本发明涉及多轴支撑气浮平台的测量控制系统 ， 属于超精密仪器设备平台技术领域。 背景技术

在现代社会中， 经常需要高平面度的平台， 比如在空间交汇对接、 地面测量、 导航、 网络通信和编队控制等全物理仿真试验中，需 要支撑整个地面仿真器，为地面仿真实验提 供基础平台；为编队卫星地面试验验证、控制 算法验证分析等物理仿真试验提供平台支撑。 由于平台运动或者是静止时都可能由于大面积 水平基座的不平整等原因处于倾斜状态，不 利于为负载提供尽可能水平的作业平台保证准 确对接，因此需要平台在静止和运动状态都 能够被快速、 精确的调平， 以保证平台足够的水平度。

现有技术中， 存在各种使用调平机构的工作平台， 其调平机构为重力式 (自重)调平机 构、 四杆调平机构或等容积液压缸调平机构。 但是， 上述调平机构具有许多缺点， 例如：

(1)重力式调平机构依靠自重来调平工作平台 ， 其由工作平台、 支架组成， 这种调平 机构不稳定， 安全系数低， 操作员操作舒适性差。

(2)四杆调平机构采用的是靠物理中四杆的特性 来调平工作平台， 它的缺陷是对于结 构为伸缩的臂架不适用， 应用范围狭窄。

(3)等容积液压缸调平机构采用的是在变幅臂处 安装被动油缸， 工作平台处安装等容 积调平液压缸来调平工作平台， 其由工作平台、被动油缸、 等容积调平液压缸构成。 它的 缺点是对于结构为多级伸缩的臂架不适用， 应用范围狭窄。

因此， 就迫切需要提供一种系统平台， 能够在任何状况下， 由调平系统调节使工作平 台保持为水平状态。

发明内容

本发明目的是为了解决现有支撑平台的调平状 态受限，应用范围狭窄的问题，提供了 一种多轴支撑气浮平台的测量控制系统。

本发明所述多轴支撑气浮平台的测量控制系统 ， 它对多轴支撑气浮平台进行测量控 制， 所述多轴支撑气浮平台包括承载平台， M条支撑腿、 M个气浮筒和 M个气足， M为 3、 4、 5、 6、 7或 8，

所述承载平台为圆形平台， 承载平台由 M条支撑腿支撑， M条支撑腿与承载平台下 表面的 M个连接点构成正 M边形； 每条支撑腿的末端连接一个气浮筒， 每个气浮筒 的底端通过气浮球轴承连接一个气 足；

所述测量控制系统包括负载反馈单元、执行单 元、位置测量单元、 安全保护单元、控 制器、 旋转电机和直线光源，

负载反馈单元包括 M个压力传感器和四个差动传感器；执行单元� �括 M个伺服音圈 电机和 M个伺服音圈电机驱动器;位置测量单元包括平� ��光栅、 M个直线光栅、线阵 CCD、 倾角传感器、 M个电子水平仪和室内 GPS; 安全保护单元包括 2M个接近传感器和 M个 温度传感器， 线阵 CCD由不少于六个 CCD组成，

所述多轴支撑气浮平台设置于圆形水平混凝土 基座上，线阵 CCD所包括的所有 CCD 沿圆形水平混凝土基座的圆周方向均匀放置， 承载平台上设置有旋转电机，旋转电机的上 表面设置直线光源，

每条支撑腿内部安装有一个压力传感器、一个 伺服音圈电机和一个直线光栅，压力传 感器用来检测相应支撑腿的力矩，伺服音圈电 机用来驱动相应的支撑腿的伸缩，每个伺服 音圈电机由一个伺服音圈电机驱动器驱动，直 线光栅用于采集伺服音圈电机驱动支撑腿所 产生的位移，

四个差动传感器沿承载平台的圆周方向均匀分 布在承载平台的上表面外边缘上，差动 传感器用来测量承载平台与承载平台上的负载 之间的相对位置，

平面光栅安装在承载平台的上表面，平面光栅 用于测量承载平台上的负载相对承载平 台在两个相互垂直方向上发生的相对位移量；

倾角传感器和 M个电子水平仪均安装在承载平台的上表面上� � 倾角传感器用于测量 承载平台移动过程中在空间坐标系的 X方向和 Y方向上的振动角度； M个电子水平仪所 处的位置分别对应于 M条支撑腿与承载平台下表面的 M个连接点， 电子水平仪用于测量 承载平台静止时的状态；

