一种三轴气浮台大角度姿态角测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种三轴气浮台大角度姿态角测量装置及方法，属于高精度姿态控制及测量技术领域。本发明专利技术在三轴气浮台系统外侧安装一个三轴机械电动跟踪转台，并分别在三轴机械电动跟踪转台上安装电涡流位移传感器及在三轴气浮台仪表平台内侧上安装金属块，当三轴气浮台运动后控制三轴机械电动跟踪转台实时跟踪使得电涡流位移传感器测量值l不变，通过读取三轴机械电动跟踪转台运动的角度值得到三轴气浮台姿态角大小，还分析了三轴气浮台姿态角误差与相关参数的数值关系。本发明专利技术装置具有测量精度高，不占用仪表平台空间，可实现实时测量、跟踪快、360°全回转测量等优点。

A Large Angle Attitude Angle Measuring Device and Method for Three-Axis Air Floating Table

The invention provides a large angle attitude angle measuring device and method for a three-axis air-bearing platform, which belongs to the field of high precision attitude control and measurement technology. The invention installs a three-axis mechanical electric tracking turntable on the outer side of the three-axis air-bearing platform system, and installs eddy current displacement sensor on the three-axis mechanical electric tracking turntable and metal block on the inner side of the instrument platform of the three-axis air-bearing platform. When the three-axis air-bearing platform moves, it controls the real-time tracking of the three-axis mechanical electric tracking turntable to make the measurement value L of the eddy current displacement sensor unchanged. The attitude angle of the three-axis air-bearing platform can be obtained by reading the motion angle of the three-axis mechanical electric tracking turntable. The numerical relationship between the attitude angle error of the three-axis air-bearing platform and the related parameters is also analyzed. The device has the advantages of high measurement accuracy, no occupying the space of instrument platform, real-time measurement, fast tracking, 360 degree full rotation measurement, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种三轴气浮台大角度姿态角测量装置及方法
本专利技术涉及一种三轴气浮台大角度姿态角测量装置及方法，属于高精度姿态控制及测量

技术介绍
随着卫星型号载荷对平台功能要求越来越高，姿轨控分系统作为卫星重要的分系统，承载着整星成败的关键任务，很多型号都要求开展全物理试验，验证相应的功能型号。三轴气浮台作为地面飞行器全物理仿真试验的核心设备，其气浮时摩擦力矩小，可以模拟卫星在轨时特殊的力学环境。其中三轴气浮台姿态测量装置是三轴气浮台的关键设备，用来实现三轴气浮台的姿态角的实时测量和解算。传统的三轴气浮台大角度姿态角测量装置采用光纤陀螺组合或激光跟踪仪方案。光纤陀螺组合是通过测量三轴气浮台的速度后进行积分得到角位置信息，陀螺长时间工作存在漂移的问题使得测量精度不满足技术指标要求，以及陀螺占用仪表平台空间大等缺点；利用激光跟踪仪测量三轴气浮台姿态角的方法是将光学靶球放在三轴气浮台上，通过台下的激光跟踪仪跟踪光学靶球得到不同位置坐标推算出三轴气浮台姿态角信息，如实现全回转跟踪需要两台或三台激光跟踪仪，增加项目成本，此方法还有跟踪速度慢及跟踪角度小等问题。本专利技术提出的这种三轴气浮台大角度姿态角测量装置具有测量精度高、不占用仪表平台空间、可实现实时测量、跟踪快、360°全回转测量等优点。