專利名稱：三軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角度及角速度測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量技術(shù)，具體說(shuō)就是一種三軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角度及角速度測(cè)量 裝直。
背景技術(shù)：
三軸氣浮臺(tái)依靠壓縮空氣在氣浮軸承與軸承座之間形成的氣膜，使模擬臺(tái)體浮起，從而實(shí)現(xiàn)近似無(wú)摩擦的相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件，以模擬衛(wèi)星等空間飛行器在外層空間所受干擾力矩很小的力學(xué)環(huán)境。作為空間飛行器運(yùn)動(dòng)模擬器，三軸氣浮臺(tái)進(jìn)行衛(wèi)星控制系統(tǒng)全物理仿真實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能，是空間飛行器研制過(guò)程中的重要手段和方法。三軸氣浮臺(tái)在試驗(yàn)過(guò)程中需要通過(guò)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地給出氣浮臺(tái)的角度、角速度等姿態(tài)信息，以便完成控制閉環(huán)，由于三軸氣浮臺(tái)的特殊結(jié)構(gòu)，以往用于轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量的裝置(如旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光電碼盤(pán)、光柵等)不適用于三軸氣浮臺(tái)的測(cè)量，需要考慮新的測(cè)量方法和裝置。并且在目前實(shí)際應(yīng)用中，姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)精度的高低直接關(guān)系到仿真試驗(yàn)的效果。經(jīng)檢索文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?200610010260.2，專利名稱為三軸氣浮臺(tái)
姿態(tài)角測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，該專利在三軸氣浮臺(tái)上方安裝有CCD攝像機(jī)，在氣浮臺(tái)臺(tái)面上安裝有測(cè)量LED 光標(biāo)系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論結(jié)合測(cè)量光標(biāo)點(diǎn)件的距離信息，計(jì)算出氣浮臺(tái)臺(tái)面相對(duì)于攝像機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，但由于系統(tǒng)構(gòu)建上的缺陷，測(cè)量精度受到限制，從而影響其實(shí)際使用范圍。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?200410009086.7，專利名稱為:剛體空間位姿測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，該專利采用拉線式編碼器實(shí)現(xiàn)一種接觸式的剛體空間位置姿態(tài)的測(cè)量，但由于三軸氣浮臺(tái)不能允許外接觸式測(cè)量方式，因?yàn)榻佑|給氣浮臺(tái)帶來(lái)了干擾，因此該方法不適用于三軸氣浮臺(tái)的姿態(tài)信息測(cè)量。在文獻(xiàn)“三軸氣浮臺(tái)單框伺服測(cè)角系統(tǒng)的研究”(發(fā)表于宇航學(xué)報(bào)，1996，第17卷，第4期，頁(yè)碼:71-74)中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張曉友、劉敦和北京控制工程研究所的李繼蘇等提出了一種單框伺服測(cè)量方案，該系統(tǒng)在氣浮臺(tái)底座上安裝一個(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(guò)敏感圓弧臂的轉(zhuǎn)動(dòng)和滑架的移動(dòng)測(cè)量氣浮臺(tái)的姿態(tài)信息。當(dāng)該系統(tǒng)需要增加復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)和敏感器系統(tǒng)，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，工程應(yīng)用較困難，并且其精度受到機(jī)械裝置和敏感器的限制，很難達(dá)到高精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種三軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角、角速度測(cè)量方法及其裝置。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種三軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角度及角速度測(cè)量裝置，包括激光跟蹤儀、智能測(cè)頭、陀螺儀、兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀、四面棱鏡和數(shù)據(jù)處理器，激光跟蹤儀安裝于三軸氣浮臺(tái)的臺(tái)下，智能測(cè)頭固定于三軸氣浮臺(tái)的儀表平臺(tái)上，智能測(cè)頭上具有靶標(biāo)定位系統(tǒng)，激光跟蹤儀配合智能測(cè)頭能夠跟蹤并確定智能測(cè)頭轉(zhuǎn)動(dòng)的三維角度以及移動(dòng)的三維距離，陀螺儀和四面棱鏡固定于三軸氣浮臺(tái)的儀表平臺(tái)上，兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀正交放置于三軸氣浮臺(tái)臺(tái)下，并且這兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀的光軸分別對(duì)準(zhǔn)四面棱鏡的兩個(gè)相鄰的正交面，數(shù)據(jù)處理器接收激光跟蹤儀、陀螺儀和兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀的角度和角速度數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理輸出氣浮臺(tái)的姿態(tài)角和角速度信息；當(dāng)三軸氣浮臺(tái)在±55°大角度范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)用陀螺儀和激光跟蹤儀的數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波融合方法得到三軸氣浮臺(tái)的姿態(tài)角度和角速度信息；當(dāng)三軸氣浮臺(tái)在±0.1°小角度范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)根據(jù)兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀的數(shù)據(jù)直接組合得到三軸氣浮臺(tái)的姿態(tài)角度和角速度信息。本發(fā)明還具有如下特征:1、如上所述的當(dāng)三軸氣浮臺(tái)在±55°大角度范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)用陀螺儀和激光跟蹤儀的數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波融合方法得到三軸氣浮臺(tái)的姿態(tài)角度和角速度信息，其方法步驟如下:步驟一:采用偏差四元數(shù)和陀螺漂移組成六維向量，作為濾波狀態(tài)的無(wú)冗余表示，濾波器的量測(cè)方程通過(guò)激光跟蹤儀的輸出來(lái)獲得，系統(tǒng)狀態(tài)方程如下:
權(quán)利要求
1.一種三軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角度及角速度測(cè)量裝置，包括激光跟蹤儀(I)、智能測(cè)頭(2)、陀螺儀(3)、兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀(4)、四面棱鏡(5)和數(shù)據(jù)處理器￠)，其特征在于:激光跟蹤儀(I)安裝于三軸氣浮臺(tái)的臺(tái)下，智能測(cè)頭(2)固定于三軸氣浮臺(tái)的儀表平臺(tái)上，智能測(cè)頭(2)上具有靶標(biāo)定位系統(tǒng)，激光跟蹤儀(I)配合智能測(cè)頭(2)能夠跟蹤并確定智能測(cè)頭(2)轉(zhuǎn)動(dòng)的三維角度以及移動(dòng)的三維距離，陀螺儀(3)和四面棱鏡(4)固定于三軸氣浮臺(tái)的儀表平臺(tái)上，兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀(4)正交放置于三軸氣浮臺(tái)臺(tái)下，并且這兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀⑷的光軸分別對(duì)準(zhǔn)四面棱鏡的兩個(gè)相鄰的正交面，數(shù)據(jù)處理器(6)接收激光跟蹤儀(I)、陀螺儀(3)和兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀(4)的角度和角速度數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理輸出氣浮臺(tái)的姿態(tài)角和角速度信息；當(dāng)三軸氣浮臺(tái)在±55°大角度范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)用陀螺儀(3)和激光跟蹤儀(I)的數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波融合方法得到三軸氣浮臺(tái)的姿態(tài)角度和角速度信息；當(dāng)三軸氣浮臺(tái)在±0.1°小角度范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)根據(jù)兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀(4)的數(shù)據(jù)直接組合得到三軸氣浮臺(tái)的姿態(tài)角度和角速度信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角度及角速度測(cè)量裝置，其特征在于:所述的當(dāng)三軸氣浮臺(tái)在±55°大角度范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)用陀螺儀(3)和激光跟蹤儀(I)的數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波融合方法得到三軸氣浮臺(tái)的姿態(tài)角度和角速度信息，其方法步驟如下: 步驟一:采用偏差四元數(shù)和陀螺漂移組成六維向量，作為濾波狀態(tài)的無(wú)冗余表示，濾波器的量測(cè)方程通過(guò)激光跟蹤儀的輸出來(lái)獲得，系統(tǒng)狀態(tài)方程如下:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角度及角速度測(cè)量裝置，其特征在于:所述的當(dāng)三軸氣浮臺(tái)在±0.1°小角度范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)根據(jù)兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀(4)的數(shù)據(jù)直接組合得到三軸氣浮臺(tái)的姿態(tài)角度和角速度信息，方法是:兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀正交放置，每臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀得到兩維測(cè)量數(shù)據(jù)，第一光電自準(zhǔn)直儀得到的測(cè)量數(shù)據(jù)是(al，bl)，而第二光電自準(zhǔn)直儀得到的測(cè)量數(shù)據(jù)是(a2，b2)，根據(jù)兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀的位置關(guān)系，bl和a2是對(duì)應(yīng)的，那么最終的測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)該是(al，bl，b2)，角速度的測(cè)量采用角度差分的方式得到，其中al是第一光電自準(zhǔn)直儀的一維光軸偏轉(zhuǎn)的角度，其代表了棱鏡反射面與該路光軸基準(zhǔn)面的角度偏差為al，而bl是第一光電自準(zhǔn)直儀的另一維光軸偏轉(zhuǎn)的角度，其代表了棱鏡反射面與該路光軸基準(zhǔn)面的角度偏差為bl ；a2是第二光電自準(zhǔn)直儀的一維光軸偏轉(zhuǎn)的角度，其代表了棱鏡反射面與該路光軸基準(zhǔn)面的角度偏差為a2，而b2是第二光電自準(zhǔn)直儀的另一維光軸偏轉(zhuǎn)的角度，其代表了棱鏡反射面與該路光軸基準(zhǔn)面的角度偏差為b2。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種三軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角度及角速度測(cè)量裝置，在三軸氣浮臺(tái)的儀表平臺(tái)上安裝智能測(cè)頭、陀螺、四面棱鏡，并且在三軸氣浮臺(tái)臺(tái)下安裝激光跟蹤儀，兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀正交放置于三軸氣浮臺(tái)臺(tái)下，大角度運(yùn)動(dòng)時(shí)用陀螺儀和激光跟蹤儀的數(shù)據(jù)通過(guò)卡爾曼濾波融合得到氣浮臺(tái)的角度和角速度信息，小角度運(yùn)動(dòng)時(shí)根據(jù)兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀的數(shù)據(jù)直接組合得到氣浮臺(tái)的角度和角速度信息，本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)三軸氣浮臺(tái)姿態(tài)角、角速度的無(wú)接觸、高精度、動(dòng)態(tài)測(cè)量。本發(fā)明也適用于單軸氣浮臺(tái)的姿態(tài)角測(cè)量。
文檔編號(hào)G01C19/56GK103234512SQ20131013463
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者李莉, 夏紅偉, 馬廣程, 王常虹, 馬闖, 任順清, 凌明祥, 王艷敏, 劉川 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)