室内 GPS安装于相对圆形水平混凝土基座的上方空间 ， 用于测量承载平台在圆形水 平混凝土基座上的位置坐标，

每条支撑腿内部的上限行程和下限行程分别安 装一个接近传感器，接近传感器用于实 现限位报警;每个伺服音圈电机内部安装一个� �度传感器，温度传感器用于实现温度报警; 压力传感器的压力信号输出端连接控制器的压 力信号输入端，差动传感器的位置信号 输出端连接控制器的位置信号输入端，控制器 的驱动控制信号输出端连接伺服音圈电机驱 动器的驱动控制信号输入端，伺服音圈电机驱 动器的驱动信号输出端连接伺服音圈电机的 驱动信号输入端， 伺服音圈电机的驱动信号输出端连接支撑腿的 驱动信号输入端；

平面光栅的相对位移信号输出端连接控制器的 相对位移信号输入端，直线光栅的支撑 腿位移信号输出端连接控制器的支撑腿位移信 号输入端， 线阵 CCD的监测信号输出端连 接控制器的监测信号输入端， 倾角传感器的倾角信号输出端连接控制器的倾 角信号输入 端， 电子水平仪的水平信号输出端连接控制器的水 平信号输入端， 室内 GPS的 GPS信号 输出端连接控制器的 GPS信号输入端，

温度传感器的温度信号输出端连接控制器的温 度信号输入端，接近传感器的极限位置 信号输出端连接控制器的极限位置信号输入端 。

它还包括上位机和状态显示板，

上位机的信号传输端与控制器的信号传输端连 接，上位机的显示信号输出端连接状态 显示板的显示信号输入端。

所述 M条支撑腿为三条支撑腿， 承载平台的半径为 2米， 三条支撑腿与承载平台下 表面的三个连接点构成等边三角形， 该等边三角形的顶点距离承载平台圆心的距离 为 1.4 米。

本发明的优点:本发明可以用于空间交汇对接� �仿真系统以及其它各种要求水平的系 统。 该气浮平台具有置承重量大、调平精度高、调 整时间快等优点； 所述气浮平台在使用 过程中， 通过与平台测量控制系统的相互配合， 具有自修整功能， 能很好地提高平台的调 整精度、 稳定性和可靠性。

本发明所述多轴支撑气浮平台可根据实际需求 ，快速、精确的为负载提供所需的高平 面度作业平台，属于超精密仪器设备。本发明 为实际工程应用中提供了高精度调平的大面 积平台，它的承载平台在大面积水平基座上能 够保证在平动和静止时均达到有高精准的水 平度。

