專利名稱：單軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量技術(shù)，具體說就是單軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角測量 方法及其裝置。
(二)
背景技術(shù)：
利用氣浮臺(tái)實(shí)現(xiàn)空間飛行器全物理/半物理仿真，能夠驗(yàn)證控制 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的正確性，檢驗(yàn)實(shí)際控制系統(tǒng)的功能和性能，是空間飛 行器研制過程中的重要手段和方法。
空間飛行器全/半物理仿真過程中的一個(gè)核心問題是，要在地面 上模擬空間飛行器在軌失重和無阻力等情況下的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，單軸氣浮 臺(tái)依靠壓縮空氣在球面氣浮軸承與軸承底座之間形成的氣膜，產(chǎn)生向 上的作用力，抵消'臺(tái)面的重力，使臺(tái)面浮起，從而利用臺(tái)面的角運(yùn)動(dòng) 近似模擬無干擾的空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。
空間飛行器運(yùn)行過程中需要通過姿態(tài)敏感器動(dòng)態(tài)地測量衛(wèi)星相 對于某一坐標(biāo)系的姿態(tài)信息，反饋給控制計(jì)算機(jī)，經(jīng)分析計(jì)算后形成 控制指令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)空間飛行器姿態(tài)控制，形成閉環(huán)。因此 為模擬空間飛行器運(yùn)行控制過程需要進(jìn)行氣浮臺(tái)姿態(tài)角的動(dòng)態(tài)測量， 且其測量精度高低直接影響了衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)物理仿真的效果。傳 統(tǒng)上，利用光電碼盤或感應(yīng)同步器來測量剛體的角運(yùn)動(dòng)，由于該方法 具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、完全數(shù)字化等受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用， 但無論光電碼盤還是感應(yīng)同步器都受到制造工藝等的限制，其精度和 分辨率幾乎達(dá)到了極限，在某些高精度場合它們就不能滿足需要。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，氣浮臺(tái)姿態(tài)角測量采用無接觸方式，目前的方 法主要有(l)直接照相法，(2)繪制碼圖法，(3沐電管接收法，(4)圓 弧臂加滑架法。這些方法有的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，有的算法過于繁雜，并 且其精度、分辨率都受到限制。
中國發(fā)明專利申請?zhí)?00410009083.7，專利名稱為剛體空間
位姿測量裝置及其測量方法，該專利采用拉線式編碼器實(shí)現(xiàn)了一種接 觸式的低成本、高精度的剛體空間位置和姿態(tài)的測量裝置和方法，但 該方法一方面精度還是有限，另一方面該方法不適用于單軸氣浮臺(tái)的測量，因?yàn)闅飧∨_(tái)需要為衛(wèi)星仿真提供一個(gè)無干擾的環(huán)境，該專利提 供的接觸式測量裝置和方法無法滿足氣浮臺(tái)測量需求。
中國發(fā)明專利號(hào)200610010260.2，專利名稱為三軸氣浮臺(tái)姿 態(tài)角測量裝置及其測量方法，該專利利用一套CCD攝像機(jī)配合測量 光標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氣浮臺(tái)位姿的測量，但該方法成本高，技術(shù)復(fù)雜，并且 關(guān)鍵是其精度受到攝像機(jī)系統(tǒng)、測量光標(biāo)系統(tǒng)精度的限制，在高精度 場合的應(yīng)用受到限制。