基于经验模态法的三轴气浮台质心智能调节方法

摘要

基于经验模态法的三轴气浮台质心智能调节方法，解决了现有气浮台质心信调节方法的调节精度低，稳定性差的问题，本发明采用三组质心调节机构对三轴气浮台质心进行调节，每组质心调节机构包括电机和质量块，电机用于带动质量块移动，三组质心调节机构均布并安装在三轴气浮台载物平台上，且每组质心调节机构均能够上下移动；采用电子倾角仪测量三轴气浮台载物平台的X轴方向的角度信息，采用电子倾角仪测量三轴气浮台载物平台的Y轴方向的角度信息，采用工控机控制电机移动，实现轴气浮台的质心调节。本发明适用于三轴气浮台质心调节。

说明书

技术领域

本发明属于地面全物理仿真领域，具体涉及一种三自由度气浮仿真实验平台系统质心 的调节方法。

背景技术

随着人们对外太空的探索，将研制的卫星置于气浮仿真平台进行仿真测试，以此降低 研究成本，提高卫星执行任务的成功率，已经成为研制发射卫星的必要步骤。三轴仿真平 台主要用于模拟飞行器等设备在某种环境下的姿态运动。控制技术和计算机技术的发展， 以及新型材料的开发运用，使得仿真平台体积变小，刚度加大，承载能力更高。此外科学 技术的进步还使得仿真平台的控制精度以及位资精度都有了极大的提高。因此，三轴气浮 台将不再仅限于空间飞行器的实验模拟，也逐渐适用于其他各种方向，如航海时的模拟训 练以及某些高精度，高成本的实验设备在投入使用之前的仿真测试。

在气浮台中工作台是气浮台的本体，它用来安装姿态控制系统的测试部件。由于卫星 在空间飞行时所须的驱动力矩很小，所以在进行地面模拟试验时，必须将干扰力矩控制到 很小的数值。当各项干扰力矩控制到规定数值后，工作台便可浮在球轴承上在任意姿态角 达随迁平衡，以实现稳定，此时卫星就像飘浮在空间飞行轨道上一样，再通过遥测、遥控 装置，姿控系统就可在模拟台上进行各种试验了。传统人工调平费时费力，且往往达不到 良好的调节效果。通过此调平机构，使旋转中心与整体质心重合，研制出的工作台具有很 高的平衡精度，以满足地面仿真实验的使用要求。

公开号为CN1818601A的中国专利中提出了一种气浮转台外加载荷质心调节装置。其 在保持载物平台X-Y平面的水平动态平衡时，再进一步手动调整安装在Z轴方向的扁圆柱 型螺母上下移动，使质心与旋转中心重合。但是上述装置在进行质心调整时为人工操作， 必然会引入较大误差。

公开号为CN103292130A的中国专利中提出了一种应用线阵CCD测量载物平台质心的 方案。但是此装置使用范围较为局限，在较为恶劣的条件下影响光纤测量效果，另外各 CCD线阵图像获取时间较长，测量效率较低；由于扫描运动及相应的位置反馈环节的存在， 增加了系统复杂性和成本。另外图像精度可能受扫描运动精度的影响而降低，最终影响测 量精度。

另外文献《三自由度气浮台自动平衡系统动力学建模》中所述，当今通常采用转台的 动力学及运动学方程来描述台体运动信息，继而求解平台质心以便后续调平。然而在调节 过程中台体会产生振荡，角度、角速度传感器测得的数据会有较大噪声，对控制系统输出 何种指令会造成一定干扰，致使系统难以稳定。

发明内容

本发明是为了解决现有气浮台质心信调节方法的调节精度低，稳定性差的问题，提出 了一种基于经验模态法的三轴气浮台质心智能调节方法。

本发明所述基于经验模态法的三轴气浮台质心智能调节方法，该方法的具体步骤为：

采用三组质心调节机构对三轴气浮台质心进行调节，每组质心调节机构包括电机和质 量块，电机用于带动质量块移动，三组质心调节机构均布并安装在三轴气浮台载物平台上， 且每组质心调节机构均能够上下移动；

