一种气浮运动模拟器质心调节系统技术领域
本发明涉及一种气浮运动模拟器质心调节系统，属于空间飞行器半实物仿
真领域。
背景技术
气浮运动模拟器可以用来模拟卫星等航天器的空间姿态运动，包括姿态旋
转运动和轨道平移运动。
国内对于气浮仿真试验系统的研究起步较晚，我国第一代三自由度卫星气
浮仿真试验系统是20世纪60年代末由国内某研究所研制，现已退役。研制气
浮式仿真模拟器存在几大难题，其中一项就是模拟器本体的质心调节问题。模
拟器的质心只有和几何中心完全重合，才能保证模拟器稳定悬停在水平面固定
位置。
现有的质心调节系统一般通过手动添加配重块实现，调节能力单一，并且
手动调节存在外力干扰，调节精度难以保证。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种气浮运动模拟
器质心调节系统，增强了质心调节的能力和范围，提高了质心调节的精度。
本发明的技术解决方案是：一种气浮运动模拟器质心调节系统，所述气浮
运动模拟器台体包括平动平台和姿态平台，包括固定配重单元、可调配重单元、
第一水平仪、第二水平仪和三个重力传感器；固定配重单元包括多个不同重量
的配重块；可调配重单元包括手动粗调配重单元、手动精调配重单元以及电控
精调配重单元；在气浮运动模拟器姿态平台上沿本体坐标系的X、Y、Z轴方向
以及平动平台上沿平动平台坐标系的X、Y轴方向均安装有固定配重单元和可
调配重单元，且每个轴上可调配重单元的调节方向与其所在轴的方向平行；
手动粗调配重单元包括配重杆和手动粗调配重块，配重杆安装在气浮运动
模拟器台体上，手动粗调配重块可滑动地安装在配重杆上；手动精调配重单元
包括手动滑移台和手动精调配重块，手动滑移台安装在气浮运动模拟器台体上，
手动精调配重块可移动地安装在手动滑移台上；电控精调配重单元包括电控滑
移台、电控精调配重块和控制器，电控滑移台和控制器安装在气浮运动模拟器
台体上，电控精调配重块可移动地安装在电控滑移台上；
所述第一水平仪沿本体坐标系的X轴安装在气浮运动模拟器姿态平台上，
用于采集姿态平台相对于本体坐标系X轴的倾斜方向和倾斜角度并反馈给安装
在姿态平台上的电控精调配重单元，第二水平仪沿本体坐标系的Y轴安装在气
浮运动模拟器姿态平台上，用于采集姿态平台相对于本体坐标系Y轴的倾斜方
向和倾斜角度并反馈给安装在姿态平台上的电控精调配重单元，三个重力传感
器分别安装在气浮运动模拟器平动平台的三个气足上，用于采集对应气足对地
面的压力并反馈给安装在平动平台上的电控精调配重单元；
气浮模拟器平动平台上的控制器根据三个重力传感器反馈的三个气足对地
面的压力控制电控精调配重块在电控滑移台的滑移距离，以精确调节气浮模拟
器平动平台的质心；气浮模拟器姿态平台上的控制器根据第一水平仪或第二水
平仪反馈的姿态平台的倾斜方向和倾斜角度控制电控精调配重块在电控滑移台
的滑移距离，以精确调节气浮模拟器姿态平台的质心；
平动平台坐标系是指以平动平台的中心为原点，Z轴垂直于平动平台安装
面板向上，X轴、Y轴正交且满足右手定则；
所述本体坐标系是指以姿态平台的旋转中心为原点，Z轴垂直于姿态平台
安装面板向上，X轴、Y轴正交且满足右手定则。
所述手动滑移台包括手动滑移台面、齿轮齿条副、第一滑块和锁紧螺钉，
手动滑移台面固定安装在气浮运动模拟器台体上，手动滑移台面上加工有滑轨，
第一滑块可移动地安装在滑轨上，齿轮安装在第一滑块上，齿条安装在滑轨上；
锁紧螺钉安装在第一滑块上，用于在手动精调后将第一滑块固定在台面上；所
述手动精调配重块固定安装在所述第一滑块上。
