CN100421299C - 柔性结构天线馈源精确定位定姿技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性结构天线馈源精确定位定姿技术。目前实现空间运动目标控制定位还都在几米小范围内进行。本发明的目的是研究一种空间运动目标大范围动态控制精密定位技术，实现大范围的控制动态运动目标。技术是由控制计算机经控制卡和机械驱动装置控制空间运动目标，被控空间目标的位置姿态信号经激光目标位姿检测处理，回传给控制计算机组成。优点：采用柔性元件传送动力，钢索连接空间运动目标，成本低廉；维修方便；工作性能稳定和可靠；经过试验，证明在一直径为40米，高度20米的圆柱形运动范围内，可实现目标物体的厘米级精度的动态定位及1-2度的定姿控制。

Description

柔性结构天线馈源精确定位定姿技术

一、所属领域：

本发明涉及柔性结构天线馈源精确定位定姿技术。

二、背景技术：

目前实现空间运动目标定位定姿控制还都在小范围内进行，如工业机器人，对其手中的目标物体只能在几米小范围内进行位姿控制，其实现目标物体运动的手段是液压缸、汽缸、电动缸和旋转关节等刚性件的伸缩。由于这些刚性结构的笨重，无法在大范围实现运动目标的控制。

三、技术内容：

本发明的目的是要克服上述背景技术中存在的问题，研究设计一种柔索空间运动目标大范围、大跨度动态精确定位定姿技术，即：柔性结构天线馈源精确定位定姿技术。以此实现空间大范围、大跨度运动目标的精确定位定姿控制。

本发明的技术解决方案：柔性结构天线馈源精确定位定姿技术，计算机通过硬件控制器控制电机控制器，各个电机控制器驱动机械驱动器，机械驱动器再连接各自的柔索1，各个柔索1共同连接控制空间运动目标11，带有天线馈源的被控空间目标11的位置姿态信号经激光检测处理，回传给控制计算机，其特征是：在机械驱动器中，由各电机控制各自输出的柔索1经过过渡变向滑轮13、支撑塔柱3上的滑轮组2共同连接到空间被控运动目标11，各个支撑塔柱3分布在支撑塔柱分布圆6上，支撑塔柱分布圆6的直径控制在大范围、大跨度5米-800米范围内。

本发明的技术解决方案还包括：

所述的柔性结构天线馈源精确定位定姿技术，其特征是：各驱动器是由3个-9个驱动器组成，分布在支撑塔柱分布圆6附近，驱动器内的机架18上装配驱动电机17，驱动电机17输出经联轴器14和制动器16连接减速器15，减速器15的输出经联轴器14连接柔索卷筒19，装配在轴承12上的柔索卷筒19输出柔索1；各个柔索1经各自的过渡变向滑轮13和支撑塔柱3上的滑轮组2共同连接到空间的被控运动目标11，运动目标11的被控范围是以支撑塔柱分布圆6为圆心的圆柱空间24。

所述的柔性结构天线馈源精确定位定姿技术，其特征是：可转动的卷筒19上有均布的半圆螺旋凹槽，该凹槽与柔索1吻合，可转动的回转轴20与卷筒19平行，回转轴20表面和卷筒19上的凹槽均与柔索1接触，从卷筒19的柔索1到过渡滑轮13横向摆动夹角θ为0°-10°，卷筒19两边A、C点到过渡滑轮13等距离。

所述的柔性结构天线馈源精确定位定姿技术，其特征是：3个-9个驱动器(4、5、7-10)伸出的柔索1通过各自的过渡变向滑轮13和各自对应的支撑塔柱3上的滑轮组2连接到空间运动目标11上，0个-6个重物23上固定的柔索1也均通过各自的过渡变向滑轮13共同连接到空间运动目标11上。

所述的柔性结构天线馈源精确定位定姿技术，其特征是：滑轮组2是由1-6个滑轮21和立轮组22组成。

所述的柔性结构天线馈源精确定位定姿技术，其特征是：所述的支撑塔柱分布圆6直径在5米-800米范围内任意一点均有效，支撑塔柱分布圆6较佳直径在5米-600米范围内任意一点也均有效。

本发明的优点和效果：

1、由于采用柔性连接传动控制，柔索连接空间运动目标，成本低廉；柔索可采用钢索、绳索、链条等软连接结构，更换和维修极为方便；并且在一定范围内可任意增减其长度；因而，这种低成本的方案，用柔性件替换原来的刚性结构，能够轻而易举地实现大范围、大跨度内运动目标的运动控制。

2、由于采用滑轮组，解决了柔性元件结构柔索传动存在的问题。当目标在较大范围、大跨度运动时，柔索可能大范围、大幅度地摆动，造成柔索的出口点随时变化，滑轮机构也因此会受到极大的侧向力作用。为使柔索出口滑轮机构免受侧向力的作用而破坏，保证机构正常工作，在滑轮出口增加一对立轮，以承受柔索在侧向方向上的分力，从根本上解决了柔索拉坏滑轮或从滑轮上脱落的问题。通过滑轮与立轮的合理结构设计，实现了柔索出口点在许可范围内变动。