步骤一、采用电子倾角仪测量三轴气浮台载物平台的X轴方向的角度信息x(t)，执行步 骤二；其中，t为时间；

步骤一二、采用电子倾角仪测量三轴气浮台载物平台的Y轴方向的角度信息y(t)，执行 步骤二二；

步骤一三、采用角加速度传感器测量三轴气浮台载物平台Z轴方向角度信息，并对Z轴 方向角加速度信息进行二次积分，获得Z轴方向的角度信息z(t)；执行步骤二三；

步骤二、采用经验模态法对X轴方向的角度信息x(t)进行提取，获得三轴气浮台载物平 台x轴方向的震荡周期c_xn(t)；执行步骤三；其中，n为正整数；

步骤二二、采用经验模态法对Y轴方向的角度信息y(t)进行提取，获得三轴气浮台载 物平台y轴方向的震荡周期c_yn(t)；执行步骤三；

步骤二三、采用经验模态法对Z轴方向的角度信息z(t)进行提取，获得三轴气浮台载物 平台z轴方向的震荡周期c_zn(t)；执行步骤三；

步骤三、判断三轴气浮台载物平台X轴方向的震荡周期c_xn(t)，y轴方向的震荡周期 c_yn(t)，是否均达到震荡周期阈值A，如是则执行步骤四；

若三轴气浮台载物平台的X轴方向的震荡周期c_xn(t)未达到震荡周期阈值A,则执行步骤 五；

若三轴气浮台载物平台的Y轴方向的震荡周期c_yn(t)未达到震荡周期阈值A,则执行步骤 六；

步骤四、判断Z轴方向的震荡周期c_zn(t)是否均达到震荡周期阈值A，若是，则完成基于 经验模态法的三轴气浮台质心智能调节；否则执行步骤七；

步骤五、采用工控机根据气浮平台载物平台X轴方向的震荡周期c_xn(t)，控制X轴上的电 机转动，电机带动质量块在X方向上移动，返回执行步骤一；

步骤六、采用工控机根据气浮平台载物平台Y轴方向的震荡周期c_yn(t)，控制Y轴上的电 机转动，电机带动质量块在Y方向上移动，返回执行步骤一二；

步骤七、采用工控机根据Z轴方向载物平台x轴方向的震荡周期c_zn(t),同时控制三个电 机转动，带动三个质量块移动，返回执行步骤一三。

本发明采用经验模态法，大大缩短了观测时间，可在较短的测量时间内得到平台震荡 周期，获取质心偏差信息以便后续进行质心调节。采用电机带动质量块移动对载物平台角 度震荡周期的长短变化来判断移动方向及移动距离的正确与否，并决定下一步输出何种指 令。当平台震荡周期达到阈值时结束调平过程。解决了现有气浮台质心调节方法的调节精 度低，稳定性差的问题，且本发明所述气浮台质心调节方法的调节精度与现有方法相比，

同比提高了20%。本发明所述气浮台质心调节方法的调节的稳定性与现有方法相比，同比 提高了10%。

附图说明

图1为本发明所述方法的原理示意图；

图2为具体实施方式二所述的X轴方向的角度信息x(t)的曲线图

图3为具体实施方式二所述的包络线和均值曲线图，图中，

曲线2为角度信息x(t)的上包络线，

曲线3为角度信息x(t)的下包络线，

曲线4为上包络线u_xk(t)与下包络线l_xk(t)的均值曲线；

图4为具体实施方式二所述的角度信息x(t)减去均值包络线m_xk(t)得到一个分量 h_xk(t)曲线。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于经验模态法的三 轴气浮台质心智能调节方法，该方法的具体步骤为：

采用三组质心调节机构对三轴气浮台质心进行调节，每组质心调节机构包括电机和质 量块，电机用于带动质量块移动，三组质心调节机构均布并安装在三轴气浮台载物平台上， 且每组质心调节机构均能够上下移动；