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張曉友、劉墩和北京控制工程研究所的李季蘇 等提出了一種三軸氣浮臺(tái)單框伺服測角系統(tǒng)，該系統(tǒng)在氣浮臺(tái)基座上 安裝一個(gè)可以繞氣浮臺(tái)中心鉛垂線轉(zhuǎn)動(dòng)的圓弧臂，并在其上安裝可以 移動(dòng)的滑架，通過敏感圓弧臂的轉(zhuǎn)動(dòng)和滑架的移動(dòng)測量氣浮臺(tái)的三個(gè) 姿態(tài)角。但該系統(tǒng)需要復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)和敏感器系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜， 并且其精度受到機(jī)械裝置和敏感器的限制，只能達(dá)到o.or ，很難達(dá) 到高精度。
上述幾種方法都可以測量大范圍的角位移，對于微小的位移很難 測量或其測量精度難以提高，而對于仿真過程中，有一種需求就是測 量氣浮臺(tái)微小的位移，對其精度提出高要求，目前文獻(xiàn)檢索還沒有類 似的研究成果和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種測量裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、精度高， 不會(huì)對氣浮臺(tái)產(chǎn)生干擾的單軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角測量方法及其裝 置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的所述的單軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角測
量裝置，它是由基座l、單軸氣浮臺(tái)2、測量桿3和微距測量儀4組 成的；基座1連接單軸氣浮臺(tái)2，單軸氣浮臺(tái)2連接測量桿3，微距 測量儀4設(shè)置在與測量桿3相對應(yīng)的地面上。
本發(fā)明單軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角測量裝置還有以下技術(shù)特征 所述的測量桿3設(shè)置在單軸氣浮臺(tái)2的臺(tái)面上， 一端伸出臺(tái)面， 其水平延長線通過單軸氣浮臺(tái)2的回轉(zhuǎn)中心。
本發(fā)明 一種單軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角測量方法，測量步驟如下 步驟一確認(rèn)測量區(qū)域，將微距測量儀4移動(dòng)到測量區(qū)域；步驟二從微距測量儀4上讀出測量桿的轉(zhuǎn)動(dòng)距離； 步驟三根據(jù)測得的轉(zhuǎn)動(dòng)距離和測量桿3的長度計(jì)算單軸氣浮臺(tái) 2的角度位移。
本發(fā)明單軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角測量方法及其裝置，測量設(shè)備簡 單、測量精度高，可以測量氣浮臺(tái)的高精度微小角位移。本發(fā)明也可 以進(jìn)行其它非氣浮單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的小角位移的精確測量。
(四)


圖1為本發(fā)明單軸氣浮臺(tái)姿態(tài)角位移測量裝置示意圖2為本發(fā)明根據(jù)氣浮臺(tái)測量桿的位移計(jì)算氣浮臺(tái)角位移的示意圖； 圖3為本發(fā)明根據(jù)氣浮臺(tái)測量桿的位置調(diào)整激光測距儀安裝位置的 示意圖4為本發(fā)明測量桿安裝要求的示意圖5為本發(fā)明測量桿的有效長度和測量點(diǎn)的示意圖。
(五)
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例l，結(jié)合圖l、圖2，本發(fā)明一種單軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角 測量裝置，它是由基座(1)、單軸氣浮臺(tái)(2)、測量桿(3)和微距 測量儀(4)組成的；基座(1)連接單軸氣浮臺(tái)(2)，單軸氣浮臺(tái)(2) 連接測量桿(3)，微距測量儀(4)設(shè)置在與測量桿(3)相對應(yīng)的地 面上。 一
所述的測量桿(3)設(shè)置在單軸氣浮臺(tái)(2)的臺(tái)面上， 一端伸 出臺(tái)面，其水平延長線通過單軸氣浮臺(tái)(2)的回轉(zhuǎn)中心。
