CN106502277B - 基于跟踪技术的三轴气浮台超高精度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

公开了基于跟踪技术的三轴气浮台超高精度测量装置及方法，其中所述装置包括：三轴气浮台、四面棱镜、圆形导轨、滑车、竖梁、纵向运动台、转台、光电自准直仪和控制器。本发明采用包括圆形导轨、滑车、竖梁、纵向运动台和转台的跟踪系统，能够根据三轴气浮台的机动范围调整两台光电自准直仪与对应四面棱镜的相对位置关系，扩大三轴气浮台测量装置的测量范围，实现大范围动态测量。此外，由于圆形导轨、滑车、纵向运动台和转台可以达到角秒级的控制精度，因此本发明能够实现角秒级精度的高精度测量。

Description

基于跟踪技术的三轴气浮台超高精度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及卫星运动模拟技术领域，尤其涉及基于跟踪技术的三轴气浮台超高精度测量装置及方法。

背景技术

以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有技术。

三轴气浮台是卫星姿态控制系统全物理仿真的关键装置，用于在全物理仿真实验中检验卫星控制系统的性能，是空间飞行器研制过程中的重要手段和方法。

三轴气浮台基于球轴承构建，球轴承依靠压缩空气形成高压气膜将模拟台体浮起，模拟卫星外太空中微干扰力矩的运行环境。三轴气浮台在试验过程中需要通过姿态测量系统实时给出气浮台的三维姿态信息(角度、角速度)，以便完成控制闭环。由于三轴气浮台需要为卫星姿态控制系统物理仿真提供无干扰的运行环境，以往接触式的测量装置和方法(如旋转变压器、感应同步器、光电码盘、光栅等)不适用于三轴气浮台的测量，需要考虑新的测量方法和装置。

申请号为200610010260.2的中国发明专利公开了三轴气浮台姿态角测量装置及其测量方法，该专利在三轴气浮台上方安装有CCD摄像机，在气浮台台面上安装有测量LED光标系统，利用计算机视觉理论结合测量光标点间的距离信息，计算出气浮台台面相对于摄像机的相对运动参数。但是，基于图像处理技术的测量方法主要的问题是精度不高，目前的测量水平通常在0.05°左右。

申请号为201310134631.8的中国发明专利公开了三轴气浮台高精度姿态角度及角速度测量装置，申请号为2015103595475的中国发明专利公开了卫星地面物理仿真系统超高精度姿态测量方法及装置，这些公开的技术方案依靠激光跟踪仪、惯组、光电自准直仪等测量三轴气浮台的姿态信息，大范围运动时精度可以达到0.01°，小范围定向指向精度可以达到1角秒。但是，基于激光跟踪仪的测量方法精度达到0.01°时，其测量范围通常不大于±60°；基于多光电自准直仪的测量方法局部指向精度达到1角秒时，其测量范围通常不超过0.5°。现在航天测试任务中要求大范围动态测量精度达到角秒级(典型值3角秒)，因此上述方法不适用于大范围运动的情况。

发明内容

本发明的目的在于提出基于跟踪技术的三轴气浮台超高精度测量装置及方法，不仅能够扩大三轴气浮台测量装置的测量范围，而且能够在大范围动态测量中实现角秒级的测量精度。

根据本发明的一个方面，提供了基于跟踪技术的三轴气浮台超高精度测量装置，包括：三轴气浮台、四面棱镜、圆形导轨、滑车、竖梁、纵向运动台、转台、光电自准直仪和控制器；其中，

三轴气浮台设置在圆形导轨的内部，三轴气浮台的仪表平台上设置两个四面棱镜，每个四面棱镜均为由四个相互正交垂直的镜面构成的四方柱结构，四面棱镜的镜面与仪表平台的上表面垂直；

圆形导轨上设置两个能够沿着圆形导轨移动的滑车，每个滑车上设置一个与圆形导轨所在平面垂直的竖梁；竖梁的一端设置在滑车上，另一端与一个纵向运动台连接，纵向运动台上设置一个转台；纵向运动台能够沿着竖梁上下移动、转台具有俯仰角和偏航角方向的自由度；

