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卫星仿真三轴气浮台关键检测技术研究

作　者: 郭楠楠
导　师: 任顺清
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 三轴气浮转台球度转动惯量平衡测试摩擦力矩
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着航天技术的发展，对于卫星的指向精确程度的要求越来越高，为此采用三轴气浮台模拟卫星运行的太空无摩擦的力学环境，并对姿态控制系统进行仿真，所以研制卫星仿真三轴气浮台具有重要的意义。本文以正在研制的三轴气浮台为研究对象，对气浮球的球度误差、气浮台台体的转动惯量、台体的平衡测试与调整以及台体摩擦力矩的测试与辨识等一些关键性的指标提出了一些新的测试方法。首先，针对气浮台的主体对气浮球的球度误差进行测试，运用经线圆和纬线圆的测试方法，设计了气浮球球度误差的测试和误差分离方法。建立了用经线圆法和纬线圆法测试球度误差的模型，根据误差模型成功分离出球度误差、单轴气浮台的回转误差以及安装误差，针对一个小型球进行模拟实验，验证了该方法的正确性，本方法的测量不确定度达到0.3μm。其次，对于三轴气浮台转动惯量的测试，运用陀螺仪和动量轮组合的方法，通过建立测试所用的坐标系，把运用陀螺仪的输出计算出的欧拉角速度和角加速度转换到台体坐标系上，运用动量矩定理分析得出系统的动力学方程，设计了对三轴动量轮进行激励的强度，并通过陀螺仪输出辨识了台体的转动惯量矩阵。再次，对于三轴气浮台的平衡测试及调整进行了研究，分预调整、手动调整和自动调整三个阶段开展工作，并对各阶段调整精度进行分析。最后，对于三轴气浮台总体的摩擦力矩的测试，对原先的测试方法进行了不确定度分析。提出了测试与角速率相关的摩擦力矩系数的方法，该方法通过正反旋转气浮台，计算气浮台的角速度和角加速度的变化，利用最小二乘法辨识了气浮台干扰力矩的数值，分离出了涡流力矩、摩擦力矩和空气干扰力矩。根据转台不同方向转动时角速度和角加速度的变化曲线，进一步验证了干扰力矩辨识的正确性，并通过对陀螺仪添加噪声再次仿真变化曲线，检验辨识的精确程度。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-15
  1.1 课题的背景及研究意义  8-9
  1.2 国内外研究现状及分析  9-13
    1.2.1 球度误差的检测技术现状  9-10
    1.2.2 转动惯量测试技术的状况  10-11
    1.2.3 气浮台调平衡技术的状况  11-12
    1.2.4 摩擦力矩测试技术的状况  12-13
  1.3 论文的主要研究内容  13-15
第2章球度误差的分离技术  15-38
  2.1 引言  15
  2.2 技术要求及其检测系统组成  15-16
  2.3 纬线圆球度误差模型的建立  16-20
  2.4 纬线圆法球度测量误差的不确定度分析  20-24
    2.4.1 径向回转误差测量不确定度  20-21
    2.4.2 轴向回转误差的测量不确定度  21-22
    2.4.3 倾角回转误差的测量不确定度  22
    2.4.4 其它参数的测量不确定度  22-23
    2.4.5 姿态精度对测试结果的影响  23-24
    2.4.6 总的测量不确定度  24
  2.5 经线圆法球度误差模型的建立  24-26
  2.6 经线圆法球度误差测量不确定度分析  26
  2.7 单轴气浮台回转误差的测试  26-32
    2.7.1 单轴气浮转台径向回转误差的检测  26-28
    2.7.2 单轴气浮转台轴向回转误差的检测  28-30
    2.7.3 单轴气浮转台倾角回转误差的检测  30-32
  2.8 球度误差的补偿实验  32-37
    2.8.1 纬线圆法球度误差的补偿  32-34
    2.8.2 球度误差自动分离与补偿  34-37
  2.9 本章小结  37-38
第3章基于陀螺仪和动量轮的三轴气浮台转动惯量测试方法  38-48
  3.1 引言  38
  3.2 测试设备和方法  38-44
    3.2.1 测试所用坐标系的建立  38-39
    3.2.2 用陀螺仪的输出计算欧拉角速度和角加速度  39-41
    3.2.3 力矩的给定  41-44
  3.3 向量的辨识方法  44-46
  3.4 误差产生的误差源及分析  46-47
  3.5 本章小结  47-48
第4章三轴气浮台的平衡测试与调整  48-61
  4.1 引言  48
  4.2 平衡系统介绍  48-50
    4.2.1 质量特性测量调整系统组成  48-49
    4.2.2 质量特性测量调整试验流程  49-50
  4.3 台下预调平衡法与精度分析  50-54
  4.4 台上粗调平衡的方法与精度分析  54-55
  4.5 台上自动平衡的设计与分析  55-60
  4.6 本章小结  60-61
第5章气浮球轴承摩擦力矩的测试方法与误差分析  61-80
  5.1 引言  61
  5.2 三轴气浮台的干扰力矩  61-63
    5.2.1 摩擦力矩  61-62
    5.2.2 空气阻力矩  62
    5.2.3 涡流力矩  62-63
  5.3 气浮球姿态、角速率和角加速度的测试方法  63-64
    5.3.1 陀螺仪测角速率  63
    5.3.2 陀螺仪测角加速度  63
    5.3.3 陀螺仪测单轴姿态  63-64
  5.4 时间-角速率法测干扰力矩及误差分析  64-65
  5.5 整周时间法测量干扰力矩及误差分析  65-68
  5.6 时间-角位移法测量干扰力矩及误差分析  68-71
  5.7 角速率、角加速度法测量摩擦力矩系数  71-78
  5.8 本章小结  78-80
结论  80-81
参考文献  81-87
致谢  87

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