本發(fā)明一種單軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角測量方法，測量步驟如下 .步驟一確認(rèn)測量區(qū)域，將微距測量儀(4)移動(dòng)到測量區(qū)域； 步驟二從微距測量儀(4)上讀出測量桿的轉(zhuǎn)動(dòng)距離； 步驟三根據(jù)測得的轉(zhuǎn)動(dòng)距離和測量桿(3)的長度計(jì)算單軸氣 浮臺(tái)(2)的角度位移。
實(shí)施例2，結(jié)合圖l、圖2、圖3，本發(fā)明所述的單軸氣浮臺(tái)姿態(tài)
角位移測量計(jì)算方法是這樣實(shí)現(xiàn)的所述的測量桿(3)通過單軸氣
浮臺(tái)(2)的中心安裝并且伸出臺(tái)面，在測量桿(3)的一側(cè)放置微距
5測量儀(4)，單軸氣浮臺(tái)(2)做一微小轉(zhuǎn)動(dòng)后(該角度記為0)，微
距測量儀(4)測量出測量桿(3)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)距離a，測量點(diǎn)距離單 軸氣浮臺(tái)(2)中心的距離記為丄，因?yàn)檗D(zhuǎn)過的是微小的角度，則有
關(guān)系《^ =;，從而得到氣浮臺(tái)角位移的計(jì)算公式e = ^"g《)，或者
近似的0 = |。
由上面的公式可以看出，角度0的分辨率、精度和微距測量儀(該 例子中用的是激光測距儀)以及測量桿的長度L有關(guān)，L越長，微距 測量儀的精度越高，則系統(tǒng)分辨率越大，測量的精度越高。由上面的 公式分析可以看出，該測量裝置的精度、分辨率在理論上可以無限提 高。比如，在微距測量儀的精度、分辨率一定的情況下，測量桿的長 度增加1倍，其測量精度和分辨率就增加1倍。
實(shí)施例3，結(jié)合圖2、圖5，本發(fā)明所述的測量桿(3)長度的確 定和測量點(diǎn)的選取假定要求的角度測量精度為0.001弧度，微距測 量儀仍以激光測距儀為例，假定選取的激光測距儀的精度為0.002米， 根據(jù)近似的關(guān)系^ = | ，測量桿的有效長度不短于2米即可滿足要求， 所謂測量桿的有效長度就是指從氣浮臺(tái)圓心到測量桿伸出臺(tái)面的桿 端的長度；假定要求的角度測量分辨率為0.0005弧度，而選取的激 光測距儀的分辨率為0.001米，根據(jù)近似的關(guān)系^ =;，測量桿的有效 長度不短于5米既可以滿足要求，綜合考慮測量精度和分辨率的要 求，就可以確定測量桿的長度(以較長的測量桿為準(zhǔn))。測量桿的有 效長度確定下來之后，測量點(diǎn)就可以根據(jù)微距測量儀的測量特點(diǎn)確定 下來，比如，測量桿的有效長度為5米，微距測量儀選用激光測距儀， 這時(shí)只要將測量桿5米處設(shè)為測量點(diǎn)就可以了，這樣測量桿的有效長 度和測量點(diǎn)就確定下來了，考慮到實(shí)際測量情況，測量桿在保證其有 效長度的前提下可以適當(dāng)改造，比如對于微距測量儀采用激光測距儀 的情況，測量點(diǎn)和測量桿最末端之間有一定距離，測量桿可以適當(dāng)延長(5-10厘米即可)，如圖5所示。
實(shí)施例4，結(jié)合圖l、圖3，下面說明測量區(qū)域的選取和微距測量 儀的安裝，在被試驗(yàn)設(shè)備安裝完畢后，并且單軸氣浮臺(tái)的水平和配平 都已經(jīng)調(diào)整完畢，根據(jù)測量桿(3)所在的位置，將地面上的微距測 量儀移動(dòng)到測量桿附近(測量桿附近就是測量區(qū)域)，然后調(diào)整微距 測量儀的位置使微距測量儀處于有效測量區(qū)域，即調(diào)整微距測量儀使 之處于能夠測量出測量桿轉(zhuǎn)動(dòng)距離的位置。此處仍以激光測量儀為 例，被試驗(yàn)設(shè)備安裝完畢，并且單軸氣浮臺(tái)的水平和配平都已經(jīng)調(diào)整 完畢，測量桿伸出單軸氣浮臺(tái)和單軸氣浮臺(tái)的圓周有個(gè)交點(diǎn)，通過該 交點(diǎn)做單軸氣浮臺(tái)圓周的切線，通過測量桿的測量點(diǎn)做該切線的平行 線，然后將激光測量儀的移動(dòng)到該平行線上，如圖3所示，激光測量 儀的測量光束對準(zhǔn)測量桿的測量點(diǎn)，根據(jù)激光測量儀的使用說明書要 求，在激光測量儀和測量桿之間保持合適的距離，這樣完成了激光測 量儀的安裝。