所述电控滑移台包括电控滑移台面、滚珠螺杆、线性轴承导轨、电机、限
位开关和第二滑块；电控滑移台面固定安装在气浮运动模拟器台体上，电控滑
移台面上加工有线性轴承导轨，第二滑块安装在线性轴承导轨上，限位开关和
电机安装在电控滑移台面上，限位开关对第二滑块进行限位，防止第二滑块超
出行程；电机通过滚珠螺杆与第二滑块连接，用于通过滚珠螺杆驱动第二滑块
运动；所述电控精调配重块固定安装在所述第二滑块上，所述电机由控制器驱
动。
气浮模拟器姿态平台上的控制器根据第一水平仪或第二水平仪反馈的姿态
平台的倾斜方向和倾斜角度控制电控精调配重块在电控滑移台的滑移距离，以
精确调节气浮模拟器姿态平台的质心的实现方式为：
(4.1)沿本体坐标系X轴方向安装的控制器驱动对应的电控精调配重块在
电控滑移台上向姿态平台相对于本体坐标系X轴倾斜方向的反方向运动，当第
一水平仪反馈的姿态平台相对于本体坐标系X轴的倾斜角度为0时，停止电控
精调配重块运动，此时，姿态平台沿本体坐标系X轴方向上的质心调平；
(4.2)沿本体坐标系Y轴方向安装的控制器驱动对应的电控精调配重块在
电控滑移台上向姿态平台相对于本体坐标系Y轴倾斜方向的反方向运动，当第
二水平仪反馈的姿态平台相对于本体坐标系Y轴的倾斜角度为0时，停止电控
精调配重块运动，此时，姿态平台沿本体坐标系Y轴方向上的质心调平；
(4.3)将姿态平台倾斜，使姿态平台做圆锥摆运动，沿本体坐标系Z轴方
向安装的控制器根据姿态平台圆锥摆运动的运动周期T和第一水平仪或第二水
平仪反馈的倾斜角度θ利用公式![]()
计算出姿态平台沿本体坐标系Z
轴方向的质心到姿态平台球心的距离l；
(4.4)沿本体坐标系Z轴方向安装的控制器根据步骤(4.3)计算得到的
l，驱动对应的电控精调配重块在电控滑移台上移动距离l，移动方向沿圆锥底
面法向指向顶点的方向；
(4.5)调节完成后，将姿态平台摆放到任意姿态位置，如果能够长时间保
持不动，则姿态平台的质心已经精确调节到姿态平台的球心处；如果不能在任
意位置保持长时间不动，则重新从步骤(4.1)进行调节，直到姿态平台的质心
精确调节到姿态平台的球心处为止。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明在第一水平仪、第二水平仪和三个重力传感器的辅助下，通过
固定配重单元和可调配重单元的三级调节(手动粗调、手动精调和电控精调)
可分别将气浮运动模拟器平动平台和姿态平台质心逐步调节到回转中心，从而
可以在地面环境下模拟出重力干扰力矩近似为零的状态，模拟空间失重环境。
既增强了质心调节的能力和范围，又提高了质心调节的精度，极大降低了质心
调节的难度，大大缩短了质心调节的时间。
(2)本发明采用的手动滑移台，可以通过手动方式对台体质心进行微量调
节，调节后拧紧锁紧螺钉，对手动滑移台进行固定。手动调节滑移台直观，调
节速度块，调节量微细，可以实现微小调节。
(3)本发明的电控精调单元通过控制电机转速，使得电控精调配重块移动
精度高，调节过程中没有外力干扰，调节精度高。同时电动滑移台设计有限位
开关，对第二滑块的行程进行限位，能够有效防止超出行程时对气浮运动模拟
器台体产生损伤。
(4)本发明在调节质心时，分别应用了水平仪和重力传感器，可以清楚地
表征质心调节系统的调节方向，将调节量量化，便于精确调节，提高了调节速
度和效率。
附图说明
图1为在气浮运动模拟器姿态平台上沿本体坐标系Y轴方向安装的固定配
重单元和可调配重单元示意图；
图2为本发明手动滑移平台示意图；
