CN106352839A - 一种气浮球轴承三维姿态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气浮球轴承三维姿态测量方法，气浮球轴承姿态转动时，俯仰间隙传感器和滚转间隙传感器分别测量内环与赤道面转接件在滚转轴方位和俯仰轴方位上的间隙变化，俯仰间隙传感器测量值反馈给外环驱动电机并驱动外环跟踪赤道面转接件的俯仰运动，滚转间隙传感器测量值反馈给内环驱动电机并驱动内环跟踪赤道面转接件的滚转运动，外环俯仰转动角度和内环滚转转动角度分别由外环角度传感器和内环角度传感器测量；气浮球绕体轴的自转角度通过安装在内环和赤道面转接件之间的角度传感器测量，俯仰角度由外环角度传感器和俯仰间隙传感器共同测量得到，滚转角度由内环角度传感器和滚转间隙传感器共同测量得到。

Description

一种气浮球轴承三维姿态测量方法

技术领域

本发明涉及一种气浮球轴承三维姿态测量方法，属于球轴承三维姿态测量方法技术领域。

背景技术

精密测量、高精度姿态控制、零重力环境模拟等要求相对转动的两体间不存在摩擦力或者摩擦力尽可能的小。气悬浮球轴承通过从节流嘴喷出高压气体在气浮球和球窝之间，实现它们的非接触低摩擦相对转动。由于气悬浮球轴承具有高刚度、零摩擦等特点，因此在空间零重力环境模拟、精密装配、高精度姿态控制等领域得到了广泛的应用。

气悬浮球轴承主要包括气浮球和球窝，两者通常采用研磨的方式保证最终的球面度，通过在气浮球或者球窝的节流孔供入高压气体，使两者相对悬浮，实现三轴的无摩擦转动，可以高精度的模拟失重环境和三轴姿态运动。然而，气浮球相对于球窝的转动不同于框架式的转台，其转动没有固定的转轴，这给对球轴承转动角度和角速度的测量带来困难。通常对球轴承姿态运动的测量采用在运动部件上安装惯性测量单元，如陀螺等。然而这种测量方式的缺点是：1、造价高，2、气浮球附加物改变其质量特性，3、气浮球轴承的三维姿态需要经过复杂的解算得到，且精度有限。另一种实现方式是利用室内GPS、视觉等手段进行测量，该方式虽然可以直接得到气浮球轴承相对于地面坐标系的三轴运动姿态，然而气浮球上需要安装靶标等设备，同时需要与厂房的室内GPS或视觉相机配合使用，每次移动后需要重新标定，不仅使用复杂、成本高，而且失去了独立性。

随着空间技术等高新技术发展，气浮球轴承的需求日益增加，其姿态测量问题也成了限制其推广的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种气浮球轴承三维姿态测量方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种气浮球轴承三维姿态测量方法，

一、气浮球俯仰运动时，俯仰方向内环与赤道面转接件的转动角度跟踪偏差为Δψ时，如图5所示，内环与赤道面转接件在滚转轴方位(俯仰方向)的间隙变化为

δ_ψ＝Δψ×R_ψ

其中，R_ψ为俯仰间隙传感器测头到气浮球回转中心的半径。

二、俯仰间隙传感器测量这一间隙变化得到测量值并将反馈给控制器，控制器控制外环驱动电机驱动外环转动，带动内环消除内环与赤道面转接件在滚转轴方位(俯仰方向)的间隙变化，从而消除内环对赤道面转接件俯仰运动的角度跟踪偏差，外环的俯仰角度由外环角度传感器测量，值为测量得到的气浮球的俯仰角

$\widehat{\mathrm{\ψ}}=\widehat{\mathrm{\Δ}}\mathrm{\ψ}+{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_m$

其中，

$\widehat{\mathrm{\Δ}}\mathrm{\ψ}=\frac{{\widehat{\mathrm{\δ}}}_{\mathrm{\ψ}}}{R_{\mathrm{\ψ}}}$