附图说明

图 1是本发明所述多轴支撑气浮平台的结构示意� �；图 2是多轴支撑气浮平台放置在 水平混凝土基座上的结构示意图； 图 3是承载平台与三条支撑腿的连接状态示意图� � 图 4 是气足的立体结构示意图； 图 5是图 4的剖视图； 图 6是所述气浮平台整体质心偏移位置 的坐标示意图； 图 7是倾角传感器的安装方式与三条支撑腿之间� �位置关系图； 图 8是利 用线阵 CCD计算气浮平台倾角的示意图； 图 9是平台测量控制系统的控制框图； 图 10 是多轴支撑气浮平台的调平方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图 1至图 9说明本实施方式，本实施方式所述多轴支撑� � 浮平台的测量控制系统，它对多轴支撑气浮平 台进行测量控制，所述多轴支撑气浮平台包 括承载平台 1， M条支撑腿 2、 M个气浮筒 3和 M个气足 4， M为 3、 4、 5、 6、 7或 8， 所述承载平台 1为圆形平台， 承载平台 1由 M条支撑腿 2支撑， M条支撑腿 2与承载平 台 1下表面的 M个连接点构成正 M边形； 每条支撑腿 2的末端连接一个气浮筒 3， 每个 气浮筒 3 的底端通过气浮球轴承连接一个气足 4;所述测量控制系统包括负载反馈单元 5、 执行单元 6、 位置测量单元 7、 安全保护单元 8、 控制器 9、 旋转电机 10和直线光源 11， 负载反馈单元 5包括 M个压力传感器 5-1和四个差动传感器 5-2; 执行单元 6包括 M个 伺服音圈电机 6-1和 M个伺服音圈电机驱动器 6-2; 位置测量单元 7包括平面光栅 7-1、 M个直线光栅 7-2、 线阵 CCD7-3、 倾角传感器 7-4、 M个电子水平仪 7-5和室内 GPS7-6; 安全保护单元 8包括 2M个接近传感器 8-1和 M个温度传感器 8-2， 线阵 CCD7-3由不少 于六个 CCD组成， 所述多轴支撑气浮平台设置于圆形水平混凝土 基座上， 线阵 CCD7-3 所包括的所有 CCD沿圆形水平混凝土基座的圆周方向均匀放置 ， 承载平台 1上设置有旋 转电机 10，旋转电机 10的上表面设置直线光源 11，每条支撑腿 2内部安装有一个压力传 感器 5-1、一个伺服音圈电机 6-1和一个直线光栅 7-2， 压力传感器 5-1用来检测相应支撑 腿 2的力矩， 伺服音圈电机 6-1用来驱动相应的支撑腿 2的伸缩， 每个伺服音圈电机 6-1 由一个伺服音圈电机驱动器 6-2驱动， 直线光栅 7-2用于采集伺服音圈电机 6-1驱动支撑 腿 2所产生的位移， 四个差动传感器 5-2沿承载平台 1的圆周方向均匀分布在承载平台 1 的上表面外边缘上，差动传感器 5-2用来测量承载平台 1与承载平台 1上的负载之间的相 对位置， 平面光栅 7-1安装在承载平台 1的上表面， 平面光栅 7-1用于测量承载平台 1上 的负载相对承载平台 1在两个相互垂直方向上发生的相对位移量； 倾角传感器 7-4和 M 个电子水平仪 7-5均安装在承载平台 1的上表面上， 倾角传感器 7-4用于测量承载平台 1 移动过程中在空间坐标系的 X方向和 Y方向上的振动角度； M个电子水平仪 7-5所处的 位置分别对应于 M条支撑腿 2与承载平台 1下表面的 M个连接点， 电子水平仪 7-5用于 测量承载平台 1静止时的状态；室内 GPS7-6安装于相对圆形水平混凝土基座的上方空 间， 用于测量承载平台 1在圆形水平混凝土基座上的位置坐标，每条� �撑腿 2内部的上限行程 和下限行程分别安装一个接近传感器 8-1， 接近传感器 8-1用于实现限位报警； 每个伺服 音圈电机 6-1 内部安装一个温度传感器 8-2， 温度传感器 8-2用于实现温度报警； 压力传 感器 5-1的压力信号输出端连接控制器 9的压力信号输入端， 差动传感器 5-2的位置信号 输出端连接控制器 9的位置信号输入端，控制器 9的驱动控制信号输出端连接伺服音圈电 机驱动器 6-2的驱动控制信号输入端， 伺服音圈电机驱动器 6-2的驱动信号输出端连接伺 服音圈电机 6-1的驱动信号输入端， 伺服音圈电机 6-1的驱动信号输出端连接支撑腿 2的 驱动信号输入端；平面光栅 7-1的相对位移信号输出端连接控制器 9的相对位移信号输入 端， 直线光栅 7-2的支撑腿位移信号输出端连接控制器 9的支撑腿位移信号输入端， 线阵 CCD7-3的监测信号输出端连接控制器 9的监测信号输入端， 倾角传感器 7-4的倾角信号 输出端连接控制器 9的倾角信号输入端， 电子水平仪 7-5的水平信号输出端连接控制器 9 的水平信号输入端， 室内 GPS7-6的 GPS信号输出端连接控制器 9的 GPS信号输入端， 温度传感器 8-2的温度信号输出端连接控制器 9的温度信号输入端， 接近传感器 8-1的极 限位置信号输出端连接控制器 9的极限位置信号输入端。

本实施方式中气足 4具有喷嘴，承载平台 1采用气足 4浮在水平混凝土基座上。利用 气足 4的喷嘴喷气可使承载平台 1在基座上平动。

本实施方式中所使用的气足 4是动压的， 承载平台 1依靠 M个气足 4支撑起来， 为 保证受力的均匀， M个气足结构相同， 离中心的距离也相同。 图 5所示， 气足 4下端是 一个环形结构， 外圆半径 Ri， 内圆半径 R ₂ ， 喷嘴分布在半径为 Ro的圆周上。

具体实施方式二：下面结合图 9说明本实施方式，本实施方式对实施方式一� �进一步 说明，本实施方式还包括上位机 12和状态显示板 13，上位机 12的信号传输端与控制器 9 的信号传输端连接， 上位机 12的显示信号输出端连接状态显示板 13的显示信号输入端。

具体实施方式三： 下面结合图 1至图 10说明本实施方式， 本实施方式对实施方式一 或二作进一步说明， 本实施方式所述 M条支撑腿 2为三条支撑腿， 承载平台 1的半径为 2米， 三条支撑腿与承载平台 1下表面的三个连接点构成等边三角形， 该等边三角形的顶 点距离承载平台 1圆心的距离为 1.4米。