图3为本发明电动滑移平台示意图；
图4为姿态平台圆周摆运动示意图。
具体实施方式
气浮运动模拟器台体包括平动平台和姿态平台，本发明提出一种气浮运动
模拟器质心调节系统，用于调节平动平台和姿态平台的质心。包括固定配重单
元1、可调配重单元2、第一水平仪、第二水平仪和三个重力传感器。固定配
重单元1包括多个不同重量的配重块3，配重块做成不同重量，通过组合设计，
使配重块的重量能够达到任何需要的数值增加质心调节的灵活性。可调配重单
元2采用手动调节和电控调节相结合的方式实现，包括手动粗调配重单元4、
手动精调配重单元5以及电控精调配重单元6。在气浮运动模拟器姿态平台上
沿本体坐标系的X、Y、Z轴方向均安装有固定配重单元和可调配重单元，在平
动平台上沿平动平台坐标系的X、Y轴方向均安装有固定配重单元和可调配重
单元，且上述每个轴上可调配重单元的调节方向与其所在轴的方向平行(平动
平台不需要在Z轴调节质心，因此平动平台的Z轴上可以不安装固定配重单元
1和可调配重单元2)上。第一水平仪沿本体坐标系的X轴安装在气浮运动模
拟器姿态平台上，用于采集姿态平台相对于本体坐标系X轴的倾斜方向和倾斜
角度并反馈给安装在姿态平台上的电控精调配重单元，第二水平仪沿本体坐标
系的Y轴安装在气浮运动模拟器姿态平台上，用于采集姿态平台相对于本体坐
标系Y轴的倾斜方向和倾斜角度并反馈给安装在姿态平台上的电控精调配重单
元，三个重力传感器分别安装在气浮运动模拟器平动平台的三个气足上，用于
采集对应气足对地面的压力并反馈给安装在平动平台上的电控精调配重单元；
平动平台坐标系是指以平动平台的中心为原点，Z轴垂直于平动平台安装面板
向上，X轴、Y轴正交且满足右手定则；本体坐标系是指以姿态平台的旋转中
心为原点，Z轴垂直于姿态平台安装面板向上，X轴、Y轴正交且满足右手定
则。
手动粗调配重单元4包括配重杆7和手动粗调配重块8，配重杆7安装在
气浮运动模拟器台体上，手动粗调配重块8可滑动地安装在配重杆7上。手动
精调配重单元5包括手动滑移台9和手动精调配重块10，手动滑移台9固定安
装在气浮运动模拟器台体上，手动精调配重块10可移动地安装在手动滑移台9
上。电控精调配重单元6包括电控滑移台11、电控精调配重块12和控制器13，
电控滑移台11和控制器13固定安装在气浮运动模拟器台体上，电控精调配重
块12可移动地安装在电控滑移台11上，控制器13用于控制电控精调配重块
12的滑移距离。
如图2所示，手动滑移台9包括手动滑移台面14、齿轮齿条副15、第一
滑块16和锁紧螺钉17，手动滑移台面14固定安装在气浮运动模拟器台体上，
其上加工有滑轨，第一滑块16可移动地安装在滑轨上，齿轮安装在第一滑块
16上，齿条安装在滑轨上；锁紧螺钉安装在第一滑块16上，用于在手动精调
后将第一滑块16固定在台面上。手动精调配重块10固定安装在第一滑块16
上。当需要进行手动精调时，旋转齿轮，使第一滑块16相对于手动滑移台面
14运动，从而初步调节气浮运动模拟器平动平台或姿态平台的质心。
如图3所示，电控滑移台11包括电控滑移台面12、滚珠螺杆13、线性轴
承导轨14、电机15、限位开关16和第二滑块18；电控滑移台面12固定安装
在气浮运动模拟器台体上，其上加工有线性轴承导轨14，第二滑块18安装在
线性轴承导轨14上，限位开关16和电机15安装在电控滑移台面12，限位开
关16对第二滑块18进行限位，防止第二滑块18超出行程；电机15通过滚珠
螺杆13与第二滑块18连接，用于通过滚珠螺杆13驱动第二滑块18运动。电
