一種氣浮球軸承三維姿態(tài)測量方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種氣浮球軸承三維姿態(tài)測量方法，氣浮球軸承姿態(tài)轉(zhuǎn)動時，俯仰間隙傳感器和滾轉(zhuǎn)間隙傳感器分別測量內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件在滾轉(zhuǎn)軸方位和俯仰軸方位上的間隙變化，俯仰間隙傳感器測量值反饋給外環(huán)驅(qū)動電機并驅(qū)動外環(huán)跟蹤赤道面轉(zhuǎn)接件的俯仰運動，滾轉(zhuǎn)間隙傳感器測量值反饋給內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機并驅(qū)動內(nèi)環(huán)跟蹤赤道面轉(zhuǎn)接件的滾轉(zhuǎn)運動，外環(huán)俯仰轉(zhuǎn)動角度和內(nèi)環(huán)滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動角度分別由外環(huán)角度傳感器和內(nèi)環(huán)角度傳感器測量；氣浮球繞體軸的自轉(zhuǎn)角度通過安裝在內(nèi)環(huán)和赤道面轉(zhuǎn)接件之間的角度傳感器測量，俯仰角度由外環(huán)角度傳感器和俯仰間隙傳感器共同測量得到，滾轉(zhuǎn)角度由內(nèi)環(huán)角度傳感器和滾轉(zhuǎn)間隙傳感器共同測量得到。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種氣浮球軸承三維姿態(tài)測量方法，屬于球軸承三維姿態(tài)測量方法

技術(shù)介紹
精密測量、高精度姿態(tài)控制、零重力環(huán)境模擬等要求相對轉(zhuǎn)動的兩體間不存在摩擦力或者摩擦力盡可能的小。氣懸浮球軸承通過從節(jié)流嘴噴出高壓氣體在氣浮球和球窩之間，實現(xiàn)它們的非接觸低摩擦相對轉(zhuǎn)動。由于氣懸浮球軸承具有高剛度、零摩擦等特點，因此在空間零重力環(huán)境模擬、精密裝配、高精度姿態(tài)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。氣懸浮球軸承主要包括氣浮球和球窩，兩者通常采用研磨的方式保證最終的球面度，通過在氣浮球或者球窩的節(jié)流孔供入高壓氣體，使兩者相對懸浮，實現(xiàn)三軸的無摩擦轉(zhuǎn)動，可以高精度的模擬失重環(huán)境和三軸姿態(tài)運動。然而，氣浮球相對于球窩的轉(zhuǎn)動不同于框架式的轉(zhuǎn)臺，其轉(zhuǎn)動沒有固定的轉(zhuǎn)軸，這給對球軸承轉(zhuǎn)動角度和角速度的測量帶來困難。通常對球軸承姿態(tài)運動的測量采用在運動部件上安裝慣性測量單元，如陀螺等。然而這種測量方式的缺點是：1、造價高，2、氣浮球附加物改變其質(zhì)量特性，3、氣浮球軸承的三維姿態(tài)需要經(jīng)過復(fù)雜的解算得到，且精度有限。另一種實現(xiàn)方式是利用室內(nèi)GPS、視覺等手段進行測量，該方式雖然可以直接得到氣浮球軸承相對于地面坐標系的三軸運動姿態(tài)，然而氣浮球上需要安裝靶標等設(shè)備，同時需要與廠房的室內(nèi)GPS或視覺相機配合使用，每次移動后需要重新標定，不僅使用復(fù)雜、成本高，而且失去了獨立性。隨著空間技術(shù)等高新技術(shù)發(fā)展，氣浮球軸承的需求日益增加，其姿態(tài)測量問題也成了限制其推廣的瓶頸。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，進而提供一種氣浮球軸承三維姿態(tài)測量方法。本專利技術(shù)的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種氣浮球軸承三維姿態(tài)測量方法，一、氣浮球俯仰運動時，俯仰方向內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件的轉(zhuǎn)動角度跟蹤偏差為Δψ時，如圖5所示，內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件在滾轉(zhuǎn)軸方位(俯仰方向)的間隙變化為δψ＝Δψ×Rψ其中，Rψ為俯仰間隙傳感器測頭到氣浮球回轉(zhuǎn)中心的半徑。