图 3所示， 多轴支撑气浮平台的支撑腿 2与承载平台 1下表面的三个连接点 A、 B、 C三点连线构成一个边长为 L=2424mm的等边三角形。 气足 4依靠压缩空气在气浮球轴 承和球套之间形成气膜，实现近似无摩擦的运 动， 以模拟航天器在外层空间所受扰动力矩 极小的动力学环境。 结合图 1至图 3所示， 当承载平台 1的半径为 2米时，通过对圆形承载平台 1进行有 限元分析， 得出三条支撑腿 2与承载平台 1的交点 A、 B、 C三点构成的等边三角形顶点 距离承载平台 1圆心的距离为 1.4m， 此时， 承载平台 1各处均无变形。

所述支撑腿 2为伸缩式可调节支撑腿。

本发明中， 图 3所示， 在每条支撑腿 2内部安装有一个伺服音圈电机 6-1， 伺服音圈 电机 6-1由伺服音圈电机驱动器 6-2进行驱动， 伺服音圈电机为执行机构， 本发明中可选 择高频响伺服音圈电机作为执行机构。伺服音 圈电机可用来补偿承载平台 1在振动过程中 A、 B、 C三点的振幅， 通过控制三个伺服音圈电机来补偿支撑腿 2的伸缩量， 以达到稳 定承载平台 1的目的。

所述伺服音圈电机的原理是带电线圈在磁场中 产生力的作用，所以音圈电机具有零磁 滞、 零磁槽效应、 高频响、 高精度、 高加速度、 高速度、 力特性好、 控制方便、 体积小和 分辨率高等优点。根据驱动、 反馈、控制器和控制算法等配置高低， 音圈电机一般可以达 到 500-lOOOHz的运动频率， 甚至更高。 音圈电机的驱动可消除传统驱动中间环节带来 的 影响。

差动传感器 5-2用来测量承载平台 1与承载平台 1上的负载之间的相对位置，，为承载 平台 1在圆形水平混凝土基座上平动提供位置信息� �压力传感器 5-1检测支撑腿 2力矩的 大小， 用以防止支撑腿 2在内部故障或外部因素的影响下， 已处于卡死状态时， 伺服音圈 电机 6-1仍然强行驱动支撑腿运动等故障的出现， 从而防止伺服音圈电机过载。接近传感 器 8-1在伺服音圈电机 6-1超出行程时实现限位报警;温度传感器 8-2在伺服音圈电机 6-1 的温度过高超过其承受范围时， 实现温度报警， 系统进而做出响应。安全保护单元 8用来 保证平台测量控制系统在运行过程中硬件的安 全运行。

直线光栅 7-2为非接触式光栅， 直线光栅 7-2用于实现对伺服音圈电机移动位置信号 的采集并反馈给控制器；平面光栅 7-1测量获得的承载平台 1上的负载相对承载平台 1在 两个相互垂直方向上发生的相对位移量用来计 算相对位移造成的质心偏移干扰。

旋转电机 10带动直线光源 11旋转时， 线阵 CCD7-3和室内 GPS7-6构成了水平动态 倾角测量系统，用来测量并反馈承载平台 1动态过程中的倾角。线阵 CCD7-3所包括的所 有 CCD沿圆形水平混凝土基座的圆周方向均匀放置 ， 是为了减少由于物体遮光的影响造 成一部分 CCD接收不到光线， 导致倾角信息不全面， 不能更好的调平承载平台 1。

倾角传感器 7-4为双轴倾角传感器，它能够获得多轴支撑气 浮平台在平动或静止状态 时的倾角，起到平台倾斜角监视和超限保护的 作用，保证承载平台 1倾角保持在线阵 CCD 的监测范围之内。

上位机 12和状态显示板 13通过以太网相连接， 状态显示板 13用于实时显示当前各 支撑腿运动状态、 伺服音圈电机温度等状态信息。

图 3所示， 定义 Z向垂直于地平面， X、 Y方向符合右手定则； Rx、 Ry、 Rz为承载 平台 1分别沿 X、 Y、 Ζ的转动方向； 气足 4的气浮球轴承能够实现承载平台 IRx向、 Ry 向和 Rz向的有限摆角自由转动， 伺服音圈电机实现对包含气浮球轴承和承载平 台 1重力 的卸载以及保证承载平台 1在 Z向的长距离自由浮动。 X、 Υ、 Ζ轴可以实现长距离自由 运动； Rz轴可以绕 Z轴 0~360°自由转动； Rx、 Ry分别可以绕 X， Y轴 -30~30°自由转动。 承载平台 1需要具有 6自由度， 气足 4在圆形水平混凝土基座上能够实现二维自由� �动。 承载平台 1在稳定调节的过程中， 在不需要调节承载平台 1高度时， 如图 3所示， 以 A 点为参考原点建立坐标系， 主要通过调节 B、 C两点的 Z坐标达到稳定的目的。

