CN108760118A - 一种测量惯性平台台体质量不平衡力矩的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量惯性平台台体质量不平衡力矩的装置及方法，装置包括电机、惯性平台台体、角度传感器、角速度测量传感器、基座和控制器；本发明通过平台电机输出常值力矩使平台台体在一个固定角速度区间范围内波动，在转动过程中实时测量并记录角度传感器和角速度测量传感器的测量值，通过参数辨识可以有效地区分摩擦力矩和质量不平衡力矩，装置实现了全过程测量。本发明将装配好的整个台体一体测试，可以有效避免平台台体装配过程中元件更换等安装工艺造成质量分布改变对配平的影响，提高了质量不平衡力矩的测量精度；使用卡尔曼滤波器辨识平台台体转动角速度模型参数，在测量质量不平衡力矩的同时，可以定量给出平台台体常值干扰力矩。

Description

一种测量惯性平台台体质量不平衡力矩的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种测量惯性平台台体质量不平衡力矩的装置及方法，属于惯性测量技术领域。
背景技术
在平台装配过程中，为避免台体质心相对台体转轴不重合引起的重力偏心干扰力矩，需对平台台体配平。目前工程中，在平台台体装配前采用静态方法对平台台体配平，获得不平衡力矩。但是，这种方法有以下四个缺点：(1)理论上的配平质量可以做到很高的分辨率，但在工程实现上只能做到0.1g的分辨率，分辨率较低；(2)刀口和平台台体轴接触点处存在摩擦，影响配平精度；(3)需要多角度配平，才能实现质心与转轴重合，配平过程繁琐；(4)在实际装配过程中，由于元器件的更换、线路的重新布置等问题，将引起已配平平台台体质量分布发生改变。目前工艺中通常要求装配过程中产生的质量分布误差相对较小，目前测量的分辨率无法满足质量分布的精度要求；同时静态测量方法不可能从根本上消除质量偏心引起的干扰力矩，这种干扰力矩就会影响平台台体相对惯性空间稳定的能力，进而降低平台的使用精度。
如何提供一种动态高精度质量不平衡力矩测量方法是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供了一种测量惯性平台台体质量不平衡力矩的装置及方法，实现了惯性平台台体质量不平衡力矩的精确测量，并定量给出平台台体常值干扰力矩。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
提供一种测量惯性平台台体质量不平衡力矩的装置，包括：电机、惯性平台台体、角度传感器、角速度测量传感器、基座和控制器；
惯性平台台体通过转轴安装在基座上，在电机的驱动下能够绕转轴旋转；角度传感器测量惯性平台台体转动的角度θ并发送给控制器；角速度测量传感器测量惯性平台台体转动的角速度并发送给控制器；控制器控制电机的驱动力矩，记录惯性平台台体转动的角度θ和角速度随时间的变化数值，并计算惯性平台台体的质量不平衡力矩Mg。
优选的，控制器还计算干扰力矩Mf。
优选的，控制器计算惯性平台台体的质量不平衡力矩Mg的方法为：根据测量惯性平台台体转动的角速度计算角加速度利用角加速度和角度θ，通过卡尔曼滤波法求解方程获得各时间点下的x2的数值，计算x2稳定后的均值计算质量不平衡力矩其中J为惯性平台台体的转动惯量。
优选的，同时获得各时间点下的x1的数值，计算x1稳定后的均值计算干扰力矩其中Mm为电机力矩。
优选的，所述转轴水平设置。
优选的，所述电机为力矩电机。
优选的，所述控制器的采样时间间隔小于平台台体转动1/5周的时间。
同时提供一种利用所述测量惯性平台台体质量不平衡力矩的装置确定惯性平台台体质量不平衡力矩的方法，，步骤如下：
(1)控制器控制电机输出固定的力矩带动平台台体转动；
(2)控制器记录惯性平台台体(2)转动的角度θ和角速度随时间的变化数值；
(3)平台台体转动至少一周后停止转动，计算惯性平台台体(2)的质量不平衡力矩Mg和干扰力矩Mf。