3、由于采用柔索有序卷绕装置，解决了变长单元柔索传动存在的问题：比如目标在较大范围、大跨度运动时，由于柔索的摆动，造成柔索很难有序地在卷绕装置里缠绕。本发明使柔索能够安全有序地卷绕在卷筒上，工作状态稳定可靠。

4、由于设计为柔索在卷筒上为单层卷绕方式，当柔索绕过过渡变向滑轮而缠绕在卷筒上时，绕入点的位置随时变化，柔索并不总是垂直于卷筒的中心线，当偏离卷筒中心较大时，柔索会脱离卷筒上半圆形螺旋凹槽上的约束，在卷筒上不规则地卷绕，这给计算控制带来困难。采用柔索有序卷绕装置，解决了柔索传动中所存在的问题。

5、整个系统工作性能稳定和可靠；经过试验证明：当支撑塔柱均布于直径50米的分布圆上，支撑塔柱高度为25米时，在直径为40米，高度20米的圆柱形目标运动范围内，不会出现运动死点，并实现目标物体的厘米级精度的动态定位及1-2度的定姿控制。

6、控制空间大范围、大跨度的运动目标适用范围很广，如用作大型造船厂船体装配的巨型机器人，当然也可以用于飞机、航天器的装配，可用于码头集装箱的配装、矿山矿石的转场等。

四、附图说明：

图1是整个柔性结构天线馈源精确定位定姿技术结构示意图，图2是柔索驱动器结构示意图，图3是驱动器内实现柔索有序卷绕结构局部剖面图，图4是图3的左视图，图5是被控运动目标的运动范围示意图，图6是控制空间运动目标的柔索有序卷绕装置的俯视示意图，图7是滑轮组的结构示意图，图8是图7的俯视图，图9是控制原理方框图。

上述各图的标号说明：1-柔索，2-滑轮组，3-支撑塔柱，4-驱动器，5-驱动器，6-支撑塔柱分布圆，7-驱动器，8-驱动器，9-驱动器，10-驱动器，11-被控运动目标，12-轴承，13-过渡变向滑轮，14-联轴器，15-减速器，16-制动器，17-驱动电机，18-机架，19-卷筒，20-回转轴，21-滑轮，22-一对立轮或立轮组，23-重物，24-被控运动目标的运动空间。

五、具体实施方式：

参见图1，在支撑塔柱分布圆6上(可设想在一个大范围、大跨度内可均匀也可不均匀)分布6个支撑塔柱3，当然也可以设计为3-9个支撑塔柱3，每个支撑塔柱3下面固定一个过渡变向轮13和驱动器(4、5、7-10)，各驱动器的输入工作状态均由控制计算机通经硬件控制器控制，各驱动器输出是各自控制的柔索1，各柔索1通过各自的过渡变向滑轮13和各自的支撑塔柱3上端的滑轮组2共同连接到被控运动目标11，同时，2个重物23上固定的柔索1也均通过各自的过渡变向滑轮13共同连接到空间运动目标11上，带有天线馈源的被控运动目标11在支撑塔柱分布圆6空间内受到控制而运动、定位、定姿。一般情况下，申请人申请的专利中，被控运动目标11也称为馈源，同理馈源也称为运动目标11。

参见图2，在各驱动器中，机架18上用轴承12固定卷筒19，驱动力是由驱动电机17经联轴器14(此处相连的制动器16起到刹车制动作用)传给减速器15减速，再通过联轴器14传给卷筒19转动工作。

参看图3、图4和图6，这是驱动器上实现柔索有序卷绕结构的剖视示意图，支撑塔柱3上端的滑轮组2输入端是柔索1，绕过过渡变向滑轮13连接到驱动器4(包括其他的驱动器)卷筒19上。卷筒19表面上有半圆螺旋凹槽，回转轴20与卷筒19平行，并有一定的间距，该间距与柔索1的直径相当。卷筒19顺时针转动时，柔索1通过时，由于回转轴20与卷筒19的导向作用，缠绕卷入卷筒19半圆螺旋凹槽内，而防止柔索1脱离凹槽的回转轴20始终接触柔索1，图中的箭头表示转动方向，这种结构保证了柔索1有序卷绕。卷筒19逆时针转动时，柔索从凹槽中脱离，不会出现叠绕和松散排列现象。参看图6，卷筒19到过渡变向滑轮13之间水平距离L，柔索1左右横向摆动夹角θ为0°-10°(如0°、1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°)，较佳摆动夹角θ为0°-5°(如0°、1°、2°、3°、4°、5°)，卷筒19两边AC点到过渡滑轮13为等距离，由此构成等腰三角形。卷筒19的直径为D，有效长度为S，对应于夹角θ的柔索1缠绕于在卷筒19上C、A两点之间。卷筒19逆时针转动时，柔索螺旋式脱离卷筒上的凹槽，不会出现叠绕和松散排列现象。