控精调配重块12固定安装在所述第二滑块18上。当需要进行电控精调时，通
过控制器13控制电机15带动滚珠螺杆13旋转，使第二滑块18相对于电控滑
移台面12运动，从而将气浮模拟器的平动平台或姿态平台的质心调节到其几
何中心附近。
如图1所示为在气浮运动模拟器姿态平台上沿本体坐标系Y轴方向安装的
固定配重单元和可调配重单元示意图，配重杆安装在气浮运动模拟器姿态平台
沿本体坐标系Y轴方向上，手动滑移台安装在气浮运动模拟器姿态平台沿本体
坐标系Y轴方向上，电控滑移台和控制器安装在气浮运动模拟器姿态平台沿本
体坐标系Y轴方向上。在气浮运动模拟器姿态平台沿本体坐标系X、Z轴方向
上可调配重单元的安装方式依此类推。
在平动平台沿平动平台坐标系的X轴方向安装的可调配重单元，配重杆安
装在气浮运动模拟器平动平台沿平动平台坐标系的X轴方向上，手动滑移台安
装在气浮运动模拟器平动平台沿平动平台坐标系的X轴方向上，电控滑移台和
控制器安装在气浮运动模拟器平动平台沿平动平台坐标系的X轴方向上。在气
浮运动模拟器平动平台沿平动平台坐标系的Y轴方向上可调配重单元的安装方
式依此类推。
手动粗调配重单元4为大范围调节单元，用于增大气浮模拟器质心调节的
能力，手动精调配重单元5为小范围调节单元，小范围调节单元用于比较精确
的质心调节。手动精调配重单元5在手动滑移台上固定手动精调配重块10，将
质心调节到几何中心附近，由于有外力干预，调节不可能非常精确。电控精调
配重单元6是在电控滑移台上安装电控精调配重块12，电控精调配重块12的
运动量通过质心调节系统自身的控制器或气浮模拟器上的控制器进行调节，在
调节过程中，没有外界力的干扰，将质心精准调节到中心位置上。
对平动平台的质心调节方法为：在平动平台上沿平动平台坐标系的X轴方
向调节平动平台的质心：首先调节沿平动平台坐标系X轴方向安装的固定配重
单元，通过增减不同重量的配重块将平动平台的质心调节到靠近平动平台几何
中心；然后调节沿平动平台坐标系X轴方向安装的手动粗调配重单元和手动精
调配重单元，进一步将沿平动平台坐标系X轴方向的质心调节到平动平台几何
中心附近；最后沿平动平台坐标系X轴方向安装的控制器根据三个重力传感器
反馈的三个气足对地面的压力，驱动对应的电控精调配重块在电控滑移台上向
对地面压力较小的气足方向移动，直到三个重力传感器反馈的三个气足对地面
的压力相同时，平动平台上沿平动平台坐标系X轴方向的质心调节完成。按照
上述方法调节平动平台上沿平动平台坐标系Y轴方向的质心，两个方向质心调
节好后，平动平台的质心即调节好。
对姿态平台的质心调节方法为：在姿态平台上沿本体坐标系的X轴方向调
节姿态平台的质心：首先调节沿本体坐标系X轴方向安装的固定配重单元，通
过增减不同重量的配重块将姿态平台本体坐标系X轴方向的质心调节到靠近姿
态平台几何中心；然后调节沿本体坐标系X轴方向安装的手动粗调配重单元和
手动精调配重单元，进一步将本体坐标系X轴方向质心调节到姿态平台几何中
心附近；最后沿本体坐标系X轴方向安装的控制器根据第一水平仪反馈的姿态
平台的倾斜方向和倾斜角度控制对应的电控精调配重块在电控滑移台上的滑移
距离，从而将本体坐标系X轴方向质心精确调节到姿态平台几何中心。
在姿态平台上沿本体坐标系的Y轴方向调节姿态平台的质心：首先调节沿
本体坐标系Y轴方向安装的固定配重单元，通过增减不同重量的配重块将姿态
平台本体坐标系Y轴方向的质心调节到靠近姿态平台几何中心；然后调节沿本
体坐标系Y轴方向安装的手动粗调配重单元和手动精调配重单元，进一步将本