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种三轴气浮台大角度姿态角测量装置及方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种三轴气浮台大角度姿态角测量装置，包括：三轴气浮台、三轴机械电动跟踪转台、电涡流位移传感器和金属块；其中，三轴机械电动跟踪转台安装在三轴气浮台的外侧，三轴机械电动跟踪转台上安装有电涡流位移传感器，三轴气浮台的仪表平台内侧安装有金属块，三轴气浮台回转中心、三轴机械电动跟踪转台回转中心、电涡流位移传感器安装位置在一条直线，三轴机械电动跟踪转台与三轴气浮台各个对应的旋转轴平行；所述三轴气浮台由三轴气浮台基座、三轴气浮台立柱、三轴气浮台气浮球轴承、三轴气浮台气浮球和仪表平台组成；其中，三轴气浮台基座固定在调整垫铁上，调整垫铁固定在地面上，三轴气浮台基座上固定连接有三轴气浮台立柱，三轴气浮台立柱上端安装有三轴气浮台气浮球轴承，三轴气浮台气浮球轴承上为三轴气浮台气浮球，三轴气浮台气浮球上安装有仪表平台；所述三轴气浮台的仪表平台内侧与电涡流位移传感器对应的位置安装有金属块；所述三轴机械电动跟踪转台由外环部件、外环支撑柱、中环部件和内环部件组成；其中，外环部件采用外转子电机，外环轴静止部分电机定子及外环固定轴安装在三轴气浮台立柱上，外环固定轴与三轴气浮台气浮球轴承相连接，外环轴转动部分电机转子装配到电机机壳上，外环轴旋转轴线与三轴气浮台运动z轴方向的轴线重合，外环电机机壳上伸出两个外环支撑柱，作为中环部件的中环轴与内环部件的内环轴的支撑，中环轴采用O型的结构，中环部件的中间安装有内环部件的内环电机及负载平台；所述三轴机械电动跟踪转台的内、中、外环三轴上分别安装有一个电涡流位移传感器，其安装方向垂直于相应轴的轴线。所述三轴机械电动跟踪转台的内、中、外环的轴线相互垂直，其回转中心与三轴气浮台的回转中心重合。所述三轴机械电动跟踪转台的测角装置为在回转轴上安装高精度绝对式26位圆光栅，光栅通过光栅座与回转轴进行连接，光栅座设计有精密圆锥面，用于光栅定位，可实现测角精度在2″以内。所述三轴机械电动跟踪转台内环部件6上可安装一个四面体棱镜，在气浮台的仪表平台上安装正交的两个光电自准直仪代替上述电涡流位移传感器9及金属块10结构方案测量三轴气浮台大角度姿态角大小。基于一种三轴气浮台大角度姿态角测量装置的测量方法，按照下述步骤进行：步骤一：设定三轴气浮台回转中心O1，三轴机械电动跟踪转台回转中心O2，电涡流位移传感器安装位置R2，金属块安装位置R1，d为三轴气浮台与三轴机械电动跟踪转台回转中心安装误差，初始状态三轴机械电动跟踪转台上的电涡流位移传感器测量出位移传感器与三轴气浮台上的金属块的距离为l，三轴气浮台运动后金属块位置由a1运动到a2，为保证电涡流位移传感器测量值l不变，控制三轴机械电动跟踪转台使得电涡流位移传感器的位置由b1运动到位置b2，其中设定三轴气浮台运动角度为a、三轴机械电动跟踪转台运动角度为b；步骤二：当d＝0时，即回转误差为0，通过读取三轴电动跟踪转台的运动角度b即可确定三轴气浮台运动的角度值即a＝b，从而得到三轴气浮台的姿态角大小，此时三轴气浮台角位置测量精度只取决于三轴机械电动跟踪转台的角位置精度与电涡流位移传感器的精度；步骤三：当d不为0时，利用建立的几何模型，为了推导方便设定中间变量x为a1到O2的距离，推导出三轴气浮台运动角度值a和三轴机械电动转台运动角度值b与R1、R2、d、l以及中间变量x的关系，如下：步骤四：已知三轴机械电动跟踪转台的运动角度为b，根据方程(1)利用MATLAB求出非线性方程中间变量x，将x的值代入方程(2)可以求出三轴气浮台的运动角度a，计算三轴气浮台姿态角位置误差(b-a)的大小；步骤五：得到各相关参数对三轴气浮台角位置精度的影响：(1)保持R1、R2、l不变，随着回转误差d的增加，三轴气浮台姿态角位置误差线性增加，并且随着三轴机械电动跟踪转台运动角度b的增大角位置误差(b-a)也随之增大；(2)保持R1、R2、d不变，随着电涡流位移传感器与金属块距离l的增加，三轴气浮台姿态角位置误差(b-a)随之减小；(3)保持l、d不变，随着电涡流位移传感器与金属块的安装半径R1、R2的增加角位置误差(b-a)随之减小；利用上述结论可以总结出通过将电涡流位移传感器与金属块安装半径增大并增大二者安装距离可以减小三轴气浮台角位置误差。本专利技术的有益效果为：本专利技术中三轴机械电动跟踪转台外环采用外转子电机，减少了结构的复杂性；三轴气浮台回转中心与三轴机械电动跟踪转台回转中心以及电涡流位移传感器的安装位置在同一条直线上，简化了模型的复杂性；并且三轴机械电动跟踪转台的角位置测量装置采用26位高精度圆光栅，可实现高精度角位置控制，还实现了三轴气浮台姿态角高精度实时测量、跟踪快、360°全回转测量等优点。本专利技术中三轴机械电动跟踪转台内环部件上可安装一个四面体棱镜，在气浮台的仪表平台上安装正交的两个光电自准直仪代替上述电涡流位移传感器及金属块结构方案测量三轴气浮台大角度姿态角，提供了一种测量三轴气浮台大角度姿态角的新思路。本专利技术可以分析三轴气浮台姿态角误差与相关参数的数值关系，并且总结出通过将电涡流位移传感器与金属块安装半径增大并增大二者安装距离可以减小三轴气浮台角位置误差的规律。