三軸氣浮臺質心調平衡方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及剛體動力學和姿態控制，具體地，涉及一種三軸氣浮臺快速高精度質 心調平衡方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 三軸氣浮臺主要用于模擬零重力、無摩擦的太空環境，實現三軸自由轉動，廣泛用 于航天器的地面全物理仿真試驗。為了保證地面仿真試驗的有效性，需要保證三軸氣浮臺 的干擾力矩滿足任務仿真試驗要求。
[0003] 三軸氣浮臺的承重部件為氣浮球軸承以及儀表平臺，氣浮球和氣浮球窩之間的氣 膜承載了儀表平臺及模擬件的質量，同時保證了氣浮球的三軸低摩擦轉動。當三軸氣浮臺 的質心和氣浮球的球心不重合時，將會產生重力干擾力矩。因此，需要研究一種高精度快速 質心調平衡方法，減小三軸氣浮臺質心和氣浮球心的偏量，消除重力干擾力矩影響。
[0004] 目前關于三軸氣浮臺質心調平衡的有效方法很少。使用較多的質心調平衡方法是 復擺周期法，當氣浮臺周期較長時試驗結果表明其通過陀螺等敏感器件測量的周期量精度 不高，滿足不了高精度調平衡需求。經文獻檢索，申請號為200610009797. 7,名稱為氣浮轉 臺外加載荷質心調整裝置的發明中，通過調整安裝在氣浮臺上的螺栓螺母機構調整轉臺的 質心，該發明只給出一種調整裝置，沒有涉及具體調平衡方法。
[0005] 李延斌、包鋼在"三自由度氣浮臺自動平衡系統動力學建模"（見《中國慣性技術學 報》，2005年，13卷第5期，頁碼83-87)論文中從理論上給出了三軸氣浮臺自動平衡裝置， 也沒有給出具體的實施方案，難以工程應用。
[0006] 申請號為200910071536. 1，名稱為三軸氣浮臺平衡方法及其裝置的發明中，明確 說明只適用于三軸氣浮臺質心水平方向的調整，不適用于垂直方向調整的情況，而大型三 軸氣浮臺的豎直方向的不平衡量在臺體姿態控制時也存有較大的分量影響，該發明提出的 方案難以滿足三軸氣浮臺全物理仿真試驗需求。
[0007] 本發明提出的基于激光跟蹤儀、激光陀螺和飛輪的高精度質心調平衡方法，不依 賴于三軸氣浮臺的質量特性，通過飛輪的轉速反饋評估三軸氣浮臺的重力干擾力矩，進而 對偏心量進行補償，能夠快速實現大型三軸氣浮臺高精度的質心調平衡。
【發明內容】
[0008] 針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種三軸氣浮臺質心調平衡方法。 本發明提出的基于激光跟蹤儀、激光陀螺和飛輪的質心調平衡方法，不依賴于三軸氣浮臺 的質量特性，通過飛輪的轉速反饋評估三軸氣浮臺的重力干擾力矩，進而對偏心量進行補 償，能夠快速實現大型三軸氣浮臺高精度的質心調平衡。
[0009] 根據本發明的一個方面提供的一種三軸氣浮臺質心調平衡方法，包括如下步驟： [0010] 步驟1 :利用激光跟蹤儀獲得的三維測角值和激光陀螺獲得的角速度變化周期， 進行三軸氣浮臺質心的預調平；
[0011] 步驟2 :將三軸氣浮臺處于水平狀態進行飛輪輪控，根據飛輪的輪控轉速輸出值 進行水平方向精調平；
[0012] 步驟3 :將三軸氣浮臺傾斜偏置角度P，根據飛輪的輪控轉速輸出值進行豎直方向 精調平。
[0013] 優選地，所述步驟1包括如下步驟：
[0014] 步驟I. 1 :對三軸氣浮臺進行豎直方向預調平，具體為，讓三軸氣浮臺進行自由擺 動，通過激光陀螺獲取三軸氣浮臺的三軸角速度變化周期，并根據三軸角速度變化周期得 出三軸氣浮臺繞X軸和Y軸的擺動周期，
[0016] 其中，1；和T y分別為三軸氣浮臺繞X軸和Y軸的擺動周期，I JP I y分別為三軸氣 浮臺沿X軸和Y軸的轉動慣量，rz為臺體的豎直方向偏心量；
[0017] 步驟1. 2 :對三軸氣浮臺進行水平方向預調平，具體為，當三軸氣浮臺自由擺動 時，通過激光跟蹤儀獲取臺體的三軸姿態變化關系，即三維測角值，并記錄三軸氣浮臺繞X 軸和Y軸的轉角變化，求出轉角的峰值和谷值，根據峰值和谷值和步驟1. 1計算出豎直方向 偏心量，即可計算出三軸氣浮臺水平方向偏心量：
[0019] 式中叫;為三軸氣浮臺繞X軸轉角的峰值和谷值的絕對值之差，δ Θ為三軸氣浮 臺繞Y軸轉角的峰值和谷值的絕對值之差，rdP r ￥為三軸氣浮臺在水平方向的偏心量。
[0020] 優選地，
[0021] 步驟2. 1 :將三軸氣浮臺調至水平，并在水平狀態下對臺體進行輪控姿態穩定，此 時三軸氣浮臺的姿態動力學方程為：