为解算得到的外环角度跟踪偏差。

三、气浮球滚转姿态测量与气浮球俯仰姿态测量类似，气浮球滚转运动时，滚转方向内环与赤道面转接件的转动角度跟踪偏差为Δφ时，内环与赤道面转接件在俯仰轴方位(滚转方向)的间隙变化为

δ_φ＝Δφ×R_φ

其中，R_φ为滚转间隙传感器测头到气浮球回转中心的半径。

四、滚转间隙传感器测量这一间隙变化得到测量值并将反馈给控制器，控制器控制内环驱动电机驱动内环转动消除内环与赤道面转接件俯仰轴方位(滚转方向)的间隙变化，从而消除内环对赤道面转接件滚转运动的角度跟踪偏差，内环的滚转角度由内环角度传感器测量，值为测量得到的气浮球的滚转角

$\widehat{\mathrm{\φ}}=\widehat{\mathrm{\Δ}}\mathrm{\φ}+{\widehat{\mathrm{\φ}}}_m$

其中，

$\widehat{\mathrm{\Δ}}\mathrm{\φ}=\frac{{\widehat{\mathrm{\δ}}}_{\mathrm{\φ}}}{R_{\mathrm{\φ}}}$

为解算得到的内环角度跟踪偏差。

五、在外环跟踪气浮球俯仰运动、内环跟踪气浮球的滚转运动的共同作用下，内环环面始终与气浮球赤道面共面，即内环轴线与气浮球自转轴同轴(存在很小的角度偏差为跟踪偏差)。因此，气浮球相对内环的自转角度θ，可以通过内环和赤道面转接件之间安装自转角度传感器测量，值为例如在赤道面转接件的赤道面上安装圆光栅、在内环对应位置安装光栅测头即可实现对自转角度的测量。

本发明的有益效果为：利用球轴承三维姿态测量装置，主动伺服跟踪实现三维球轴承姿态测量。通过间隙检测和主动伺服，实现内环始终与气浮球赤道面共面，即内环与气浮球及赤道面转接件非接触且回转轴与气浮球同轴。因此，内环与赤道面转接件之间安装自转角度传感器直接测量得到自转角度俯仰角度和滚转角度分别由对应通道的间隙传感器和角度传感器共同测量得到，俯仰角度测量值为滚转角度测量值为测量方法简单直观，各通道解耦，便于计算处理；完全利用球轴承三维姿态测量装置上的元器件，不需任何其它设备进行辅助，集成度高、成本低、独立性强、使用方便、便于调试维护。应用于基于气浮球轴承的高精度姿态模拟、零重力试验设备或系统时，可以提高系统的集成度，提高系统的测量精度，降低整个系统的开发难度和成本、缩短开发周期。

附图说明

图1为本发明方法中使用的气浮球轴承三维姿态测量装置的结构示意图(主视)。

图2为本发明方法中使用的气浮球轴承三维姿态测量装置的结构示意图(左视)。

图3为本发明方法中使用的气浮球轴承三维姿态测量装置的结构示意图(俯视)。

图4为本发明方法中主动伺服跟踪测量的控制原理图。

图5为本发明方法中偏差检测和角度跟踪的几何关系和原理图(以俯仰通道为例)。

图1～图3、图5中的附图标记，1为赤道面转接件，2为内环，3为外环，4为气浮球，5为外环驱动电机，6为内环驱动电机，7为气浮球窝及底座，8为俯仰间隙传感器，9为滚转间隙传感器，10为自转角度传感器，11为内环角度传感器，12为外环角度传感器。

图4中的附图标记，ψ为俯仰角、φ为滚转角、θ为自转角、Δψ为俯仰角跟踪偏差、Δφ为滚转角跟踪偏差、δ_ψ为内环与赤道面转接件俯仰方向间隙、δ_φ为内环与赤道面转接件滚转方向间隙、为俯仰间隙传感器测量值、为滚转间隙传感器测量值、ψ_m为外环转角、φ_m为内环转角、为外环角度传感器测量值、为内环角度传感器测量值、为解算得到的外环跟踪偏差、为解算得到的内环跟踪偏差、为解算得到的气浮球俯仰角、为解算得到气浮球滚转角、为测量得到的自转角。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图4和图5所示，本实施例所涉及的一种气浮球轴承三维姿态测量方法，气浮球俯仰运动时，外环对气浮球赤道面俯仰方向跟踪存在角度偏差Δψ时，俯仰间隙传感器8测量得到间隙变化值根据几何关系解算得到俯仰角度跟踪偏差为