多轴支撑气浮平台的测量控制系统是一种实时 动态调平系统， 其控制框图如图 9 所 示。测量控制系统采用双环结构： 内环为三个伺服音圈电机的位置控制环， 其输入信号为 各支撑腿 2调平时所需的位移量构成的三维向量；外环� �角度控制环，其输入信号为二维 零向量。测量控制系统的位置控制和角度控制 均采用闭环控制。位置控制环部分包括三个 支撑腿 2上的位置环控制器、 电机驱动器、 音圈电机、 以及直线光栅， 其中位置反馈是通 过直线光栅测量实现的。角度控制环部分主要 包括角度环控制器、倾角传感器、线阵 CCD 以及室内 GPS。 其中承载平台 1输出角度包括两个反馈通道： 一是通过倾角传感器的测 量结果直接实现反馈；二是根据线阵 CCD和室内 GPS的测量结果计算得到平台倾角而完 成反馈。 由于承载平台 1的动态调平功能是通过控制三个支撑腿 2上的音圈电机实现的， 因此角度环控制器的输出控制量需要经过解算 得到三个音圈电机的位置控制输入量，即通 过倾角位移变换矩阵进行变换。在利用线阵 CCD和室内 GPS进行倾角反馈时， 需要将线 阵 CCD输出的光点高度结合室内 GPS测量的承载平台坐标进行计算获得当前的承 载平台 倾角， 即通过高度倾角变换矩阵进行变换。

下面分析多轴支撑气浮平台的干扰信号的成分 及其影响，干扰信号主要包括质心偏移 干扰和地面平面度干扰。地面平面度干扰通常 是小振幅、低频率的正弦波信号。下面主要 分析质心偏移干扰造成的影响。

质心偏移干扰主要包括两个方面： 一是导致音圈电机负载发生变化； 二是对各气足 4 的气膜高度产生影响。由于三个支撑腿 2上音圈电机的负载为承台平台 1在各个支撑腿 2 上的分布载荷，因此当承载平台 1因为上面设备发生相对位移而导致质心偏移� �各个音圈 电机的负载会发生变化， 故需要考虑质心偏移对各音圈电机负载变化的 影响。

多轴支撑气浮平台的质心偏移容许干扰的测量 与监控方法首先设定质心偏移量阈值， 然后将质心偏移量 G(x。,_y。）与质心偏移量阈值进行比较， 当质心偏移量 G(x。,_y。）大于质 心偏移量阈值时， 按下述方法对支撑腿 2的伸缩长度进行调节：

所述质心偏移量 G(x。,_y。）的获得方法为： 以承载平台 1 的圆心为原点建立两面直角 坐标系， 承载平台 1的质心坐标为（0,0)， 将 G(x。,_y。）作为承载平台 1与其上负载整体的 质心， 其中 x。为质心偏移量 G(x。,_y。）在空间坐标系中 X轴方向的坐标， _y。为质心偏移量

G(x。,_y。）在空间坐标系中 Y轴方向的坐标， 采用平面光栅 7-1测得承载平台 1上面负载 与承载平台 1的相对位移量 (x ₂ , j ， 则有：

Μ _λ χ _λ + Μ χ, M

χ Ό _η = ~― ―

_ M _x y _x + M ₂ y ₂ _ M ₂ y ₂ ，

Μ _λ +Μ ₂ Μ _λ +Μ ₂ 式中 为承载平台 1的质量， Μ ₂ 为承载平台 1上负载的质量； 质心偏移量 G(x。,_y。）对气足 4气膜高度的影响按以下方法获得：

设定三条支撑腿 2与承载平台 1下表面的三个连接点为 A、 B和 C， 其中 A点坐标 为 ，式中 J为三个连接点 Α、

Β和 C形成的等边三角形的边长，

当气浮平台处于静态平衡状态时， 根据力系的主矢和对于坐标轴的主矩为零得到 公

∑^ = 0

式中 =1、 2和 3， 为对应于 Α点的支撑腿 2上的负载力， F，为对应于 A点的支撑 腿 2上的负载力， F ₃ 为对应于 C点的支撑腿 2上的负载力； Μ _χ 0Ρ;)为负载力 绕 X轴的 等效转矩， y( )为负载力 绕 Y轴的等效转矩， 将 、 B和 C三点坐标代入上述公式得到： 1+ ₂ + ₃ -G = 0

