matrix};

气浮平台绕z轴即竖直轴的偏航角＝a₁+a₂-90°。

综上所述，气浮平台的3个自由度(二维平动加一维转动)信息可以根据磁致伸缩传感器和编码器的测量值计算得到。本发明气浮平台位姿测量装置和方法，原理简单、方便实用、费用低，并且因为是有线传输可以实现高频数据刷新率。

附图说明

图1为气浮平台位姿测量原理示意图；

图2为气浮平台位姿测量装置结构示意图；

图3为台上固定机构和辅测滑台机构连接示意图。

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，本发明气浮平台位姿测量装置，包括直线运动单元9、辅测滑台机构12和台上固定机构10，所述的直线运动单元9通过连接臂11与辅测滑台机构12连接，辅测滑台机构12与台上固定机构10连接，台上固定机构10安装于气浮平台13上；台上固定机构10和辅测滑台机构12安放于光滑的工作台上。

所述的辅测滑台机构12包括气浮平台1、气浮滑轨2、第一编码器3和磁环4，气浮平台1与气浮滑轨2连接，气浮滑轨2与第一编码器3连接，第一编码器3与磁环4连接。

所述的台上固定机构10包括安装底座5、第二编码器6和磁致伸缩传感器7；第二编码器6安装于安装底座5上，第二编码器6与磁致伸缩传感器7连接。

所述的磁致伸缩传感器7上设置有测量杆8，测量杆8穿过辅测滑台机构上12的磁环4紧密连接。

测量原理如下：

气浮平台具有X、Y二维平动运动和绕Z轴的转动运动，为了测量这3个参数，采用如图2所示的测量装置。气浮导轨的运动由磁致伸缩传感器测量，磁致伸缩传感器属于非接触的绝对测量，典型测量精度优于0.1mm。测量杆的一端与安装于运动模拟器上的编码器I连接，另一端与直线运动单元上的编码器II连接，编码器可以选用德国HEIDENHAIN的绝对值式编码器，起动力矩小于0.08Nm。

有一个前提需要说明，安装于气浮平台大理石旁的直线运动单元可以实现对气浮平台的随动跟踪，这个精度要求不高(比如5～10mm)，这个随动跟踪在控制领域是一个容易实现的工程问题，在此不展开论述。在本发明中，要求直线运动单元实时测量并控制与气浮平台的距离在一定范围内(该范围的大小可以根据需要设定)，即直线运动单元拖动测量机构的同时实时跟踪气浮平台。试验开始后，气浮平台的运动必然使测量杆与两个连接点的夹角发生变化，考虑到气浮平台的速度变化，采用小型气浮平台上的气浮导轨作前后滑动(导轨运动行程可以自由设计)，这样可以避免直线运动单元的频繁启动停止，并且大大降低了气浮平台主动随动控制系统的精度要求，通过两个角度编码器的数据、磁致伸缩传感器的数据就可以确定气浮平台水平方向两个自由度及转动自由度的测量。具体原理如下所示：

如图1所示，记L₁是磁致传感器测量的长度，在A1与A2连接处，通过光电编码器进行角度的测量，进而由初值及该时刻的实时值可以得出在该时刻磁致传感器相对于基准方向的角度a₁与a₂。通过以上机构和传感器的测量，即可推算出某一时刻气浮平台质心M在大理石平面的二维坐标及气浮平台绕质心转过的角度。

坐标关系推导：

由上图几何关系容易得出：

a = a_{1} + a_{2} - \frac{π}{2}

不妨设A1点坐标(x₁，y₁)，则A2(x₂，y₂)点坐标为：

\{\begin{matrix} x_{2} = x_{1} + L_{1} \times \cos (a_{1}) \\ y_{2} = y_{1} + L_{1} \times \sin (a_{1}) \end{matrix}

质心M(x，y)坐标为：

\{\begin{matrix} x = x_{1} + L_{1} \times \cos (a_{1}) + L_{2} \times \cos (\frac{π}{2} + a) = x_{1} + L_{1} \times \cos (a_{1}) - L_{2} \times \sin (a_{1} + a_{2} - \frac{π}{2}) \\ = x_{1} + L_{1} \times \cos (a_{1}) + L_{2} \times \cos (a_{1} + a_{2}) \\ y = y_{1} + L_{1} \times \sin (a_{1}) + L_{2} \times \sin (\frac{π}{2} + a) = y_{1} + L_{1} \times \sin (a_{1}) + L_{2} \times \cos (a_{1} + a_{2} - \frac{π}{2}) \\ = y_{1} + L_{1} \times \sin (a_{1}) + L_{2} \times \sin (a_{1} + a_{2}) \end{matrix}