光电自准直仪安装在转台上，用于采集四面棱镜的姿态角数据并发送给控制器；每个光电自准直仪对应一个四面棱镜，采集过程中两个光电自准直仪的光轴不在同一直线上；

控制器用于控制滑车、纵向运动台和转台的移动和转动，并根据接收的姿态角数据确定三轴气浮台的姿态角信息。

优选地，四面棱镜设置在仪表平台的上表面、和/或周向侧面上。

优选地，两个四面棱镜正交设置在仪表平台上。

优选地，三轴气浮台的仪表平台上表面为圆形平面，仪表平台上表面的圆心与圆形导轨的圆心重合。

优选地，圆形导轨上的两个滑车联动设置。

优选地，转台为二维转台。

根据本发明的另一方面，提供了采用上述装置的三轴气浮台超高精度测量方法，包括：

S1、在三轴气浮台从初始姿态至当前姿态的过程中，利用两个光电自准直仪中的其中一个捕捉对应四面棱镜反射的光线，获取该四面棱镜的第一姿态角并发送给控制器；

S2、在三轴气浮台从初始姿态至当前姿态的过程中，利用两个光电自准直仪中的另一个捕捉对应四面棱镜反射的光线，获取该四面棱镜的第二姿态角并发送给控制器；

S3、控制器根据第一姿态角和第二姿态角确定三轴气浮台相对初始姿态的姿态角信息；

其中，三轴气浮台从初始姿态至当前姿态的过程中，滑车、纵向运动台和转台的位置固定不动。

根据本发明的再一个方面，还提供了一种采用上述装置的三轴气浮台超高精度测量方法，包括：

S1、调整滑车在圆形轨道上的位置、纵向运动台在竖梁上的位置，使滑车上的光电自准直仪落入滑车对应四面棱镜反射镜面的视场内，获取滑车相对初始姿态的转移角度；

S2、调整转台的俯仰角和偏航角，使转台上光电自准直仪的光轴与对应四面棱镜的反射镜面垂直，获取两个光电自准直仪相对初始姿态的第三姿态角；

S3、根据滑车相对初始位置的转移角度、以及两个光电自准直仪的第三姿态角确定三轴气浮台相对初始姿态的姿态角信息。

优选地，步骤S3包括：

S31、根据滑车相对初始位置的转移角度、以及两个光电自准直仪的第三姿态角确定光电自准直仪的光轴与对应四面棱镜的反射镜面的相对位置；

S32、基于预设的跟踪控制目标和所述相对位置生成偏航角补偿量、俯仰角补偿量和滚转角补偿量；

S33、依据所述补偿量、滑车相对初始位置的转移角度、以及两个光电自准直仪的第三姿态角确定三轴气浮台相对初始姿态的姿态角信息。

优选地，步骤S1之前进一步包括：

在三轴气浮台从初始姿态至中间姿态的过程中，获取三轴气浮台的偏航角变化速率、俯仰角变化速率和滚转角变化速率；

依据偏航角变化速率确定滑车在圆形轨道上的移动速度；

依据俯仰角变化速率和滚转角变化速率确定转台的转动速度；

其中，中间姿态是指三轴气浮台从初始姿态至当前姿态过程中的任意一种姿态。

根据本发明采用包括圆形导轨、滑车、竖梁、纵向运动台和转台的跟踪系统，能够根据三轴气浮台的机动范围调整两台光电自准直仪与对应四面棱镜的相对位置关系，扩大三轴气浮台测量装置的测量范围，实现大范围动态测量。此外，由于圆形导轨、滑车、纵向运动台和转台可以达到角秒级的控制精度，因此本发明能够实现角秒级精度的高精度测量。

附图说明

通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：

图1是示出根据本发明的基于跟踪技术的三轴气浮台超高精度测量装置示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。

参见图1，基于跟踪技术的三轴气浮台超高精度测量装置包括：三轴气浮台1、四面棱镜3、圆形导轨4、滑车5、竖梁6、纵向运动台7、转台2、光电自准直仪9和控制器8。三轴气浮台1设置在圆形导轨4的内部，三轴气浮台1的仪表平台上设置两个四面棱镜3，每个四面棱镜3均为由四个相互正交垂直的镜面构成的四方柱结构。本领域技术人员可以根据实际情况选择四面棱镜3的安装位置，只要四面棱镜3的镜面与仪表平台的上表面垂直即可。例如四面棱镜3可以设置在仪表平台的上表面，如图1所示；也可以设置在仪表平台的周向侧面上。