附图说明图1为本专利技术一种三轴气浮台大角度姿态角测量装置的结构示意图。图2为本专利技术一种三轴气浮台大角度姿态角测量装置的几何模型示意图。图中的附图标记，1为三轴气浮台基座，2为三轴气浮台立柱，3为外环部件，4为外环支撑柱，5为中环部件，6为内环部件，7为三轴气浮台气浮球轴承，8为三轴气浮台气浮球，9为电涡流位移传感器，10为金属块。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做进一步的详细说明：本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本专利技术的保护范围不限于下述实施例。如图1和图2所示，本实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三轴气浮台大角度姿态角测量装置，其特征在于，包括：三轴气浮台、三轴机械电动跟踪转台、电涡流位移传感器(9)和金属块(10)；其中，三轴机械电动跟踪转台安装在三轴气浮台的外侧，三轴机械电动跟踪转台上安装有电涡流位移传感器(9)，三轴气浮台的仪表平台内侧安装有金属块(10)，三轴气浮台回转中心、三轴机械电动跟踪转台回转中心、电涡流位移传感器(9)安装位置在一条直线，三轴机械电动跟踪转台与三轴气浮台各个对应的旋转轴平行；所述三轴气浮台由三轴气浮台基座(1)、三轴气浮台立柱(2)、三轴气浮台气浮球轴承(7)、三轴气浮台气浮球(8)和仪表平台组成；其中，三轴气浮台基座(1)固定在调整垫铁上，调整垫铁固定在地面上，三轴气浮台基座(1)上固定连接有三轴气浮台立柱(2)，三轴气浮台立柱(2)上端安装有三轴气浮台气浮球轴承(7)，三轴气浮台气浮球轴承(7)上为三轴气浮台气浮球(8)，三轴气浮台气浮球(8)上安装有仪表平台；所述三轴气浮台的仪表平台内侧与电涡流位移传感器(9)对应的位置安装有金属块(10)；所述三轴机械电动跟踪转台由外环部件(3)、外环支撑柱(4)、中环部件(5)和内环部件(6)组成；其中，外环部件(3)采用外转子电机，外环轴静止部分电机定子及外环固定轴安装在三轴气浮台立柱(2)上，外环固定轴与三轴气浮台气浮球轴承(7)相连接，外环轴转动部分电机转子装配到电机机壳上，外环轴旋转轴线与三轴气浮台运动z轴方向的轴线重合，外环电机机壳上伸出两个外环支撑柱(4)，作为中环部件(5)的中环轴与内环部件(6)的内环轴的支撑，中环轴采用O型的结构，中环部件(5)的中间安装有内环部件(6)的内环电机及负载平台；所述三轴机械电动跟踪转台的内、中、外环三轴上分别安装有一个电涡流位移传感器(9)，其安装方向垂直于相应轴的轴线。...

【技术特征摘要】
1.一种三轴气浮台大角度姿态角测量装置，其特征在于，包括：三轴气浮台、三轴机械电动跟踪转台、电涡流位移传感器(9)和金属块(10)；其中，三轴机械电动跟踪转台安装在三轴气浮台的外侧，三轴机械电动跟踪转台上安装有电涡流位移传感器(9)，三轴气浮台的仪表平台内侧安装有金属块(10)，三轴气浮台回转中心、三轴机械电动跟踪转台回转中心、电涡流位移传感器(9)安装位置在一条直线，三轴机械电动跟踪转台与三轴气浮台各个对应的旋转轴平行；所述三轴气浮台由三轴气浮台基座(1)、三轴气浮台立柱(2)、三轴气浮台气浮球轴承(7)、三轴气浮台气浮球(8)和仪表平台组成；其中，三轴气浮台基座(1)固定在调整垫铁上，调整垫铁固定在地面上，三轴气浮台基座(1)上固定连接有三轴气浮台立柱(2)，三轴气浮台立柱(2)上端安装有三轴气浮台气浮球轴承(7)，三轴气浮台气浮球轴承(7)上为三轴气浮台气浮球(8)，三轴气浮台气浮球(8)上安装有仪表平台；所述三轴气浮台的仪表平台内侧与电涡流位移传感器(9)对应的位置安装有金属块(10)；所述三轴机械电动跟踪转台由外环部件(3)、外环支撑柱(4)、中环部件(5)和内环部件(6)组成；其中，外环部件(3)采用外转子电机，外环轴静止部分电机定子及外环固定轴安装在三轴气浮台立柱(2)上，外环固定轴与三轴气浮台气浮球轴承(7)相连接，外环轴转动部分电机转子装配到电机机壳上，外环轴旋转轴线与三轴气浮台运动z轴方向的轴线重合，外环电机机壳上伸出两个外环支撑柱(4)，作为中环部件(5)的中环轴与内环部件(6)的内环轴的支撑，中环轴采用O型的结构，中环部件(5)的中间安装有内环部件(6)的内环电机及负载平台；所述三轴机械电动跟踪转台的内、中、外环三轴上分别安装有一个电涡流位移传感器(9)，其安装方向垂直于相应轴的轴线。2.根据权利要求1所述的一种三轴气浮台大角度姿态角测量装置，其特征在于，所述三轴机械电动跟踪转台的内、中、外环的轴线相互垂直，其回转中心与三轴气浮台的回转中心重合。3.根据权利要求1所述的一种三轴气浮台大角度姿态角测量装置，其特征在于，所述三轴机械电动跟踪转台的测角装置为在回转轴上安装高精度绝对式26位圆光栅，光栅通过光栅座与回转轴进行连接，光栅座设计有精密圆锥面，用于光栅定位，可实现测角精度在2″以内。4.根据权利要求1所述的一种三轴气浮台大角度姿态角测...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥瑞，王常虹，马广程，夏红伟，曹天倚，薛智文，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23