[发明专利]三自由度气浮台干扰力矩组成测量装置

摘要

本发明提供一种三自由度气浮台干扰力矩组成测量装置。包括三轴气浮台、标准气浮体、配重块、台上测量转发系统和台下接收数据处理系统，台上部分由标准气浮体及质量特性配准装置、角速度采样及其数据转发装置、电源及其转换模块组成的；台下接收数据处理系统包括台下无线传输设备、工控机和局域网服务器，利用“五步法”实时解算干扰力矩相关参数，将解算参数显示并保存成文档，本干扰力矩测量方法及其装置不但能够高精度地测量三自由度气浮台总体的干扰力矩，还能分离各干扰力矩组成及其影响参数，再此基础上给出合理的干扰力矩补偿建议。本装置具有测量精度高、测量结果完全、操作方便、测量实验时间不受限制的特点。

主权项

一种三自由度气浮台干扰力矩组成测量装置，包括三轴气浮台、标准气浮体、配重块、台上测量转发系统和台下接收数据处理系统，其特征在于：标准气浮体安装在三轴气浮台上，配重块和台上测量转发系统安装在标准气浮体上，台下接收数据处理系统安装在气浮台旁边的地基上，所述的台上测量转发系统包括三轴陀螺、三轴加速度计、多通道采样卡、嵌入式计算机、可编程控制器和电池，三轴陀螺和三轴加速度计分别与多通道采样卡相连接，多通道采样卡与嵌入式计算机连接，嵌入式计算机与可编程控制器相连接，电池负责给台上测量转发系统供电；台下接收数据处理系统包括台下无线传输设备、工控机和局域网服务器，无线传输设备和工控机相连，工控机和局域网服务器相连，可编程控制器与无线传输设备无线网络连接；嵌入式计算机通过多通道采样卡采集三轴陀螺和三轴加速度计角速度和加速度信号；嵌入式计算机能够调节配置采集卡采集模式、采样频率的参数，采集角速度、加速度数据，对数据滤波封装后从串口发送到可编程控制器，可编程控制器接收角速度和加速度数据，并通过无线网络传输发送给台下的工控机，台下的工控机通过无线网络实时获取数据，利用“五步法”实时解算干扰力矩相关参数，将解算参数显示并保存成文档，所述的“五步法”如下：步骤一，式(1)给出了建立的三自由度气浮台模型，通过三轴陀螺7和三轴加速度计测量数据进行捷联姿态解算获得载体相对导航坐标系角速度，再根据(1)式求解总干扰力矩，$\left[\begin{array}{ccc}{J}_{\mathrm{obxx}}& -J_{\mathrm{obxy}}& -J_{\mathrm{obxz}}\\ -J_{\mathrm{obxy}}& J_{\mathrm{obyy}}& -J_{\mathrm{obyz}}\\ {-J}_{\mathrm{obxz}}& {-J}_{\mathrm{obyz}}& J_{\mathrm{obzz}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{.}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xpb}}}\\ \stackrel{.}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ypb}}}\\ \stackrel{.}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zpb}}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}0& {-\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zpb}}& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ypb}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zpb}}& 0& {-\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xpb}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ypb}}& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xpb}}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{J}_{\mathrm{obxx}}& {-J}_{\mathrm{obxy}}& {-J}_{\mathrm{obxz}}\\ {-J}_{\mathrm{obxy}}& J_{\mathrm{obyy}}& {-J}_{\mathrm{obyz}}\\ {-J}_{\mathrm{obxz}}& -J_{\mathrm{obyz}}& J_{\mathrm{obzz}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xpb}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ypb}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zpb}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{obx}}\\ M_{\mathrm{oby}}\\ M_{\mathrm{obz}}\end{array}\right]---\left(1\right)$其中，$J=\left[\begin{array}{ccc}{J}_{\mathrm{obxx}}& -J_{\mathrm{obxy}}& -J_{\mathrm{obxz}}\\ -J_{\mathrm{obxy}}& J_{\mathrm{obyy}}& -J_{\mathrm{obyz}}\\ -J_{\mathrm{obxz}}& -J_{\mathrm{obyz}}& J_{\mathrm{obzz}}\end{array}\right]$三自由度气浮台转动惯量阵；$\mathrm{\ω}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xpb}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ypb}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zpb}}\end{array}\right]$载体相对平台转动的角速度在体坐标系上表示；$M=\left[\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{obx}}\\ M_{\mathrm{oby}}\\ M_{\mathrm{obz}}\end{array}\right]$载体总干扰力矩在体轴系分量形式；步骤二，对体坐标系下干扰力矩分量形式进行FFT频谱分析，分离由于电磁干扰等因素产生的固定频率的干扰力矩分量，不包括质量偏心产生的干扰力矩分量；步骤三，根据式(2)计算偏心距角速度相关的干扰力矩常数K_ωx，K_ωv，K_ωz、偏心距r、涡流力矩M₂，式中姿态角及姿态矩阵为捷联惯导系统解算获得的参数：$[C_b^p\·\mathrm{mg}\·\left[\begin{array}{ccc}0& -\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\θ}& 0& \sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\θ}& 0\end{array}\right]\left.\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xpb}}& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ypb}}& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zpb}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{\ξ}}\\ r_{\mathrm{\η}}\\ r_{\mathrm{\ζ}}\\ M_{2x}\\ M_{2y}\\ M_{2z}\\ K_{\mathrm{\ωx}}\\ K_{\mathrm{\ωy}}\\ K_{\mathrm{\ωz}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{M}_{1x}\\ M_{1y}\\ M_{1z}\end{array}\right]---\left(2\right)$其中，为载体系到平台系的坐标转换矩阵；$M_1=\left[\begin{array}{c}{M}_{1x}\\ M_{1y}\\ M_{1z}\end{array}\right]=C_b^p\left[\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{obx}}\\ M_{\mathrm{oby}}\\ M_{\mathrm{obz}}\end{array}\right]$为载体总干扰力矩在平台坐标系下分量表示；$M_2=\left[\begin{array}{c}{M}_{2x}\\ M_{2y}\\ M_{2z}\end{array}\right]$为涡流力矩在平台坐标系下的分量表示；K_ωx，K_ωy，K_ωz为角速度相关干扰力矩等效比例系数；$r=\left[\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{\ξ}}\\ r_{\mathrm{\η}}\\ r_{\mathrm{\ζ}}\end{array}\right]$为偏心矢量在载体系内表达式；γ，θ为气浮台的滚转角、俯仰角；步骤四，进一步分析基座安装偏差角对干扰力矩的影响通过式(3)算出，通过多次改变固定水平位置角处的基座竖直偏差角0.1度，获得多组方程，再根据(3)式求解独立参数K_q、α、β、M_constx、M_consty；$K_q\·\mathrm{\α}\·\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\β}\\ -\sin \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{constx}}\\ M_{\mathrm{consty}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{M}_{2x}\\ M_{2y}\end{array}\right]---\left(3\right)$其中，K_q为基座安装误差角干扰力矩系数；α为基座竖直轴偏差角；β为基座水平轴偏差位置角；M_constx，M_consty为常值干扰力矩分量；步骤五，用前四步解算出的独立参数，获得各干扰力矩值，三轴陀螺7和三轴加速度计采样进行下一解算周期。