步骤一、采用电子倾角仪测量三轴气浮台载物平台的X轴方向的角度信息x(t)，执行步 骤二；其中，t为时间；

步骤一二、采用电子倾角仪测量三轴气浮台载物平台的Y轴方向的角度信息y(t)，执行 步骤二二；

步骤一三、采用角加速度传感器测量三轴气浮台载物平台Z轴方向角度信息，并对Z轴 方向角加速度信息进行二次积分，获得Z轴方向的角度信息z(t)；执行步骤二三；

步骤二、采用经验模态法对X轴方向的角度信息x(t)进行提取，获得三轴气浮台载物平 台x轴方向的震荡周期c_xn(t)；执行步骤三；其中，n为正整数；

步骤二二、采用经验模态法对Y轴方向的角度信息y(t)进行提取，获得三轴气浮台载 物平台y轴方向的震荡周期c_yn(t)；执行步骤三；

步骤二三、采用经验模态法对Z轴方向的角度信息z(t)进行提取，获得三轴气浮台载物 平台z轴方向的震荡周期c_zn(t)；执行步骤三；

步骤三、判断三轴气浮台载物平台X轴方向的震荡周期c_xn(t)，y轴方向的震荡周期 c_yn(t)，是否均达到震荡周期阈值A，如是则执行步骤四；

若三轴气浮台载物平台的X轴方向的震荡周期c_xn(t)未达到震荡周期阈值A,则执行步骤 五；

若三轴气浮台载物平台的Y轴方向的震荡周期c_yn(t)未达到震荡周期阈值A,则执行步骤 六；

步骤四、判断Z轴方向的震荡周期c_zn(t)是否均达到震荡周期阈值A，若是，则完成基于 经验模态法的三轴气浮台质心智能调节；否则执行步骤七；

步骤五、采用工控机根据气浮平台载物平台X轴方向的震荡周期c_xn(t)，控制X轴上的电 机转动，电机带动质量块在X方向上移动，返回执行步骤一；

步骤六、采用工控机根据气浮平台载物平台Y轴方向的震荡周期c_yn(t)，控制Y轴上的电 机转动，电机带动质量块在Y方向上移动，返回执行步骤一二；

步骤七、采用工控机根据Z轴方向载物平台x轴方向的震荡周期c_zn(t),同时控制三个电 机转动，带动三个质量块移动，返回执行步骤一三。

具体实施方式二、结合图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式 一所述的基于经验模态法的三轴气浮台质心智能调节方法的进一步说明，步骤二获得三轴 气浮台载物平台x轴方向的震荡周期c_xn(t)的方法与步骤二二获得三轴气浮台载物平台y轴 方向的震荡周期c_yn(t)和步骤二三获得三轴气浮台载物平台z轴方向的震荡周期c_zn(t)的方 法相同，获得三轴气浮台载物平台x轴方向的震荡周期c_xn(t)方法的具体步骤为：

步骤二获得三轴气浮台载物平台X轴方向的震荡周期c_xn(t)的方法与步骤二二获得三轴 气浮台载物平台Y轴方向的震荡周期c_yn(t)的方法相同，获得三轴气浮台载物平台x轴方向的 震荡周期c_xn(t)方法的具体步骤为：

步骤1、找出X轴方向的角度信息x(t)所有的极大值点，并用三次样条插值函数拟合形 成角度信息x(t)的上包络线u_xk(t)；再找出X轴方向的角度信息x(t)所有的极小值点，并将 所有的极小值点通过三次样条插值函数拟合形成角度信息x(t)的下包络线l_xk(t)；其中，k ≤n，且k为整数；

步骤2、计算上包络线u_xk(t)与下包络线l_xk(t)的均值m_xk(t)；

步骤3、将信号x(t)减去均值包络线m_xk(t)得到一个分量h_xk(t)；

步骤4、判断分量h_xk(t)是否满足本征函数的条件，是则执行步骤5，否则，令h_xk(t)= x(t)，返回执行步骤1；

步骤5、令c_xn(t)=h_xk(t)，同时令信号x(t)减去c_xn(t)，获得残余量r_xn(t)；

步骤6、采用公式：$\mathrm{SD}=\underset{t=0}{\overset{T}{\Sigma }}\left[\frac{{\left|(h_{x(k-1)}\left(t\right)-h_{\mathrm{xk}}\left(t\right))\right|}^2}{h_{x(k-1)}^2\left(t\right)}\right]$

计算获得标准差SD；T为观测台体运动的总时间，500≤T≤1000s；h_x(k-1)为第k-1个震 荡周期获得的分量h_xk(t)；

步骤7、判断标准差SD是否满足0.2≤SD≤0.3，是则确定气浮平台的震荡周期c_xn(t)，

否则执行步骤8；

步骤8、绘制残余量r_xn(t)的变化曲线，根据曲线的波峰和波谷信息判断残余量是否为 一个震荡周期，是则令r_xn(t))=x(t)，返回执行步骤1，否则获得气浮平台的震荡周期c_xn(t)。