优选的，控制器控制力矩电机带动平台台体转动一周的周期在5～10s。
优选的，计算惯性平台台体的质量不平衡力矩Mg的方法为：根据测量惯性平台台体转动的角速度计算角加速度利用角加速度和角度θ，通过卡尔曼滤波法求解方程获得各时间点下的x1和x2的数值，获得x2稳定后数值的均值x1稳定后的均值计算惯性平台质量不平衡力矩 干扰力矩其中J为惯性平台台体的转动惯量，Mm为电机力矩。
优选的，x2稳定起始时刻选择角速度开始增大的起始时刻。
优选的，x1稳定起始时刻选择角速度增大回调后的第一个极小值点。
本测试方法与现有技术相比的有益效果如下：
(1)、本测试方法给出了一种平台台体配平的动态测试装置及测试方法，创造性利用动态的方式测量惯性平台台体质量不平衡力矩，利用力矩电机驱动平台台体转动，测量平台转动角速度输出，通过对角速度的参数辨识，定量给出干扰力矩，从而判断质量偏心大小，原理简单，测试便捷，易于工程实现。
(2)、本测试方法以装配完成的平台台体为测试对象，将装配好的整个台体一体测试，可以有效避免平台台体装配过程中元件更换、布线改变等安装工艺造成质量分布改变对配平的影响，提高了惯性平台台体质量不平衡力矩的测量精度。
(3)、本测试方法使用卡尔曼滤波器辨识平台台体转动角速度模型参数，在测量质量不平衡力矩的同时，可以定量给出平台台体常值干扰力矩，用于后续的平台校正，能够使惯性平台的转动精度更高。
附图说明
图1为本发明测试装置的结构示意图；
图2为利用本测试方法经过数据辨识得到的参数x1随时间的变化曲线；
图3为利用本测试方法经过数据辨识得到的参数x2随时间的变化曲线；
图4为利用本测试方法测量得到的角速度和由辨识参数拟合得到的角速度随时间的变化曲线。
具体实施方式
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
本发明的动态测试装置中包括：力矩电机1、平台台体2、角度传感器3、角速度测量传感器4、基座5、控制器6、数据传输线7。
基座5安放在水平面上并固定，惯性平台台体2通过转轴安装在基座5上，转轴的一端通过力矩电机与基座连接，转轴的另一端通过角度传感器3与基座连接，角度传感器3测量惯性平台台体2转动的角度θ并发送给控制器；角速度测量传感器4安装于平台台体上，测量惯性平台台体2转动的角速度并发送给控制器。力矩电机、角度传感器和角速度测量传感器的数据线与控制器连接。控制器，控制电机1的驱动力矩，记录惯性平台台体2转动的角度θ和角速度随时间的变化规律，并计算惯性平台台体2的质量不平衡力矩Mg和干扰力矩Mf。
平台台体质量不平衡力矩的测试步骤如下：
(1)控制器通过数据线给力矩电机发送一个常值电流，控制电机输出固定的力矩带动平台台体转动；控制力矩带动平台台体转动一周的周期在5～10s。
(2)控制器采集角度传感器、角速度传感器的数据以及采集数据对应的时间，假设一共测得N组数据，其中时间数据为T1～TN，记录惯性平台台体2转动的角度θ和角速度随时间的变化规律；
(3)平台台体转动至少一周后停止转动，计算惯性平台台体2的质量不平衡力矩Mg和干扰力矩Mf。计算惯性平台台体2的质量不平衡力矩Mg的方法为：根据测量惯性平台台体2转动的角速度计算角加速度利用角加速度和角度θ，通过卡尔曼滤波法求解方程获得各时间点下的x1和x2的数值，获得x2稳定后的均值x1稳定后的均值计算各时间点下的质量不平衡力矩各时间点下的干扰力矩其中J为惯性平台台体2的转动惯量，Mm为电机力矩。
控制器的采样时间间隔小于平台台体转动1/5周的时间，以保证能够获得角速度的完整规律。
利用卡尔曼滤波方法得到相应的状态量x1、x2、和对平台台体运动稳定后的状态量取平均值，即可得到稳定后的待定系数x1、x2和由状态量x1、x2和可以得到相应的干扰力矩。