体坐标系Y轴方向质心调节到姿态平台几何中心附近；最后沿本体坐标系Y轴
方向安装的控制器根据第二水平仪反馈的姿态平台的倾斜方向和倾斜角度控制
对应的电控精调配重块在电控滑移台上的滑移距离，从而将本体坐标系Y轴方
向质心精确调节到姿态平台几何中心。
在姿态平台上沿本体坐标系的Z轴方向调节姿态平台的质心：首先调节沿
本体坐标系Z轴方向安装的固定配重单元，通过增减不同重量的配重块将姿态
平台本体坐标系Z轴方向的质心调节到靠近姿态平台几何中心；然后调节沿本
体坐标系Z轴方向安装的手动粗调配重单元和手动精调配重单元，进一步将本
体坐标系Z轴方向质心调节到姿态平台几何中心附近；最后沿本体坐标系Z轴
方向安装的控制器根据第一水平仪或第二水平仪反馈的姿态平台倾斜角度控制
对应的电控精调配重块在电控滑移台上的滑移距离，从而将本体坐标系Z轴方
向质心精确调节到姿态平台几何中心。三个方向质心调节好后，姿态平台的质
心即调节好。
上述气浮模拟器姿态平台上沿本体坐标系X、Y、Z轴方向安装的控制器精
确调节姿态平台质心的具体实现方法为：
(a)沿本体坐标系X轴方向安装的控制器驱动对应的电控精调配重块在
电控滑移台上向姿态平台相对于本体坐标系X轴倾斜方向的反方向运动，当第
一水平仪反馈的姿态平台相对于本体坐标系X轴的倾斜角度为0时，停止电控
精调配重块运动，此时，姿态平台沿本体坐标系X轴方向上的质心调平；
(b)沿本体坐标系Y轴方向安装的控制器驱动对应的电控精调配重块在
电控滑移台上向姿态平台相对于本体坐标系Y轴倾斜方向的反方向运动，当第
二水平仪反馈的姿态平台相对于本体坐标系Y轴的倾斜角度为0时，停止电控
精调配重块运动，此时，姿态平台沿本体坐标系Y轴方向上的质心调平；
(c)将姿态平台倾斜，使姿态平台做圆锥摆运动，沿本体坐标系Z轴方
向安装的控制器根据姿态平台圆锥摆运动的运动周期T和第一水平仪或第二水
平仪反馈的倾斜角度θ利用公式![]()
计算出姿态平台质心到姿态平台
球心的距离l；如图4所示。
(d)沿本体坐标系Z轴方向安装的控制器根据步骤(c)计算得到的l，
驱动对应的电控精调配重块在电控滑移台上移动距离l，移动方向沿圆锥底面法
向指向顶点的方向；
(e)调节完成后，将姿态平台摆放到任意姿态位置，如果能够长时间保持
不动，则姿态平台的质心已经精确调节到姿态平台的球心处；如果不能在任意
位置保持长时间不动，则重新从步骤(a)进行调节，直到姿态平台的质心精确
调节到姿态平台的球心处为止。
当平动平台和姿态平台质心调节好后，气浮运动模拟器的质心即调节完成。
本发明的气浮运动模拟器质心调节系统很好的解决了气浮模拟器质心调节
的难题，在第一水平仪、第二水平仪和重力传感器的辅助作用下，通过各个轴
上固定配重单元和可调配重单元的三级调节(手动粗调、手动精调和电控精调)
可将姿态平台和平动平台质心逐步到回转中心，从而可以在地面环境下模拟出
重力干扰力矩近似为零的状态，模拟空间失重环境。既增强了质心调节的能力
(粗调和精调)和范围，又提高了质心调节的精度，极大降低了质心调节的难
度，大大缩短了质心调节的时间。
本发明可广泛应用于各种气浮模拟器质心调节中，适用于三自由度、四自
由度、五自由度、六自由度等气浮运动模拟器的质心调节，在空间微重力环境
模拟领域有着广泛的应用前景。本发明可推广到大型桥梁进行安装对接时的质
心调节、实验台台面调节的场合、实验仪器对焦或调节等应用场合。
本发明说明书中未详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。