因此：

气浮平台绕Z轴(竖直轴)的角度信息(通常称为偏航角)根据输出的编码器I、II的角度信息就可以测得，即：偏航角＝编码器I的角度值+编码器II的角度值-90°，最大误差为两个编码器误差的和。

气浮平台的位置信息(x，y)为：

\{\begin{matrix} x = x_{1} + L_{1} \times \cos (a_{1}) + L_{2} \times \cos (a_{1} + a_{2}) \\ y = y_{1} + L_{1} \times \sin (a_{1}) + L_{2} \times \sin (a_{1} + a_{2}) \end{matrix}

其中，x₁，y₁为直线运动单元输出的辅测滑台机构的位置坐标信息，L₁为磁致传感器测量的长度，L₂为磁致伸缩传感器的安装中心与气浮平台中心的直线距离。a₁为编码器I输出的角度值，a₂为编码器II输出的角度值，

为进一步说明本发明的特征，下面进行测量精度分析：

为便于进行定量分析，下面分析中假定两个编码器的精度都为10角秒(这个精度指标在光电编码器中属于一般精度，容易得到)，磁致伸缩传感器的精度为0.1mm，测量长度L₁为1600mm，安装位置L₂为400mm。

(a)绕质心转角精度(取最大值的累加)：

|Δa|≤|Δa₁|_max+|Δa₂|_max＝20″

(b)对于横坐标x，我们假设每一个传感器均有一个微小的测量误差，于是得到有误差的计算值如下：

x′＝(x₁+Δx₁)+(L₁+ΔL₁)×cos(a₁+Δa₁)+L₂×cos(a₁+Δa₁+a₂+Δa₂)

Δx＝x′-x＝Δx₁+L₁[cos(a₁+Δa₁)-cos(a₁)]+ΔL₁cos(a₁+Δa₁)+L₂[cos(a₁+Δa₁+a₂+Δa₂)-cos(a₁+a₂)]

＝Δx₁+L₁[cos(a₁)-sin(a₁)Δa₁+O(Δa₁ ²)-cos(a₁)]+ΔL₁[cos(a₁)-sin(a₁)Δa₁+O(Δa₁ ²)]

+L₂[cos(a₁+a₂)-sin(a₁+a₂)(Δa₁+Δa₂)+O((Δa₁+Δa₂)²)-cos(a₁+a₂)]

由于光电编码器的最大测量误差很小(大约为10角秒)，可得忽略了角度测量误差平方项的值：

Δx≈Δx₁-L₁sin(a₁)Δa₁+cos(a₁)ΔL₁-sin(a₁)ΔL₁Δa₁-L₂sin(a₁+a₂)(Δa₁+Δa₂)

下面对这个整体测量误差的最大值进行分析。由于传感器的测量误差符号不确定，而总误差中各项符号均有传感器测量误差符号决定，故可以考虑最坏的一种情况，即所有的误差项均为正：

|Δx₁|_max＝0.1mm

{| L_{1} \sin (a_{1}) Δ a_{1} |}_{\max} \leq 1600 \times 1 \times (\frac{20}{3600} \times \frac{π}{180}) \approx 0.155 mm

|cos(a₁)ΔL₁|_max≤1×0.1＝0.1mm

{| \sin (a_{1}) Δ L_{1} Δ a_{1} |}_{\max} = 1 \times 0.1 \times (\frac{20}{3600} \times \frac{π}{180}) = 9.7 \times 10^{- 6} mm

{| L_{2} \sin (a_{1} + a_{2}) ({Δa}_{1} + {Δa}_{2}) |}_{\max} = 400 \times 1 \times 2 \times (\frac{20}{3600} \times \frac{π}{180}) = 0.078 mm

于是得到：

Δx≤|Δx₁|_max+|L₁sin(a₁)Δa₁|_max+|cos(a₁)ΔL₁|_max+|sin(a₁)ΔL₁Δa₁|_max+|L₂sin(a₁+a₂)(Δa₁+Δa₂)|_max

Δx≤0.1+0.155+0.1+9.7×10^-6+0.078≤0.44mm

(c)对于纵坐标y，同样分析可得出：

Δy＝Δy₁+L₁[cos(a₁)Δa₁+O(Δa₁ ²)]+ΔL₁[sin(a₁)+cos(a₁)Δa₁+O(Δa₁ ²)]

+L₂[cos(a₁+a₂)(Δa₁+Δa₂)+O((Δa₁+Δa₂)²)]