6 3 ，

·丄 ― ·丄 + GM。 =0

¹ 2 ² 2 ⁰ 求解上式， 获得 、 和 的值：

由此获得当前对应于 A点的支撑腿的承重质量^、对应于 B点的支撑腿的承重质] m ₂ 和对应于 C点的支撑腿的承重质量 mp m ₂ 和 ₃ 与质心 G ^。， )的关系为：

m ₂ =

+ 'M

式中 h为对应于 A点的支撑腿 2底部气足的气膜高度， h ₂ 为对应于 B点的支撑腿 2 底部气足的气膜高度， /¾为对应于 C点的支撑腿 2底部气足的气膜高度， G为承载平台 1 与其上负载整体的总重量， J为支撑腿 2底部气足的气膜刚度；

气足的气膜高度变化使支撑轴 2 产生的高度变化通过倾角传感器 7-4 或者线阵

CCD7-3的测量信号获得， 对该测量信号进行处理， 获得质心偏移量 G(x。, _y。）对承载平台

1倾角干扰信息， 由承载平台 1倾角干扰信息计算获得各个支撑腿 2调平所需的位移量， 由此实现对气浮平台的质心偏移容许干扰的测 量与监控。

上述质心偏移容许干扰的测量与监视方法中， 承载平台 1 的质心坐标为（0,0)为忽略 承载平台 1上的负载影响近似获得的。它是为了通过实� �获得承载平台上负载容许的移动 范围， 以保证在调平过程中质心偏移造成的干扰始终 限制在容许范围之内。

质心坐标 G(x。, _y。）与气足 4的气膜高度的关系即反应了质心偏移对气膜� �度的影响， 该影响会直接反应为各支撑轴 2的高度，最终表现为影响承载平台 1的平面倾斜角度。承 载平台 1的倾角信息是通过倾角传感器测量输出或者� �过线阵 CCD的光点测量信息进行 计算得到。如此，质心发生偏移造成的对承载 平台 1倾角的干扰就包含在倾角测量反馈通 道的倾角信息中， 能够通过倾角传感器或线阵 CCD的反馈直接被控制器 9读取。 然后， 控制器 9再将其解算获得各个支撑腿 2调平所需的位移量， 最后再对电机进行伺服控制， 达到调平的目的。

因为质心偏移的干扰反映到了音圈电机负载和 承载平台 1的倾角测量中。因此， 当质 心偏移超过一定限度时，音圈电机的负载变化 量会比较大，另一方面对平台倾角的施加的 干扰也会较大， 往往会造成自动调平系统控制性能不理想的后 果。 因此， 可以通过重复性 实验获得自动调平平台所容许的负载与承载平 台 1的最大相对位移量。然后通过在承载平 台 1上安装可调限位装置对承载设备的移动范围� �行约束，以使因相对位移产生的质心偏 移造成的干扰始终保持在容许范围之内，起到 对质心偏移干扰的监视作用，保证多轴支撑 气浮平台的测量控制系统始终有较理想的控制 性能。

工作原理：

将多轴支撑气浮平台放在大面积圆形水平混凝 土基座上，当多轴支撑气浮平台处于静 止状态时，多轴支撑气浮平台利用放置在承载 平台 1上的电子水平仪以及放置在水平混凝 土基座上的线阵 CCD结合室内 GPS通过计算来测量自身的水平度。用旋转电机 带动承载 平台 1上的直线光源快速旋转， 在此光源的光束扫描过程中， 线阵 CCD可根据记录光点 的位置计算承载平台 1的俯仰角度， 为控制器提供反馈信息。 由混凝土基座周围的线阵 CCD实时测量光点的高度，由室内 GPS实时测量承载平台 1在混凝土基座中的位置信息。 当旋转光源高速扫过两个相邻的线阵 CCD时， 两个相邻 CCD上的光电位置以及光源构成一个平面， 如图 8中的平面 ^。 由于光源旋转速度较高， 旋转光源扫过两个相邻线阵 CCD的时间间隔极小， 因此可将平面 近似看作承载平台 1 当前所在的平面。 因此， 可以将相邻 CCD上的光点坐标以及承载平台 1的位置坐标分别 通过线阵 CCD和室内 GPS反馈给控制器。然后，控制器经过几何关系 换算可计算得到承 载平台 1在两个垂直方向上的倾角，然后根据倾角信� �解算将获得各个支撑腿 2的实际位 移偏移量， 再控制伺服音圈电机来驱动支撑腿 2伸缩， 做出上移或者是下移运动， 以进行 相应补偿，调整承载平台 1的水平度。伺服音圈电机通过非接触式光栅� �的测量数据来保 证位移精度， 从而保障支撑腿 2的定位精度。在此过程中， 负载反馈单元和安全保护单元 能够实时监测多轴支撑气浮平台状态并及时做 出响应。承载平台 1在运动过程中通过与静 止状态时同样的方式，对支撑腿进行伸缩驱动 以对采集获得的偏移量做出相应补偿，保证 了承载平台的水平精度。