二、俯仰間隙傳感器測量這一間隙變化得到測量值并將反饋給控制器，控制器控制外環(huán)驅(qū)動電機驅(qū)動外環(huán)轉(zhuǎn)動，帶動內(nèi)環(huán)消除內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件在滾轉(zhuǎn)軸方位(俯仰方向)的間隙變化，從而消除內(nèi)環(huán)對赤道面轉(zhuǎn)接件俯仰運動的角度跟蹤偏差，外環(huán)的俯仰角度由外環(huán)角度傳感器測量，值為測量得到的氣浮球的俯仰角ψ^=Δ^ψ+ψ^m]]>其中，Δ^ψ=δ^ψRψ]]>為解算得到的外環(huán)角度跟蹤偏差。三、氣浮球滾轉(zhuǎn)姿態(tài)測量與氣浮球俯仰姿態(tài)測量類似，氣浮球滾轉(zhuǎn)運動時，滾轉(zhuǎn)方向內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件的轉(zhuǎn)動角度跟蹤偏差為Δφ時，內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件在俯仰軸方位(滾轉(zhuǎn)方向)的間隙變化為δφ＝Δφ×Rφ其中，Rφ為滾轉(zhuǎn)間隙傳感器測頭到氣浮球回轉(zhuǎn)中心的半徑。四、滾轉(zhuǎn)間隙傳感器測量這一間隙變化得到測量值并將反饋給控制器，控制器控制內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機驅(qū)動內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動消除內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件俯仰軸方位(滾轉(zhuǎn)方向)的間隙變化，從而消除內(nèi)環(huán)對赤道面轉(zhuǎn)接件滾轉(zhuǎn)運動的角度跟蹤偏差，內(nèi)環(huán)的滾轉(zhuǎn)角度由內(nèi)環(huán)角度傳感器測量，值為測量得到的氣浮球的滾轉(zhuǎn)角φ^=Δ^φ+φ^m]]>其中，Δ^φ=δ^φRφ]]>為解算得到的內(nèi)環(huán)角度跟蹤偏差。五、在外環(huán)跟蹤氣浮球俯仰運動、內(nèi)環(huán)跟蹤氣浮球的滾轉(zhuǎn)運動的共同作用下，內(nèi)環(huán)環(huán)面始終與氣浮球赤道面共面，即內(nèi)環(huán)軸線與氣浮球自轉(zhuǎn)軸同軸(存在很小的角度偏差為跟蹤偏差)。因此，氣浮球相對內(nèi)環(huán)的自轉(zhuǎn)角度θ，可以通過內(nèi)環(huán)和赤道面轉(zhuǎn)接件之間安裝自轉(zhuǎn)角度傳感器測量，值為例如在赤道面轉(zhuǎn)接件的赤道面上安裝圓光柵、在內(nèi)環(huán)對應(yīng)位置安裝光柵測頭即可實現(xiàn)對自轉(zhuǎn)角度的測量。本專利技術(shù)的有益效果為：利用球軸承三維姿態(tài)測量裝置，主動伺服跟蹤實現(xiàn)三維球軸承姿態(tài)測量。通過間隙檢測和主動伺服，實現(xiàn)內(nèi)環(huán)始終與氣浮球赤道面共面，即內(nèi)環(huán)與氣浮球及赤道面轉(zhuǎn)接件非接觸且回轉(zhuǎn)軸與氣浮球同軸。因此，內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件之間安裝自轉(zhuǎn)角度傳感器直接測量得到自轉(zhuǎn)角度俯仰角度和滾轉(zhuǎn)角度分別由對應(yīng)通道的間隙傳感器和角度傳感器共同測量得到，俯仰角度測量值為滾轉(zhuǎn)角度測量值為測量方法簡單直觀，各通道解耦，便于計算處理；完全利用球軸承三維姿態(tài)測量裝置上的元器件，不需任何其它設(shè)備進行輔助，集成度高、成本低、獨立性強、使用方便、便于調(diào)試維護。應(yīng)用于基于氣浮球軸承的高精度姿態(tài)模擬、零重力試驗設(shè)備或系統(tǒng)時，可以提高系統(tǒng)的集成度，提高系統(tǒng)的測量精度，降低整個系統(tǒng)的開發(fā)難度和成本、縮短開發(fā)周期。附圖說明圖1為本專利技術(shù)方法中使用的氣浮球軸承三維姿態(tài)測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(主視)。圖2為本專利技術(shù)方法中使用的氣浮球軸承三維姿態(tài)測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(左視)。