$\widehat{\mathrm{\Δ}}\mathrm{\ψ}=\frac{{\widehat{\mathrm{\δ}}}_{\mathrm{\ψ}}}{R_{\mathrm{\ψ}}}$

控制器根据角度偏差计算控制量控制外环驱动电机驱动外环3转动，并带动内环2俯仰运动，从而消除俯仰角度跟踪偏差，即减小内环2与赤道面转接件1在滚转轴方位(俯仰方向)上的间隙变化，同时外环角度传感器12测量得到外环3的转动角度如图4所示，综合俯仰间隙传感器8和外环角度传感器12测量值得到气浮球的实时俯仰角度为

$\widehat{\mathrm{\ψ}}=\widehat{\mathrm{\Δ}}\mathrm{\ψ}+{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_m$

与俯仰姿态测量类似，气浮球发生滚装运动时，内环对气浮球赤道面滚转方向跟踪存在角度偏差Δφ时，滚转间隙传感器9测量得到滚转间隙变化值根据几何解算关系得到的滚转角度跟踪偏差为

$\widehat{\mathrm{\Δ}}\mathrm{\φ}=\frac{{\widehat{\mathrm{\δ}}}_{\mathrm{\φ}}}{R_{\mathrm{\φ}}}$

控制器根据角度偏差计算控制量控制内环驱动电机驱动内环2滚转运动，从而消除滚转角度跟踪偏差，即减小内环2与赤道面转接件1在俯仰轴方位(滚转方向)上的间隙变化，同时内环角度传感器11测量得到内环转动角度如图4所示，综合滚转间隙传感器9和内环角度传感器11测量值得到气浮球的实施滚转角度为

$\widehat{\mathrm{\φ}}=\widehat{\mathrm{\Δ}}\mathrm{\φ}+{\widehat{\mathrm{\φ}}}_m$

安装在内环2与赤道面转接件1之间的自转角度传感器10直接测量气浮球4绕体轴的自转角度

上述一种气浮球轴承三维姿态测量方法所使用的装置，包括：赤道面转接件1、内环2、外环3、气浮球4、外环驱动电机5、内环驱动电机6、气浮球窝及底座7、俯仰间隙传感器8、滚转间隙传感器9、自转角度传感器10、内环角度传感器11和外环角度传感器12，所述赤道面转接件1与气浮球4的上部安装端面连接，赤道面转接件1下部的环面与气浮球4的赤道面(与安装端面平行的最大圆面)共面，用于转接出过气浮球赤道面的自转角度传感器10、俯仰间隙传感器8和滚转间隙传感器9的测量环面；所述内环2安装在外环3上，通过外环3的转动和内环2相对外环3的转动，跟踪气浮球4的赤道面保证始终与赤道面共面，其与赤道面的不共面偏差由安装在内环2上的俯仰间隙传感器8和滚转间隙传感器9检测赤道面转接件1上赤道环面与内环2上边缘及下边缘之间的偏差实现，通过将俯仰间隙传感器8检测到的偏差反馈给外环驱动电机5和将滚转间隙传感器9检测的偏差反馈给内环驱动电机6，控制外环驱动电机5和内环驱动电机6，消除偏差；内环2通过安装在外环3的内环驱动电机6驱动转动，其转动角度通过内环转角检测装置11实现测量；所述外环3安装在气浮球窝及底座7上，俯仰间隙传感器8测量偏差反馈，并通过外环驱动电机5实现转动，转动角度通过安装在底座和外环之间的外环角度传感器12测量；外环3提供内环2的安装位置，包括转轴、驱动电机和角度测量装置；内环2与外环3的转动轴正交；所述气浮球4与气浮球窝及底座7配合实现无摩擦三轴转动；所述外环驱动电机5、气浮球窝及底座7和外环3，通过俯仰间隙传感器8反馈偏差驱动外环3转动来消除偏差；所述内环驱动电机6连接外环3和内环2，通过滚转间隙传感器9反馈偏差驱动内环2相对外环3转动，消除偏差；所述气浮球窝及底座7相对地面安装固定，通过高压气膜悬浮支撑气浮球4，与气浮球4构成气浮球轴承，同时提供外环驱动电机5和外环角度传感器12的安装位置；所述俯仰间隙传感器8和滚转间隙传感器9分别安装在内环2的滚转轴和俯仰轴方位上，分别用于测量气浮球4的俯仰运动和滚转运动造成的赤道面转接件1赤道面边缘与内环2之间的在俯仰方向和滚装方向上的间隙偏差，用来驱动外环驱动电机5和内环驱动电机6转动；所述自转角度传感器10安装在内环2和赤道面转接件1之间，用于测量赤道面转接件1和气浮球4相对于内环2的转动角度或角速度；所述内环角度传感器11安装在内环2和外环3之间，用于测量内环2相对于外环3的转动角度或角速度；所述外环角度传感器12安装在外环3和气浮球窝及底座7之间，用于测量外环3相对于气浮球窝及底座7的转动角度或角速度。