调节三个支撑腿 2的伸长量使承载平台 1达到水平，倾角传感器的安装方式与 3条支 撑腿之间的位置关系如图 7所示。倾角传感器的两个相互垂直的轴， 即 X和 y轴需要分别 与 AB、 CD1 平行。

当承载平台 1处于静止状态时，控制器发出静止状态模式� �进入伺服周期，旋转电机 带动直线光源在承载平台 1中间快速旋转， 在光束扫描过程中， 线阵 CCD可根据记录光 点的位置计算承载平台 1的俯仰角度，为调平系统提供反馈信息。如� �承载平台 1为水平， 那么线阵 CCD中各 CCD扫描到的位置为同一位置高度； 如果承载平台 1不水平， 那么 不水平的角度方向会伴随线阵 CCD有扫描高度的偏移， 如果承载平台 1向上倾斜， 那么 对应光点的位置高度会偏上；如果承载平台 1向下倾斜，那么对应光点的位置高度会偏下� � 线阵 CCD反馈的平台倾角信息和电子水平仪检测出平 台倾角信息反馈给控制器， 控制器 在伺服周期内对传感器数据进行融合和几何处 理转化为支撑腿的位移信息发送给执行机 构模块。

在实际控制过程中， 控制器接收到线阵 CCD的光点高度信息后， 需要结合室内 GPS 测量的承载平台 1的坐标信息进行计算得到承载平台 1在两个相互垂直方向上的倾角，然 后再对倾角进行解耦， 得到三个支撑腿 2调平所需的位移量。

多轴支撑气浮平台的调平方法通过多轴支撑气 浮平台的测量控制系统实现调平，所述 调平方法包括以下步骤： 步骤一、 通过上位机 12将当前的工作模式、 控制命令和误差参数通过以太网发送给 控制器 9;

步骤二、控制器 9每 200μ ₅ 发出伺服周期开始信号，启动平动状态工 作模式或静止状 态工作模式； 若启动平动状态工作模式， 则执行步骤三； 若启动静止状态工作模式， 则执 行步骤五：

步骤三、 检查控制器 9是否接收到线阵 CCD7-3的监测信号， 若是， 执行步骤四； 否 则， 执行步骤六；

步骤四、控制器 9根据线阵 CCD7-3输出的监测信号和室内 GPS7-6输出的 GPS信号， 计算获得承载平台 1的倾角信息， 然后执行步骤六；

步骤五、位置测量单元 7中的电子水平仪 7-5和线阵 CCD7-3检测承载平台 1的水平 度， 并将水平度信息传递给控制器 9， 然后执行步骤七；

步骤六、控制器 9对其读取的所有反馈信号进行数据融合处理� �获得支撑腿 2的调节 量， 然后控制器 9通过驱动伺服音圈电机驱动器 6-2对伺服音圈电机 6-1的驱动信号进行 修正， 然后执行步骤八；

步骤七、控制器 9对其读取的所有反馈信号进行数据融合处理� �获得支撑腿 2的调节 量， 然后控制器 9通过驱动伺服音圈电机驱动器 6-2对伺服音圈电机 6-1的驱动信号进行 修正， 然后执行步骤九；

步骤八、 判断承载平台 1是否静止， 若是， 执行步骤五； 否则， 执行步骤十； 步骤九、判断承载平台 1的水平度是否达到设定精度范围之内， 若是， 则执行步骤十 一； 否则， 返回步骤五；