圖3為本專利技術(shù)方法中使用的氣浮球軸承三維姿態(tài)測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(俯視)。圖4為本專利技術(shù)方法中主動伺服跟蹤測量的控制原理圖。圖5為本專利技術(shù)方法中偏差檢測和角度跟蹤的幾何關(guān)系和原理圖(以俯仰通道為例)。圖1～圖3、圖5中的附圖標記，1為赤道面轉(zhuǎn)接件，2為內(nèi)環(huán)，3為外環(huán)，4為氣浮球，5為外環(huán)驅(qū)動電機，6為內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機，7為氣浮球窩及底座，8為俯仰間隙傳感器，9為滾轉(zhuǎn)間隙傳感器，10為自轉(zhuǎn)角度傳感器，11為內(nèi)環(huán)角度傳感器，12為外環(huán)角度傳感器。圖4中的附圖標記，ψ為俯仰角、φ為滾轉(zhuǎn)角、θ為自轉(zhuǎn)角、Δψ為俯仰角跟蹤偏差、Δφ為滾轉(zhuǎn)角跟蹤偏差、δψ為內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件俯仰方向間隙、δφ為內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件滾轉(zhuǎn)方向間隙、為俯仰間隙傳感器測量值、為滾轉(zhuǎn)間隙傳感器測量值、ψm為外環(huán)轉(zhuǎn)角、φm為內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)角、為外環(huán)角度傳感器測量值、為內(nèi)環(huán)角度傳感器測量值、為解算得到的外環(huán)跟蹤偏差、為解算得到的內(nèi)環(huán)跟蹤偏差、為解算得到的氣浮球俯仰角、為解算得到氣浮球滾轉(zhuǎn)角、為測量得到的自轉(zhuǎn)角。具體實施方式下面將結(jié)合附圖對本專利技術(shù)做進一步的詳細說明：本實施例在以本專利技術(shù)技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式，但本專利技術(shù)的保護范圍不限于下述實施例。如圖4和圖5所示，本實施例所涉及的一種氣浮球軸承三維姿態(tài)測量方法，氣浮球俯仰運動時，外環(huán)對氣浮球赤道面俯仰方向跟蹤存在角度偏差Δψ時，俯仰間隙傳感器8測量得到間隙變化值根據(jù)幾何關(guān)系解算得到俯仰角度跟蹤偏差為Δ^ψ=δ^ψRψ]]>控制器根據(jù)角度偏差計算控制量控制外環(huán)驅(qū)動電機驅(qū)動外環(huán)3轉(zhuǎn)動，并帶動內(nèi)環(huán)2俯仰運動，從而消除俯仰角度跟蹤偏差，即減小內(nèi)環(huán)2與赤道面轉(zhuǎn)接件1在滾轉(zhuǎn)軸方位(俯仰方向)上的間隙變化，同時外環(huán)角度傳感器12測量得到外環(huán)3的轉(zhuǎn)動角度如圖4所示，綜合俯仰間隙傳感器8和外環(huán)角度傳感器12測量值得到氣浮球的實時俯仰角度為ψ^=Δ^ψ+ψ^m]]>與俯仰姿態(tài)測量類似，氣浮球發(fā)生滾裝運動時，內(nèi)環(huán)對氣浮球赤道面滾轉(zhuǎn)方向跟蹤存在角度偏差Δφ時，滾轉(zhuǎn)間隙傳感器9測量得到滾轉(zhuǎn)間隙變化值根據(jù)幾何解算關(guān)系得到的滾轉(zhuǎn)角度跟蹤偏差為Δ^φ=δ^φRφ]]>控制器根據(jù)角度偏差計算控制量控制內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機驅(qū)動內(nèi)環(huán)2滾轉(zhuǎn)運動，從而消除滾轉(zhuǎn)角度跟蹤偏差，即減小內(nèi)環(huán)2與赤道面轉(zhuǎn)接件1在俯仰軸方位(滾轉(zhuǎn)方向)上的間隙變化，同時內(nèi)環(huán)角本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種氣浮球軸承三維姿態(tài)測量方法，其特征在于，一、氣浮球俯仰運動時，俯仰方向內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件的轉(zhuǎn)動角度跟蹤偏差為Δψ時，內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件在滾轉(zhuǎn)軸方位的間隙變化為δψ＝Δψ×Rψ其中，Rψ為俯仰間隙傳感器測頭到氣浮球回轉(zhuǎn)中心的半徑；二、俯仰間隙傳感器測量這一間隙變化得到測量值并將