一種六自由度氣浮臺干擾力矩確定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種六自由度氣浮臺干擾力矩確定方法，屬于空間飛行器地面全物理 仿真領域。
【背景技術】
[0002] 六自由度氣浮臺是月球弱撞擊交會對接地面全物理仿真試驗的核心設備，采用等 比方式模擬了軌道器的質量和慣量特性，具有三個轉動自由度和三個平動自由度，三個轉 動自由度采用高精密氣浮球軸承實現，由于加工和安裝精度的制約，存在一定的干擾力矩， 干擾力矩是制約試驗性能的重要因素。長期以來缺乏能夠比較準確測量數據的手段。
【發明內容】
[0003] 本發明的技術解決問題為：克服現有技術的不足，提供了一種新型的六自由度氣 浮臺干擾力矩確定方法，用于月球弱撞擊交會對接地面全物理仿真試驗中軌道器和上升器 模擬裝置的慣量特性和干擾力矩的測量，該發明首次提出了六自由度氣浮臺各向干擾力矩 測量方法。
[0004] 本發明采用的技術方案為：
[0005] 一種新型的六自由度氣浮臺干擾力矩確定方法，步驟如下：
[0006] (1)將彈簧振子固連于六自由度氣浮臺所測軸線方向的法向平面內，令彈簧振子 帶著六自由度氣浮臺做往復運動，當氣浮臺的擺動角度在10度以內時，記下氣浮臺所測軸 向的擺動角度和時間的關系，并確定出擺動周期的大小；
[0007] (2)根據步驟⑴確定的擺動周期，通過公式
確定氣浮臺所測軸向的 轉動慣量J，其中，K為彈簧振子的彈性系數；
[0008] (3)去掉彈簧振子，令六自由度氣浮臺的質心在轉動中心下方，通過公式
i十算六自由度氣浮臺的復擺周期T2，其中，h為氣浮臺質心相對轉動中心的 偏心距；m為氣浮臺的質量，g為重力加速度；
[0009] (4)通過公式
1計算六自由度氣浮臺的干擾力矩M，其中，0 1 為氣浮臺在測量軸向上存在的干擾力矩作用下做復擺運動存在的偏轉角，0 2為將氣浮臺 繞含測量軸平面法向方向旋轉180度后，氣浮臺在干擾力矩作用下做復擺運動存在的偏轉 角；
[0010] (5)按照步驟⑴~⑷計算六自由度氣浮臺其他方向上的干擾力矩
[0011] 本發明與現有技術相比的有益效果是：
[0012] (1)本發明深入研宄六自由度氣浮臺干擾力矩的特性，給出了六自由度氣浮臺轉 動慣量、往復運動周期、傾斜角大小測量步驟和干擾力矩計算公式，為全物理仿真試驗的可 信度提供了保證。
[0013] (2)本發明提出的測量方法思路清晰、概念明確，只要按照測量裝置、測量流程及 計算方法，本發明使用的裝置和算法制作簡單，使用方便，可以快速完成對六自由度氣浮臺 的干擾力矩的測量。
【附圖說明】
[0014] 圖1本發明方法流程圖。
【具體實施方式】
[0015] 本測量方法通過測量氣浮球軸承速度和系統慣量的原理，能夠比較準確的測量氣 浮球軸承的干擾力矩。本發明通過改進現有的轉動慣量測量裝置、縮短了轉動慣量測量時 間，結合成熟的姿態角度測量手段，建立了完整的干擾力矩測量方法。該系統利用氣浮球軸 承的本質特性、通過實際測量數據迭代解算，不但可以精確測量系統的轉動慣量，而且可以 提高航天器地面動力學模擬的精度。
[0016] 如圖1所示，本發明提供的一種新型的六自由度氣浮臺干擾力矩確定方法，步驟 如下：
[0017] (1)將彈簧振子固連于六自由度氣浮臺所測軸線方向的法向平面內，令彈簧振子 帶著六自由度氣浮臺做往復運動，當氣浮臺的擺動角度在10度以內時，記下氣浮臺所測軸 向的擺動角度和時間的關系，并確定出擺動周期的大小；
[0018] (2)根據步驟⑴確定的擺動周期，由于六自由度氣浮臺干擾力矩的測量首先需 要測量六自由度氣浮臺轉動的轉動慣量，其轉動慣量的測量方法通過彈簧振子固連于所測 軸線方向的法向平面內，在忽略空氣阻力的條件下，轉動慣量與其振動的周期為
[0020] 通過上式確定氣浮臺所測軸向的轉動慣量J，其中，K為彈簧振子的彈性系數；
[0021] (3)去掉彈簧振子，令六自由度氣浮臺的質心在轉動中心下方，其在靜止狀態下姿 態平臺的傾角變化在±1.5度以內，可以默認姿態平臺在做復擺運動，其周期T為
[0023] 其中J為測量軸的轉動慣量；