结合图2，可以看出在开始转动18s后，x1进入稳定状态，对稳定后的各时间点的x1取平均值计算获得均值结合图3，可以看出在开始转动2s后，x2进入稳定状态，对稳定后的各时间点的x2取平均值计算获得均值由图4可以看出x2进入稳定状态时，即为角速度开始增大的起始点，因此可以通过判断角速度开始大于0的点，作为x2稳定振荡的起始点。由图4可以看出x1进入稳定状态时，即角速度增大回调后的第一个极小值点，可以通过寻找角速度的第一个极小值点作为x1稳定振荡的起始点。
本发明优选转轴平行于水平面设置，但具有一定的容错能力，如果转轴与水平面存在夹角，则会导致值的变化，并不影响质量不平衡力矩和干扰力矩的测试结果。
上述平台台体配平的动态测试方法能够方便快速的给出装配后平台台体质量偏心产生的力矩的大小，操作简单，易于实现，测量精度高，具有较高的实际应用价值。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (12)

1.一种测量惯性平台台体质量不平衡力矩的装置，其特征在于，包括：电机(1)、惯性平台台体(2)、角度传感器(3)、角速度测量传感器(4)、基座(5)和控制器(6)；
惯性平台台体(2)通过转轴安装在基座(5)上，在电机(1)的驱动下能够绕转轴旋转；角度传感器(3)测量惯性平台台体(2)转动的角度θ并发送给控制器；角速度测量传感器(4)测量惯性平台台体(2)转动的角速度并发送给控制器；控制器控制电机(1)的驱动力矩，记录惯性平台台体(2)转动的角度θ和角速度随时间的变化数值，并计算惯性平台台体(2)的质量不平衡力矩Mg。
2.如权利要求1所述的测量惯性平台台体质量不平衡力矩的装置，其特征在于，控制器还计算干扰力矩Mf。
3.如权利要求1所述的测量惯性平台台体质量不平衡力矩的装置，其特征在于，控制器计算惯性平台台体(2)的质量不平衡力矩Mg的方法为：根据测量惯性平台台体(2)转动的角速度计算角加速度利用角加速度和角度θ，通过卡尔曼滤波法求解方程获得各时间点下的x2的数值，计算x2稳定后的均值计算质量不平衡力矩其中J为惯性平台台体(2)的转动惯量。
4.如权利要求3所述的测量惯性平台台体质量不平衡力矩的装置，其特征在于，同时获得各时间点下的x1的数值，计算x1稳定后的均值计算干扰力矩其中Mm为电机力矩。
5.如权利要求1或2所述的测量惯性平台台体质量不平衡力矩的装置，其特征在于，所述转轴水平设置。
6.如权利要求1或2所述的测量惯性平台台体质量不平衡力矩的装置，其特征在于，所述电机(1)为力矩电机。
7.如权利要求1或2所述的测量惯性平台台体质量不平衡力矩的装置，其特征在于，所述控制器的采样时间间隔小于平台台体转动1/5周的时间。
8.利用权利要求1所述测量惯性平台台体质量不平衡力矩的装置确定惯性平台台体质量不平衡力矩的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)控制器控制电机输出固定的力矩带动平台台体转动；
(2)控制器记录惯性平台台体(2)转动的角度θ和角速度随时间的变化数值；
(3)平台台体转动至少一周后停止转动，计算惯性平台台体(2)的质量不平衡力矩Mg和干扰力矩Mf。
9.根据权利要求8所述的确定惯性平台台体质量不平衡力矩的方法，其特征在于，控制器控制力矩电机带动平台台体转动一周的周期在5～10s。
10.根据权利要求9所述的确定惯性平台台体质量不平衡力矩的方法，其特征在于，计算惯性平台台体(2)的质量不平衡力矩Mg的方法为：根据测量惯性平台台体(2)转动的角速度计算角加速度利用角加速度和角度θ，通过卡尔曼滤波法求解方程获得各时间点下的x1和x2的数值，获得x2稳定后数值的均值x1稳定后的均值计算惯性平台质量不平衡力矩干扰力矩其中J为惯性平台台体(2)的转动惯量，Mm为电机力矩。
11.根据权利要求10所述的确定惯性平台台体质量不平衡力矩的方法，其特征在于，x2稳定起始时刻选择角速度开始增大的起始时刻。
12.根据权利要求10或11所述的确定惯性平台台体质量不平衡力矩的方法，其特征在于，x1稳定起始时刻选择角速度增大回调后的第一个极小值点。
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