實(shí)施例5，結(jié)合圖1，圖4，所述的測量桿(3)設(shè)置在單軸氣浮 臺(tái)(2)的臺(tái)面上， 一端伸出臺(tái)面，其水平延長線通過單軸氣浮臺(tái)(2) 的回轉(zhuǎn)中心，是指測量桿(3)安裝在單軸氣浮臺(tái)(2)的臺(tái)面上，測 量桿(3)的中線延長線通過單軸氣浮臺(tái)臺(tái)面的回轉(zhuǎn)中心，測量桿(3) 的形狀和長度不受限制，只要保證測量桿(3)中線延長線通過單軸 氣浮臺(tái)(2)臺(tái)面的回轉(zhuǎn)中心，觀懂桿(3)本身既可以通過回轉(zhuǎn)中心 也可以不通過回轉(zhuǎn)中心，如圖4所示的各種情況，如果單軸氣浮臺(tái)臺(tái) 面是圓形，那么測量桿的中線延長線通過氣浮臺(tái)的圓心。
實(shí)施例6，本發(fā)明單軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角測量方法，適用于轉(zhuǎn)
臺(tái)微小角位移的測量，當(dāng)角位移較大時(shí)就不再適用，具體測量的范圍
由所使用的微距測量儀的量程確定。并且在同樣的測量桿長度和微距
測量儀的測量精度條件下，要測量的角位移越小，本發(fā)明所述的測量
方法的測量精度就越高。本發(fā)明所述的測量方法也適用于其他轉(zhuǎn)臺(tái)的
7微小角位移的測量，只要將測量桿安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)工作臺(tái)面上，要求同樣 是測量桿的中線通過轉(zhuǎn)臺(tái)工作臺(tái)面的回轉(zhuǎn)中心，計(jì)算和測量方法同單 軸氣浮臺(tái)的情況一樣。
權(quán)利要求
1. 一種單軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角測量裝置，它是由基座(1)、單軸氣浮臺(tái)(2)、測量桿(3)和微距測量儀(4)組成的；其特征在于基座(1)連接單軸氣浮臺(tái)(2)，單軸氣浮臺(tái)(2)連接測量桿(3)，微距測量儀(4)設(shè)置在與測量桿(3)相對應(yīng)的地面上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角測量裝 置，其特征在于所述的測量桿(3)設(shè)置在單軸氣浮臺(tái)(2)的臺(tái)面 上， 一端伸出臺(tái)面，其水平延長線通過單軸氣浮臺(tái)(2)的回轉(zhuǎn)中心。
3. —種單軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角測量方法，其特征在于測量 步驟如下步驟一確認(rèn)測量區(qū)域，將微距測量儀(4)移動(dòng)到測量區(qū)域； 步驟二從微距測量儀(4)上讀出測量桿的轉(zhuǎn)動(dòng)距離； 步驟三根據(jù)測得的轉(zhuǎn)動(dòng)距離和測量桿(3)的長度計(jì)算單軸氣 浮臺(tái)(2)的角度位移。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種針對單軸氣浮臺(tái)微小移動(dòng)角度的測量方法。在單軸氣浮臺(tái)臺(tái)面上安裝有測量桿系統(tǒng)，測量桿伸出氣浮工作臺(tái)，測量桿伸出端附近安裝有微距測量儀，微距測量儀安裝在地面上，從微距測量儀上可以讀出測量桿的微小轉(zhuǎn)動(dòng)距離，結(jié)合測量桿的長度就可以計(jì)算出氣浮臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的微小角度，該角度測量的精度和分辨率與測量桿的長度以及微距測量儀的精度、分辨率有關(guān)。本發(fā)明單軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角測量方法，設(shè)備簡單、精度高，特別適合氣浮臺(tái)微小角位移的高精度測量。本發(fā)明也可以進(jìn)行其他非氣浮單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的微小角位移的精確測量。
文檔編號(hào)G01B21/22GK101487698SQ20091007143
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者夏紅偉, 溫奇詠, 王常虹, 解偉男, 馬廣程 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)