圆形导轨4上设置两个能够沿着圆形导轨4移动的滑车5，每个滑车5上设置一个与圆形导轨4所在平面垂直的竖梁6；竖梁6的一端设置在滑车5上，另一端与一个纵向运动台7连接，纵向运动台7上设置一个转台2，纵向运动台7能够沿着竖梁6上下移动。转台2具有俯仰角和偏航角方向的自由度，例如转台为具有俯仰角和偏航角方向自由度的二维转台。光电自准直仪9安装在转台2上，用于采集四面棱镜3的姿态角数据并发送给控制器8。每个光电自准直仪9对应一个四面棱镜3。

控制器8用于控制滑车5、纵向运动台7和转台2的移动和转动，并根据接收的姿态角数据确定三轴气浮台1的姿态角信息。

现有技术中一般采用一个四面棱镜。一方面，为了使四面棱镜的两个反射面分别处于两个光电自准直仪的视场内，必须准确确定四面棱镜的安装位置，安装难度大。本发明采用两个四面棱镜，每个四面棱镜对应一个光电自准直仪，安装时只要四面棱镜的一个镜面处于对应光电自准直仪的视场内即可，安装难度小。另一方面，光电自准直仪工作过程中，其视场范围内不能设置遮挡光线的器件，否则当三轴气浮台转动时，该器件会导致光电自准直仪无法接收到四面棱镜反射的光线，降低光电自准直仪的测量准确度、甚至导致无法测量。若仅采用一个四面棱镜，由于两个光电自准直仪的光轴在仪表平台上对应的扇形区域内不能设置其他器件，仪表平台的载荷面积较小、载荷能力降低。本发明中每个四面棱镜仅对应一个光电自准直仪，与仅采用一个四面棱镜相比，仪表平台的载荷面积更大、载荷能力更高。优选地，可以将本发明的两个四面棱镜设置在仪表平台边缘，从而进一步提高仪表平台内部的空间利用率，增加仪表平台的载荷面积。

现有技术中也有采用多个光电自准直仪的测量方法，由于光电自准直仪的位置固定不动、并且光电自准直仪的视场范围有限，这种方法的角度测量范围一般不大于±60℃。本发明采用包括圆形导轨、滑车、竖梁、纵向运动台和转台的跟踪系统，能够根据三轴气浮台的机动范围调整两台光电自准直仪与对应四面棱镜的相对位置关系，从而扩大三轴气浮台测量装置的角度测量范围，实现更大范围的动态测量。此外，由于圆形导轨、滑车、纵向运动台和转台可以达到角秒级的控制精度，因此本发明能够实现角秒级精度的超高精度测量。

三轴气浮台1可以设置在圆形导轨4的中心，或者设置在圆形导轨4内的其他位置，三轴气浮台1上仪表平台的形状也可以根据实际需求设计成各种形状。在图1示出的实施例中，三轴气浮台1的仪表平台上表面为圆形平面，仪表平台上表面的圆心与圆形导轨的圆心重合。

若三轴气浮台边缘与圆形导轨的距离过小，光电自准直仪接收的光线中不仅包括四面棱镜的镜面反射的光线，往往还夹杂着大量的背景光线，降低光电自准直仪的测量准确度。若三轴气浮台边缘与圆形导轨的距离过大，四面棱镜反射的光线在到达光电自准直仪之前会大幅衰减，部分光线甚至无法被光电自准直仪探测接收，导致光电自准直仪的测量失效。为了解决上述问题，在本发明的一些实施例中，三轴气浮台1的边缘与圆形导轨4的最小距离满足如下关系：

式中，d为三轴气浮台的边缘与圆形导轨的最小距离，f为光电自准直仪的总焦距，单位为mm；ω为光电自准直仪的视场角，单位为°。

在图1示出的实施例中，两个四面棱镜3正交设置在仪表平台上，即两个四面棱镜的中心与仪表平台的中心在仪表平台上表面上形成的扇形区域为四分之一圆。当然，本领域技术人员也可以根据实际情况调整两个四面棱镜的相对位置，例如两个四面棱镜的中心与仪表平台中心之间形成锐角或钝角夹角，本发明对两个四面棱镜的相对位置不作具体限定，只要采集过程中光电自准直仪9的光轴不在同一直线上即可。一个光电自准直仪只能提供四面棱镜在空间的二维信息，即俯仰角和偏航角，无法提供滚转角信息。采集过程中光电自准直仪9的光轴不在同一直线上时，两个光电自准直仪配合使用，可以相互补偿实现对三轴气浮台四面棱镜三维姿态的测量。根据两个四面棱镜的三维姿态确定三轴气浮台的姿态角信息为本领域公知常识，本发明对此不再赘述。