忽略转角误差二次项有：

Δy≈Δy₁+L₁cos(a₁)Δa₁+sin(a₁)ΔL₁+cos(a₁)ΔL₁Δa₁+L₂cos(a₁+a₂)(Δa₁+Δa₂)

估计后有：

Δy≤0.44mm

因此：转角测量的最大误差为20角秒，质心坐标最大误差为0.44mm，质心距离最大误差为0.63mm。

实施例2：

结合图2、图3，本发明气浮平台位姿测量装置和方法，所述的测量方法步骤如下：

步骤一：将直线运动单元9安放于气浮平台工作区间旁，将辅测滑台机构12安放于工作台上并和直线运动单元9连接在一起，将台上固定机构10安装于气浮平台13上；

步骤二：将台上固定机构上磁致伸缩传感器7的测量杆8穿过辅测滑台机构上的磁环4；

步骤三：给系统通气，气浮平台13和辅测滑台机构12浮起；

步骤四：给系统通电，直线运动单元9根据外线反馈控制辅测滑台机构12跟踪气浮平台13；

记(x₁，y₁)为直线运动单元输出的辅测滑台机构12的平面位置坐标信息，L₁为磁致传感器7测量的长度，L₂为磁致伸缩传感器7的安装中心与气浮平台13中心的直线距离，a₁为第一编码器输出的角度值，a₂为第二编码器输出的角度值；则有：

气浮平台位置信息(x，y)为

\{\begin{matrix} x = x_{1} + L_{1} \times \cos (a_{1}) + L_{2} \times \cos (a_{1} + a_{2}) \\ y = y_{1} + L_{1} \times \sin (a_{1}) + L_{2} \times \sin (a_{1} + a_{2}) \end{matrix};

气浮平台绕Z轴即竖直轴的偏航角＝a₁+a₂-90°。

本发明还有以下特征：

(1)磁致伸缩传感器属于非接触型测量，配合小型气浮平台、滑轨等可以保证辅测滑台机构与气浮平台之间实现非接触测量。

(2)因为实现了非接触式的有线测量，因此可以达到很高的采样速度。

Claims

1.一种气浮平台位姿测量装置，包括直线运动单元(9)、辅测滑台机构(12)和台上固定机构(10)，其特征在于：所述的直线运动单元(9)通过连接臂(11)与辅测滑台机构(12)连接，辅测滑台机构(12)与台上固定机构(10)连接，台上固定机构(10)安装于第一气浮平台(13)上；台上固定机构(10)和辅测滑台机构(12)安放于光滑的工作台上；所述的辅测滑台机构(12)包括第二气浮平台(1)、气浮滑轨(2)、第一编码器(3)和磁环(4)，第二气浮平台(1)与气浮滑轨(2)连接，气浮滑轨(2)与第一编码器(3)连接，第一编码器(3)与磁环(4)连接；所述的台上固定机构(10)包括安装底座(5)、第二编码器(6)和磁致伸缩传感器(7)；第二编码器(6)安装于安装底座(5)上，第二编码器(6)与磁致伸缩传感器(7)连接；所述的磁致伸缩传感器(7)上设置有测量杆(8)，测量杆(8)穿过辅测滑台机构上(12)的磁环(4)紧密连接。

2.使用如权利要求1所述的一种气浮平台位姿测量装置得出的一种气浮平台位姿测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将直线运动单元(9)安放于气浮平台工作区间旁，将辅测滑台机构(12)安放于工作台上并和直线运动单元(9)连接在一起，将台上固定机构(10)安装于第一气浮平台(13)上；

步骤二：将台上固定机构上磁致伸缩传感器(7)的测量杆(8)穿过辅测滑台机构上的磁环(4)；

步骤三：给系统通气，第一气浮平台(13)和辅测滑台机构(12)浮起；

步骤四：给系统通电，直线运动单元(9)根据外线反馈控制辅测滑台机构(12)跟踪第一气浮平台(13)；

记(x₁，y₁)为直线运动单元输出的辅测滑台机构(12)的平面位置坐标信息，L₁为磁致伸缩传感器(7)测量的长度，L₂为磁致伸缩传感器(7)的安装中心与第一气浮平台(13)中心的直线距离，a₁为第一编码器输出的角度值，a₂为第二编码器输出的角度值；则有：

气浮平台位置信息(x，y)为

\{\begin{matrix} x = x_{1} + L_{1} \times c o s (a_{1}) + L_{2} \times c o s (a_{1} + a_{2}) \\ y = y_{1} + L_{1} \times s i n (a_{1}) + L_{2} \times s i n (a_{1} + a_{2}) \end{matrix};

气浮平台绕Z轴即竖直轴的偏航角＝a₁+a₂-90°。