步骤十、判断承载平台 1的水平度是否达到设定精度范围之内， 若是， 则执行步骤十 一； 否则， 返回步骤三；

步骤十一、 当前伺服周期调平结束， 返回步骤二， 等待下一个伺服周期， 直至结束。

Μ为 3，此时步骤六和步骤七中所述控制器 9对其读取的所有反馈信号进行数据融合 处理， 获得支撑腿 2的调节量的具体方法为：

设定线阵 CCD7-3由六个 CCD组成，将圆形水平混凝土基座上的六个 CCD沿圆周方 向顺序编号为①、 ②、 ③、 ④、 ⑤和⑥， 以④号 CCD和①号 CCD的中心连线做为空间 直角坐标系的 X轴方向，该空间直角坐标系位于直线光源 11的基准光所在的水平面 X-0-Y 上， 按照右手定则定义空间直角坐标系的 Y轴方向和 Z轴方向， 设定圆形水平混凝土基 座的半径为 R， 直线光源 11在③号 CCD上的位置坐标为 Al (A _R ,AR, _H ， H ₃ 为旋转

2 2 光源在③号 CCD 上照射的光点高度， 直线光源 11 在④号 CCD 上的位置坐标为 B1(-R,0,H ₄ ), H ₄ 为旋转光源在④号 CCD上照射的光点高度， 设定 K点为③号 CCD上 基准光点的位置， J点为④号 CCD上基准光点的位置， 承载平台 1中心位置点的坐标为 Cl(x ₀ l,_y ₀ l,0)， 过 K点作 X轴的垂线， 垂足为 H， KH与 C1J相交于 D点， 作 DE垂直于 X-0-Y平 面， 交 C1B1于点 E; 过点 E作 EL1〃DK， 交 A1K于点 Ll， ZA1EL1即平面 绕 χ轴旋转 产生的夹角 ， 平面《为 1、 B1和 C1三点所确定的平面，

作 C1F垂直于 DK， 交 DK于点 F; 再作 DK的垂线 FG， 交 A1E于点 G， 连接 C1G，

ZGC1F 即平面《绕 Y轴旋转产生的夹角 ， 过 C1 点作 X轴的垂线， 垂足为 I， 由

由 HD为三角形 JIC1的中位线得 HZ) = _y 。， 故有 6 = ZAIELl = arctan

做 FM垂直于 EL1， 垂足为 M， 由坐标关系可知：

₂ ,o

1 _D

EL1 = DK =— R —y ₀ , Am=H—DE=H 2_ 'F ，

2 T" ^{3 3} x ₀ +R

1

由 ^_= 得^ ¹ - 2_

EL\ A\L\ EL\ (x ₀ +R)(y ₀ - [3R) 因此， GF = GM + MF = G + DE:

根据坐标关系得到： Cl = x。+^R，

2

r _T 7

则： θ _ν = ZGC\F = arctan—— = arctan( )， v CIF 1

(x ₀ + R)(y ₀ -j3R) ( +R) y。-^ R) 再根据计算获得的 θ _χ 和 θ _ν 进行解耦， 以前述方式建立气浮平台的空间直角坐标系， 其原点为伺服音圈电机 6-1最大位移输 出的 1/2处， 设定三条支撑腿 2与承载平台 1下表面的三个连接点为 Α、 Β和 C， A点 坐标为（Ο, Ο, ζ,)， B点坐标为（- , 0, )， C点坐标为 (_ _, , _Z3 )， 式中 表示 A点在空间 直角坐标系中 Z轴的坐标值， 表示 B点在空间直角坐标系中 Z轴的坐标值， z ₃ 表示 C 点在空间直角坐标系中 Z轴的坐标值，

根据 A、 B、 C三点的坐标关系， 可得：

求解上式获得:

6 2 θ,,

^Z 3

3 0 所获得的 、 z ₂ 、 的值即为调平过程中， 三个支撑腿 2 上各个伺服音圈电机 6-1 的伺服控制输入量， 即支撑腿 2的位移控制量。

本发明中， 控制器采用运动控制卡实现。 控制器接收到上位机 12的控制信号后， 对 控制信号进行参数解析， 设置系统时钟、 初始化中断、 初始化 GPIO口、 初始化变量、 控 制参数设置等系统初始化工作。

调平方法在执行过程中，始终通过接近传感器 8-1监测伺服音圈电机运动位移是否超 出行程阈值， 若是， 通过控制器 9控制伺服音圈电机驱动器 6-2停止驱动； 同时通过温度 传感器 8-2监测伺服音圈电机的内部温度是否超过温度 阈值， 若是， 通过控制器 9控制伺 服音圈电机驱动器 6-2停止驱动， 对伺服音圈电机驱动器 6-2进行安全保护。