反饋給控制器，控制器控制外環(huán)驅(qū)動電機驅(qū)動外環(huán)轉(zhuǎn)動，帶動內(nèi)環(huán)消除內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件在滾轉(zhuǎn)軸方位的間隙變化，從而消除內(nèi)環(huán)對赤道面轉(zhuǎn)接件俯仰運動的角度跟蹤偏差，外環(huán)的俯仰角度由外環(huán)角度傳感器測量，值為測量得到的氣浮球的俯仰角ψ^=Δ^ψ+ψ^m]]>其中，Δ^ψ=δ^ψRψ]]>為解算得到的外環(huán)角度跟蹤偏差；三、氣浮球滾轉(zhuǎn)運動時，滾轉(zhuǎn)方向內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件的轉(zhuǎn)動角度跟蹤偏差為Δφ時，內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件在俯仰軸方位的間隙變化為δφ＝Δφ×Rφ其中，Rφ為滾轉(zhuǎn)間隙傳感器測頭到氣浮球回轉(zhuǎn)中心的半徑；四、滾轉(zhuǎn)間隙傳感器測量這一間隙變化得到測量值并將反饋給控制器，控制器控制內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機驅(qū)動內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動消除內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件俯仰軸方位的間隙變化，從而消除內(nèi)環(huán)對赤道面轉(zhuǎn)接件滾轉(zhuǎn)運動的角度跟蹤偏差，內(nèi)環(huán)的滾轉(zhuǎn)角度由內(nèi)環(huán)角度傳感器測量，值為測量得到的氣浮球的滾轉(zhuǎn)角φ^=Δ^φ+φ^m]]>其中，Δ^φ=δ^φRφ]]>為解算得到的內(nèi)環(huán)角度跟蹤偏差；五、在外環(huán)跟蹤氣浮球俯仰運動、內(nèi)環(huán)跟蹤氣浮球的滾轉(zhuǎn)運動的共同作用下，內(nèi)環(huán)環(huán)面始終與氣浮球赤道面共面，即內(nèi)環(huán)軸線與氣浮球自轉(zhuǎn)軸同軸，氣浮球相對內(nèi)環(huán)的自轉(zhuǎn)角度θ，通過內(nèi)環(huán)和赤道面轉(zhuǎn)接件之間安裝自轉(zhuǎn)角度傳感器測量，值為...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種氣浮球軸承三維姿態(tài)測量方法，其特征在于，一、氣浮球俯仰運動時，俯仰方向內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件的轉(zhuǎn)動角度跟蹤偏差為Δψ時，內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件在滾轉(zhuǎn)軸方位的間隙變化為δψ＝Δψ×Rψ其中，Rψ為俯仰間隙傳感器測頭到氣浮球回轉(zhuǎn)中心的半徑；二、俯仰間隙傳感器測量這一間隙變化得到測量值并將反饋給控制器，控制器控制外環(huán)驅(qū)動電機驅(qū)動外環(huán)轉(zhuǎn)動，帶動內(nèi)環(huán)消除內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件在滾轉(zhuǎn)軸方位的間隙變化，從而消除內(nèi)環(huán)對赤道面轉(zhuǎn)接件俯仰運動的角度跟蹤偏差，外環(huán)的俯仰角度由外環(huán)角度傳感器測量，值為測量得到的氣浮球的俯仰角ψ^=Δ^ψ+ψ^m]]>其中，Δ^ψ=δ^ψRψ]]>為解算得到的外環(huán)角度跟蹤偏差；三、氣浮球滾轉(zhuǎn)運動時，滾轉(zhuǎn)方向內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件的轉(zhuǎn)動角度跟蹤偏差為Δφ時，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉延芳，齊乃明，唐麗慧，姚蔚然，霍明英，劉如才，
申請(專利權(quán))人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱研控自動化科技開發(fā)有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：黑龍江;23