[发明专利]一种三轴气浮台大角度姿态角测量装置及方法

权利要求书

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量装置，其特征在于，所述三轴机械电动跟踪转台内环部件(6)上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。

5.基于权利要求1、2或3所述的一种三轴气浮台大角度姿态角测量装置的测量方法，其特征在于，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。