所述自转角度传感器10采用圆光栅，但不限于圆光栅。

所述俯仰间隙传感器8或滚转间隙传感器9采用电涡流传感器，但不限于电涡流传感器。

所述内环角度传感器11或外环角度传感器12采用编码器，但不限于编码器。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种气浮球轴承三维姿态测量方法，其特征在于，

一、气浮球俯仰运动时，俯仰方向内环与赤道面转接件的转动角度跟踪偏差为Δψ时，内环与赤道面转接件在滚转轴方位的间隙变化为

δ_ψ＝Δψ×R_ψ

其中，R_ψ为俯仰间隙传感器测头到气浮球回转中心的半径；

二、俯仰间隙传感器测量这一间隙变化得到测量值并将反馈给控制器，控制器控制外环驱动电机驱动外环转动，带动内环消除内环与赤道面转接件在滚转轴方位的间隙变化，从而消除内环对赤道面转接件俯仰运动的角度跟踪偏差，外环的俯仰角度由外环角度传感器测量，值为测量得到的气浮球的俯仰角

$\widehat{\mathrm{\ψ}}=\widehat{\mathrm{\Δ}}\mathrm{\ψ}+{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_m$

其中，

$\widehat{\mathrm{\Δ}}\mathrm{\ψ}=\frac{{\widehat{\mathrm{\δ}}}_{\mathrm{\ψ}}}{R_{\mathrm{\ψ}}}$

为解算得到的外环角度跟踪偏差；

三、气浮球滚转运动时，滚转方向内环与赤道面转接件的转动角度跟踪偏差为Δφ时，内环与赤道面转接件在俯仰轴方位的间隙变化为

δ_φ＝Δφ×R_φ

其中，R_φ为滚转间隙传感器测头到气浮球回转中心的半径；

四、滚转间隙传感器测量这一间隙变化得到测量值并将反馈给控制器，控制器控制内环驱动电机驱动内环转动消除内环与赤道面转接件俯仰轴方位的间隙变化，从而消除内环对赤道面转接件滚转运动的角度跟踪偏差，内环的滚转角度由内环角度传感器测量，值为测量得到的气浮球的滚转角

$\widehat{\mathrm{\φ}}=\widehat{\mathrm{\Δ}}\mathrm{\φ}+{\widehat{\mathrm{\φ}}}_m$

其中，

$\widehat{\mathrm{\Δ}}\mathrm{\φ}=\frac{{\widehat{\mathrm{\δ}}}_{\mathrm{\φ}}}{R_{\mathrm{\φ}}}$

为解算得到的内环角度跟踪偏差；

五、在外环跟踪气浮球俯仰运动、内环跟踪气浮球的滚转运动的共同作用下，内环环面始终与气浮球赤道面共面，即内环轴线与气浮球自转轴同轴，气浮球相对内环的自转角度θ，通过内环和赤道面转接件之间安装自转角度传感器测量，值为