[0024] h為質心相對回轉中心的偏心距；
[0025] m為姿態平臺的質量。
[0026] 通過公式
計算六自由度氣浮臺的復擺周期T2，其中，h為氣浮臺質 心相對轉動中心的偏心距；m為氣浮臺的質量，g為重力加速度；
[0027] (4)當測量軸向上存在干擾力矩M時，姿態平臺在干擾力矩作用下復擺運動存在 一定的偏轉角9i，將姿態平臺繞含測量軸平面法向方向旋轉180度，則姿態平臺在干擾力 矩作用下復擺運動存在一定的偏轉角9 2，當氣浮臺平衡時有
[0029] 將式（2)代入式（1)可知干擾力矩的計算公式為
[0031] 通過公式
計算六自由度氣浮臺的干擾力矩M，其中，0:為 氣浮臺在測量軸向上存在的干擾力矩作用下做復擺運動存在的偏轉角，0 2為將氣浮臺繞 含測量軸平面法向方向旋轉180度后，氣浮臺在干擾力矩作用下做復擺運動存在的偏轉 角；
[0032] (5)按照步驟（1)~（4)計算六自由度氣浮臺其他方向上的干擾力矩。
[0033] 本發明提出的六自由度氣浮臺干擾力矩測量方法，用于月球弱撞擊交會對接地面 全物理仿真試驗中軌道器和上升器模擬裝置的慣量特性和干擾力矩測量。通過改進現有的 轉動慣量測量裝置、縮短了轉動慣量測量時間，結合成熟的姿態角度測量手段，建立了完整 的干擾力矩測量方法。本發明利用氣浮球軸承的本質特性、給出了六自由度氣浮臺轉動慣 量、往復運動周期、傾斜角大小測量步驟和干擾力矩計算公式，提出的測量方法思路清晰、 概念明確，只要按照測量裝置、測量流程及計算方法，可以快速完成對六自由度氣浮臺的干 擾力矩的測量，為全物理仿真試驗中航天器動力學特性模擬的可信度提供了保證。
【主權項】
1. 一種六自由度氣浮臺干擾力矩確定方法，其特征在于步驟如下： (1) 將彈黃振子固連于六自由度氣浮臺所測軸線方向的法向平面內，令彈黃振子帶著 六自由度氣浮臺做往復運動，當氣浮臺的擺動角度在10度W內時，記下氣浮臺所測軸向的 擺動角度和時間的關系，并確定出擺動周期的Ti大小； (2) 根據步驟（1)確定的擺動周期，確定氣浮臺所測軸向的轉動慣量J; (3) 去掉彈黃振子，令六自由度氣浮臺的質屯、在轉動中屯、下方，計算六自由度氣浮臺的 復擺周期T2; (4) 計算六自由度氣浮臺的干擾力矩M; (5) 循環步驟（1)~（4)計算六自由度氣浮臺其他方向上的干擾力矩。2. 根據權利要求1所述的一種六自由度氣浮臺干擾力矩確定方法，其特征在于：所述 步驟（2)計算轉動慣量J具體為：通過公式確定氣浮臺所測軸向的轉動慣量J， 其中，K為彈黃振子的彈性系數。3. 根據權利要求1所述的一種六自由度氣浮臺干擾力矩確定方法，其特征在于：所述 步驟（3)計算六自由度氣浮臺的復擺周期T2具體為：通過公式計算六自由 度氣浮臺的復擺周期T2,其中，h為氣浮臺質屯、相對轉動中屯、的偏屯、距；m為氣浮臺的質量，g為重力加速度。4. 根據權利要求1所述的一種六自由度氣浮臺干擾力矩確定方法，其特征在于：所述 步驟（4)中計算六自由度氣浮臺的干擾力矩M具體為： 通過公式計算六自由度氣浮臺的干擾力矩M，其中，0 1為氣浮 臺在測量軸向上存在的干擾力矩作用下做復擺運動存在的偏轉角，0 2為將氣浮臺繞含測 量軸平面法向方向旋轉180度后，氣浮臺在干擾力矩作用下做復擺運動存在的偏轉角。
【專利摘要】一種六自由度氣浮臺干擾力矩確定方法，用于月球弱撞擊交會對接地面全物理仿真試驗中軌道器和上升器模擬裝置的慣量特性和干擾力矩的測量，該發明首次提出了六自由度氣浮臺各向干擾力矩測量方法。本發明通過改進現有的轉動慣量測量裝置、縮短了轉動慣量測量時間，結合成熟的姿態角度測量手段，建立了完整的干擾力矩測量方法。本發明利用氣浮球軸承的本質特性、通過實際測量數據迭代解算，不但可以精確測量系統的轉動慣量，而且可以提高航天器地面動力學模擬的精度。
【IPC分類】G01L5/00
【公開號】CN104931180
【申請號】CN201510319388
【發明人】徐希悅, 賈永, 胡錦昌, 唐強, 朱志斌, 劉濤
【申請人】北京控制工程研究所
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年6月11日