通过调整滑车5在圆形导轨4上的位置可以改变光电自准直仪的偏航角采集数据，若两个滑车5分别独立运动，则需要分别计算每个滑车的移动量，计算量较大。进一步地，由于计算误差以及控制指令延迟等情况难以避免，两个滑车移动位置的误差累计可能会进一步降低光电自准直仪采集数据的准确性和精确性，导致三轴气浮台姿态角信息的测量误差增大。为此，在本发明的一些实施例中，圆形导轨上的两个滑车联动设置。

本发明还提供了采用上述装置的三轴气浮台超高精度测量方法，包括：

S1、在三轴气浮台从初始姿态至当前姿态的过程中，利用两个光电自准直仪中的其中一个捕捉对应四面棱镜反射的光线，获取该四面棱镜的第一姿态角并发送给控制器；

S2、在三轴气浮台从初始姿态至当前姿态的过程中，利用两个光电自准直仪中的另一个捕捉对应四面棱镜反射的光线，获取该四面棱镜的第二姿态角并发送给控制器；

S3、控制器根据第一姿态角和第二姿态角确定三轴气浮台相对初始姿态的姿态角信息；其中，初始姿态和当前姿态是指三轴气浮台姿态模拟过程中的两种不同姿态；三轴气浮台从初始姿态至当前姿态的过程中，滑车、纵向运动台和转台的位置固定不动。

由于两个光电自准直仪的位置固定不动、并且光电自准直仪的视场范围有限，因此这种方法适用于小角度测量，即三轴气浮台运动过程中四面棱镜处于光电自准直仪的视场范围内。“小角度”运动范围的具体数值可以根据光电自准直仪的有效量程进行确定。

当三轴气浮台的模拟大角度机动时，这种光电自准直仪固定不动的测量方法就不再适用。其关键原因在于光电自准直仪固定在事先标定好的位置，三轴气浮台大角度机动时四面棱镜几乎瞬间就会脱离光电自准直仪的视场，一旦棱镜偏差稍大(通常偏差大于1800角秒就会脱离视场)，反射光线无法被光电自准直仪的敏感器接收，光电自准直仪将失去目标。若光电自准直仪能够跟随四面棱镜的姿态变化(也即随三轴气浮台的姿态变化)调整自身位姿，便可实现对大角度机动的超高精度姿态测量。为了本发明还提供了一种采用上装置的三轴气浮台超高精度测量方法，包括：

S1、调整滑车在圆形轨道上的位置、纵向运动台在竖梁上的位置，使滑车上的光电自准直仪落入滑车对应四面棱镜反射镜面的视场内，获取滑车相对初始姿态的转移角度；

S2、调整转台的俯仰角和偏航角，使转台上光电自准直仪的光轴与对应四面棱镜的反射镜面垂直，获取两个光电自准直仪相对初始姿态的第三姿态角；

S3、根据滑车相对初始位置的转移角度、以及两个光电自准直仪的第三姿态角确定三轴气浮台相对初始姿态的姿态角信息。

在一些实施例中，步骤S3包括：S31、根据滑车相对初始位置的转移角度、以及两个光电自准直仪的第三姿态角确定光电自准直仪的光轴与对应四面棱镜的反射镜面的相对位置；S32、基于预设的跟踪控制目标和所述相对位置生成偏航角补偿量、俯仰角补偿量和滚转角补偿量；S33、依据所述补偿量、滑车相对初始位置的转移角度、以及两个光电自准直仪的第三姿态角确定三轴气浮台相对初始姿态的姿态角信息。偏航角补偿量、俯仰角补偿量和滚转角补偿量能够进一步调整滑车和转台的位置和姿态，提高光电自准直仪测量结果的准确性和精确性。

在另一些实施例中，步骤S1之前进一步包括：

在三轴气浮台从初始姿态至中间姿态的过程中，获取三轴气浮台的偏航角变化速率、俯仰角变化速率和滚转角变化速率；依据偏航角变化速率确定滑车在圆形轨道上的移动速度；依据俯仰角变化速率和滚转角变化速率确定转台的转动速度；其中，中间姿态是指三轴气浮台从初始姿态至当前姿态过程中的任意一种姿态。