本发明采用经验模态法分析可以得到较为光滑的曲线，另外此方案大大缩短了观测时 间，可在较短的测量时间内得到平台震荡周期，获取质心偏差信息以便后续进行质心调节。 根据电机带动质量块移动对载物平台角度震荡周期的长短变化来判断移动方向及移动距 离的正确与否，并决定下一步输出何种指令。当平台震荡周期达到设计要求时即可结束调 平过程。调节过程中采用先调X、Y轴质心偏差，再调Z轴质心偏差的顺序，即先分别利 用主控X轴与主控Y轴调平质量块的电机带动质量块移动使得质心在X-Y平面上调平；再 同时升降三台电机所携带的质量块达到调平Z轴的目的。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式二所述的基于经验模态法的三轴气浮 台质心智能调节方法的进一步说明，步骤4中所述的本征函数的条件为：

条件一：局部极大值与局部极小值的总和与信号跨零点的数目相等或者数目相差一个；

条件二：在任意时间上，局部极大值通过三次样条插值函数拟合形成的上包络线与极 小值点通过三次样条插值函数拟合形成的下包络线的平均值为零。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的基于经验模态法的 三轴气浮台质心智能调节方法的进一步说明，步骤五中所述工控机根据气浮平台的震荡周 期c_yn(t)，控制X轴上的电机转动，电机带动质量块在X方向上移动的方法为：

步骤21、判断第n个震荡周期c_xn(t)是否满足c_xn(t)≥1500s，是则执行步骤22，否则执行 步骤23；

步骤22、判断第n个震荡周期c_xn(t)是否大于第n-1个震荡周期c_x(n-1)(t)；是则电机移动 方向与n-1次调节电机移动相同，且电机的旋转轴旋转0.001圈，否则电机移动方向与n-1 次调节电机移动相反，且电机的旋转轴旋转0.001圈；

步骤23、判断第n个震荡周期c_xn(t)是否满足500s≤c_xn(t)＜1500s，是则执行步骤24，否 则执行步骤25；

步骤24、判断第n个震荡周期c_xn(t)是否大于第n-1个震荡周期c_x(n-1)(t)；是则电机移动 方向与n-1次调节电机移动相同，且电机的旋转轴旋转0.01圈，否则电机移动方向与n-1次 调节电机移动相反，且电机的旋转轴旋转0.01圈；

步骤25、判断第n个震荡周期c_xn(t)是否大于是否满足100s≤c_xn(t)＜500s，是则执行步 骤26，否则执行步骤27；

步骤26、判断第n个震荡周期c_xn(t)是否大于第n-1个震荡周期c_x(n-1)(t)；是则电机移动 方向与n-1次调节电机移动相同，且电机的旋转轴旋转0.05圈，否则电机移动方向与i-1次 调节电机移动相反，且电机的旋转轴旋转0.05圈；

步骤27、判断第n个震荡周期cxn(t)是否大于第n-1个震荡周期c_x(_n-1)(t)；是则电 机移动方向与n-1次调节电机移动相同，且电机的旋转轴旋转1圈，否则电机移动方 向与n-1次调节电机移动相反，且电机的旋转轴旋转1圈。

由表1可知，三轴气浮台的工控机根据气浮平台的震荡周期，向电机发送移动方向及 移动距离信息的方法，且三轴气浮台的x轴方向、y轴方向和z轴方向均采用本方法进行 控制。

表1

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的基于经验模态法的 三轴气浮台质心智能调节方法的进一步说明，所述的电机为直流无刷伺服电机。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的基于经验模态法的 三轴气浮台质心智能调节方法的进一步说明，所述电机通过滚珠丝杠与质量块相连。

具体实施方式六、实施方式是对具体实施方式一所述的基于经验模态法的三轴气浮台 质心智能调节方法的进一步说明，每组质心调节机构与水平面呈夹角60度。

由于平台质心在充分靠近气浮球轴承旋转中心时，平台震荡周期会达到几千秒甚至更 长，采用通常的观测方法耗时过长且难以精确测量。采用经验模态法（EMD）后大大缩短 了观测时间，可在较短的测量时间内得到平台震荡周期，获取质心偏差信息，进一步用于 质心位置的调整。且由相关物理及数学关系可知，载物平台整体质心与其旋转中心不重合 所产生的平台周期性震荡，其周期与质心位置有着一定的对应关系：质心与旋转中心偏移 越大其震荡周期越短，反之质心与旋转中心偏移越小其震荡周期越长。结合模糊控制通过 判断平台震荡周期变化趋势即可通过直流无刷伺服电机带动质量块移动来调节平台的质 心位置。采用本发明所述方法比采用手工配平方法具有更好的效果。