参看图5是带有天线馈源的运动目标11在直径为40米，高度20米圆柱形空间运动范围24内工作的示意图。

参看图7和图8，这是控制空间运动目标的柔索传动限位装置，即支撑塔柱3上滑轮组2的结构，滑轮组2是由1-4个滑轮21和立轮组22组成，图中是2个滑轮21和一对立轮组22组成滑轮组2，控制运动目标的柔索1在滑轮21凹槽上和立轮组22表面上的通过，各个支撑塔柱3上的柔索1绕过各自的过渡变向滑轮13连接到各自对应的驱动器(4、5、7、8、9、10)上，柔索1另一端共同连接到空间被控运动目标11，图中柔索1输出端(指上述柔索1另一端)在右侧，柔索1的上下线条表示其摆动的范围，柔索1的左右摆动受到一对立轮组22约束。图中立轮组22的结构，是可转动的轴套经轴承装配在立轮轴上组成一个立轮，两个立轮固定在小支架上组成的一对立轮或立轮组22。立轮组22作为独立件独立工作，柔索1就在其两个立轮之间的表面接触工作。

参看图9，同时参看图1，这是整个计算机控制工作原理图，计算机通过硬件控制器控制1-6号电机控制器，即电机控制器控制图2中的驱动电机17转动。1-6号各个驱动电机17连接各自的减速器15和卷筒19，1-6号驱动器再连接各自的1-6号柔索1，各个柔索1共同连接控制空间运动目标11，带有天线馈源的被控空间目标11的位置姿态信号经激光检测处理，回传给控制计算机。控制计算机、硬件控制器、驱动电机17、机械驱动器、柔索1由市场提供或自行设计制造。

Claims (7)

1. 柔性结构天线馈源精确定位定姿技术，计算机通过硬件控制器控制电机控制器，各个电机控制器驱动机械驱动器，机械驱动器再连接各自的柔索(1)，各个柔索(1)共同连接控制空间运动目标(11)，带有天线馈源的被控空间目标(11)的位置姿态信号经激光检测处理，回传给控制计算机，其特征是：在机械驱动器中，由各驱动电机(17)控制各自输出的柔索(1)经过过渡变向滑轮(13)、支撑塔柱(3)上的滑轮组(2)共同连接到空间被控运动目标(11)，各个支撑塔柱(3)分布在支撑塔柱分布圆(6)上，支撑塔柱分布圆(6)的直径控制在大范围、大跨度5米-800米范围内。

2. 根据权利要求1所述的柔性结构天线馈源精确定位定姿技术，其特征是：各驱动器是由6个驱动器组成，分布在支撑塔柱分布圆(6)附近，驱动器内的机架(18)上装配驱动电机(17)，驱动电机(17)输出经联轴器(14)和制动器(16)连接减速器(15)，减速器(15)的输出经联轴器(14)连接柔索卷筒(19)，装配在轴承(12)上的柔索卷筒(19)输出柔索(1)；各个柔索(1)经各自的过渡变向滑轮(13)和支撑塔柱(3)上的滑轮组(2)共同连接到空间的被控运动目标(11)，运动目标(11)的被控范围是以支撑塔柱分布圆(6)为圆心的圆柱空间(24)。

3. 根据权利要求2所述的柔性结构天线馈源精确定位定姿技术，其特征是：可转动的卷筒(19)上有均布的半圆螺旋凹槽，该凹槽与柔索(1)吻合，可转动的回转轴(20)与卷筒(19)平行，回转轴(20)表面和卷筒(19)上的凹槽均与柔索(1)接触，从卷筒(19)的柔索(1)到过渡滑轮(13)横向摆动夹角θ为0°-10°，卷筒(19)两边A、C点到过渡滑轮(13)等距离。

4. 根据权利要求1所述的柔性结构天线馈源精确定位定姿技术，其特征是：6个驱动器(4、5、7-10)伸出的柔索(1)通过各自的过渡变向滑轮(13)和各自对应的支撑塔柱(3)上的滑轮组(2)连接到空间运动目标(11)上，0个-6个重物(23)上固定的柔索(1)也均通过各自的过渡变向滑轮(13)共同连接到空间运动目标(11)上。

5. 根据权利要求1或4所述的柔性结构天线馈源精确定位定姿技术，其特征是：滑轮组(2)是由1-6个滑轮(21)和立轮组(22)组成。

6. 根据权利要求1所述的柔性结构天线馈源精确定位定姿技术，其特征是：所述的支撑塔柱分布圆(6)直径在5米-800米范围内任意一点均有效。

7. 根据权利要求1所述的柔性结构天线馈源精确定位定姿技术，其特征是：支撑塔柱分布圆(6)直径在5米-600米范围内任意一点也均有效。

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