与现有技术相比，本发明不仅能够扩大三轴气浮台测量装置的测量范围，而且能够在大范围动态测量中实现角秒级的测量精度。

虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。

Claims (8)

1.基于跟踪技术的三轴气浮台超高精度测量装置，其特征在于包括：三轴气浮台、四面棱镜、圆形导轨、滑车、竖梁、纵向运动台、转台、光电自准直仪和控制器；其中，

三轴气浮台设置在圆形导轨的内部，三轴气浮台的仪表平台上设置两个四面棱镜，每个四面棱镜均为由四个相互正交垂直的镜面构成的四方柱结构，四面棱镜的镜面与仪表平台的上表面垂直；

圆形导轨上设置两个能够沿着圆形导轨移动的滑车，每个滑车上设置一个与圆形导轨所在平面垂直的竖梁；竖梁的一端设置在滑车上，另一端与一个纵向运动台连接，纵向运动台上设置一个转台；

纵向运动台能够沿着竖梁上下移动、转台具有俯仰角和偏航角方向的自由度；

光电自准直仪安装在转台上，用于采集四面棱镜的姿态角数据并发送给控制器；每个光电自准直仪对应一个四面棱镜，采集过程中两个光电自准直仪的光轴不在同一直线上；

控制器用于控制滑车、纵向运动台和转台的移动和转动，并根据接收的姿态角数据确定三轴气浮台的姿态角信息；

其中，三轴气浮台1的边缘与圆形导轨4的最小距离满足如下关系：

$d=6+\frac{f+1}{2tg2\×\mathrm{\ω}}$

式中，d为三轴气浮台的边缘与圆形导轨的最小距离，f为光电自准直仪的总焦距，单位为mm；ω为光电自准直仪的视场角，单位为°。

2.如权利要求1所述的三轴气浮台超高精度测量装置，其中，四面棱镜设置在仪表平台的上表面、和/或周向侧面上。

3.如权利要求2所述的三轴气浮台超高精度测量装置，其中，两个四面棱镜正交设置在仪表平台上。

4.如权利要求3所述的三轴气浮台超高精度测量装置，其中，三轴气浮台的仪表平台上表面为圆形平面，仪表平台上表面的圆心与圆形导轨的圆心重合。

5.如权利要求4所述的三轴气浮台超高精度测量装置，其中，圆形导轨上的两个滑车联动设置。

6.如权利要求5所述的三轴气浮台超高精度测量装置，其中，所述转台为二维转台。

7.采用权利要求1-6任一所述装置的三轴气浮台超高精度测量方法，其特征在于包括：

S1、调整滑车在圆形导轨上的位置、纵向运动台在竖梁上的位置，使滑车上的光电自准直仪落入滑车对应四面棱镜反射镜面的视场内，获取滑车相对初始姿态的转移角度；

S2、调整转台的俯仰角和偏航角，使转台上光电自准直仪的光轴与对应四面棱镜的反射镜面垂直，获取两个光电自准直仪相对初始姿态的第三姿态角；

S3、根据滑车相对初始位置的转移角度、以及两个光电自准直仪的第三姿态角确定三轴气浮台相对初始姿态的姿态角信息，该步骤包括：

S31、根据滑车相对初始位置的转移角度、以及两个光电自准直仪的第三姿态角确定光电自准直仪的光轴与对应四面棱镜的反射镜面的相对位置；

S32、基于预设的跟踪控制目标和所述相对位置生成偏航角补偿量、俯仰角补偿量和滚转角补偿量；

S33、依据所述补偿量、滑车相对初始位置的转移角度、以及两个光电自准直仪的第三姿态角确定三轴气浮台相对初始姿态的姿态角信息。

8.采用权利要求7所述的三轴气浮台超高精度测量方法，步骤S1之前进一步包括：

在三轴气浮台从初始姿态至中间姿态的过程中，获取三轴气浮台的偏航角变化速率、俯仰角变化速率和滚转角变化速率；

依据偏航角变化速率确定滑车在圆形导轨上的移动速度；

依据俯仰角变化速率和滚转角变化速率确定转台的转动速度；

其中，中间姿态是指三轴气浮台从初始姿态至当前姿态过程中的任意一种姿态。