[0023] 其中，ω為三軸氣浮臺的轉動角速度，Ω為三個正交飛輪的轉動角速度，I為三軸 氣浮臺的轉動慣量，J為三個正交飛輪的轉動慣量，T為干擾力矩；ω為三軸氣浮臺的轉動 角加速度；Ω為三個正交飛輪的轉動角加速度。
[0024] 步驟2. 2 :由于三軸氣浮臺處于水平狀態，豎直方向的偏心不會產生干擾力矩，此 時的干擾力矩來源為水平方向上的質心不平衡，從而當姿態穩定時，^ = ^ = 0 ,則
[0026] 式中，匕為三軸氣浮臺在X方向的偏心量，r及別為三軸氣浮臺在Y方向的偏心 量，m為三軸氣浮臺的質量，g為重力加速度，1為三軸氣浮臺在X方向的轉動慣量，J y為三 軸氣浮臺在Y方向的轉動慣量，Ω為三軸氣浮臺在X方向的轉動角速度，為三軸氣浮臺 在Y方向的轉動角速度。
[0027] 優選地，
[0028] 所述步驟3具體為，將三軸氣浮臺繞X軸或Y軸轉動角度心然后進行姿態穩定， 由于已完成了水平方向的精調平衡，當三軸氣浮臺旋轉一定的角度后，三軸氣浮臺的干擾 力矩主要由豎直方向的不平衡量造成，此時三軸氣浮臺的姿態動力學方程為：
[0030] 式中，《為繞X方向的轉角，^為三軸氣浮臺在Z方向的偏心量。
[0031] 優選地，步驟2之前還包括如下步驟：
[0032] -判斷三軸氣浮臺的重力干擾力矩是否小于飛輪的輸出力矩；當三軸氣浮臺的重 力干擾力矩是小于飛輪的輸出力矩時進入步驟2 ;當三軸氣浮臺的重力干擾力矩是大于等 于飛輪的輸出力矩時重復步驟1。
[0033] 優選地，步驟3之后還包括如下步驟：
[0034] -判斷三軸氣浮臺的重力干擾力矩是否小于目標值；當所述三軸氣浮臺的重力干 擾力矩大于所述目標值時，重復步驟2至步驟3。
[0035] 根據本發明的另一個方面提供的軸氣浮臺質心調平衡裝置，包括激光跟蹤儀、激 光陀螺、飛輪
[0036] 所述激光跟蹤儀用于測量三軸氣浮臺的三軸姿態變化；
[0037] 所述激光陀螺用于三軸氣浮臺的角速度變化周期；
[0038] 所述飛輪用于三軸氣浮臺的進行姿態穩定。
[0039] 與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：
[0040] 本發明采能夠避免了三軸氣浮臺質量特性不精確引入的誤差，可以更準確的計算 出偏心量和重力干擾力矩，提高了調節精度，并縮短了調節時間，能夠為后續的全物理地面 仿真試驗提供保障。
【附圖說明】
[0041] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、 目的和優點將會變得更明顯：
[0042] 圖1為本發明中三軸氣浮臺質心調平衡方法的流程圖；
[0043] 圖2為本發明中三軸氣浮臺質心調平衡裝置及坐標系定義示意圖。
[0044] 其中，X軸和Y軸為水平軸，Z軸與水平面垂直。
[0045] 圖中：
[0046] 1為激光跟蹤儀；
[0047] 2為激光跟蹤儀靶標；
[0048] 3為激光陀螺；
[0049] 4為X方向飛輪；
[0050] 5為Y方向飛輪；
[0051] 6為Z方向飛輪。
【具體實施方式】
[0052] 下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術 人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術 人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明 的保護范圍。
[0053] 本發明提供的三軸氣浮臺質心調平衡方法，可計算出三軸氣浮臺質心相對球心的 偏心量，并通過高精度調平衡裝置進行補償，從而消除重力干擾力矩影響。
[0054] 本發明的技術路線為，當三軸氣浮臺的重力干擾力矩較大，無法進行輪控時，通過 激光跟蹤儀和陀螺進行快速預調平，迅速減小三軸氣浮臺的重力干擾力矩。當重力干擾力 矩小于飛輪的輸出力矩時，則采用飛輪的轉速變化計算三軸氣浮臺的偏心量，并進行精調 平。
[0055] 在本實施例中，本發明提供的三軸氣浮臺質心調平衡方法，包括如下步驟：
[0056] 步驟1 :利用激光跟蹤儀的三維測角值和激光陀螺的角速度變化周期，完成三軸 氣浮臺質心的預調平；
[0057] 步驟2 :將三軸氣浮臺處于水平狀態進行飛輪輪控，根據飛輪的輪控轉速輸出值 進行水平方向精調平；
[0058] 步驟3 :將三軸氣浮臺傾斜偏置角度於，根據飛輪的輪控轉速輸出值進行豎直方向 精調平。
[0059] 所述步驟1包括如下步驟：
[0060] 步驟1. 1 :對三軸氣浮臺進行豎直方向預調平，具體為，讓三軸氣浮臺進行自由擺 動，通過激光陀螺獲取三軸氣浮臺的三軸角速度變化周期，并根據三軸角速