CN102539185A - 用于巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统，包括二维支撑架、二维跟踪平台、位姿监控系统、恒拉力机构、相似吊架以及地面监控系统。本发明的巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统，采用了单索悬挂技术、跟踪系统二级控制技术、力系统闭环三级控制技术等可成功应用于巡视器的地面试验，配合完成移动性能、自主导航、路径规划、着陆器与巡视器的联合试验等多项试验任务，各项技术指标满足试验需求，为全面充分考核巡视器行走能力提供了条件。

Description

用于巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统

技术领域

本发明属于月面巡视器地面行走试验领域，具体涉及一种用于巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统。

背景技术

随着我国探月工程的开展，月面巡视器的研制成为了整个探月计划的关键。巡视器本身是一个复杂的系统，为保证它在月面的正常行驶，必须在地面对其行走能力，如移动性能、路径规划及自主导航等功能加以综合验证，以考察巡视器的工作可靠性。为了充分考核巡视器的行走性能，需要建设重力模拟设备，在试验过程中为月面巡视探测器提供低重力模拟，以考核月面巡视探测器在月表重力条件下的行走通过性能。

早在1965年，美国为Apollo计划在休斯顿约翰逊空间中心建立了一个空间环境模拟室(SESL)，以提供Apollo时期所有载人航天器和LRV的地面试验。LOCKHEED导弹和空间公司(LMSC)建立了一个高大的人造仓，来模拟月球庇护所和月球太空舱外环境，其中就包括综合1/6的重力环境的模拟试验，采用的月面重力模拟装置如图1所示，其中，该面向巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统包括滑动设置在墙体上的控制平台支撑珩架，珩架下方设置有悬挂平台，悬挂平台上设置有二维平面驱动和空间角度旋转驱动，悬挂平台下部悬挂有八根吊索以悬吊月面巡视器，且墙体上设置有控制系统。

该系统有以下不足：

1)悬挂平台的运动包含水平运动和旋转运动，控制算法复杂。

2)悬挂平台下部悬挂有八跟吊索，每根吊索配备一套收放装置，系统需协调运动，复杂度大，不易控制。

3)该系统适用的巡视器必须自备电源，且可遥控或载人操作，无法适应电池容量有限且不能遥控的巡视器进行地面试验的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统，实现了对月球表面的重力环境的模拟。月球重力加速度约为地球的1/6，在地球上进行巡视器行走时，必须在地球1g重力加速度环境下，复现1/6g环境下月面巡视器的轮地压力情况。通过该月面重力模拟系统可以在地面精确复现月球重力环境中巡视器的轮地受力情况，满足了巡视器地面行走试验的需求。

本发明的一种用于巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统，包括二维支撑架、二维跟踪平台、位姿监控系统、恒拉力机构、低重力实验的悬挂装置、地面监控系统、电缆跟随机构以及起吊机构，二维支撑架设置于高空墙体上并可沿的墙体上的导轨X向滑动，二维支撑架下方设置有一相对于二维支撑架轴向(Y向)滑动的小车，小车下悬挂有二维跟踪平台，二维跟踪平台通过导轨、X，Y向的驱动电机装置以及滚珠丝杠的配合能够在二维水平面内沿X向和Y向滑动，二维跟踪平台下方固定有位姿监控系统及恒拉力机构，位姿监控系统主要由相机及固定在月面巡视器上的标志点组成，相机实时捕捉标志点的位置变化计算出月面巡视器的位移及姿态变化，即通过月球巡视器的质心与光学标志点之间的空间位置关系确定月球巡视器质心在相机坐标系的空间坐标，再根据悬吊点在相机坐标系的位置计算出月球巡视器质心相对于悬吊点的位置；

所述恒拉力机构主要由单根恒拉力索、吊索收放装置、拉力传感器及索力控制系统组成，索力控制系统根据拉力传感器反馈的单根恒拉力索上拉力的数值控制收放装置收紧或放松恒拉力索，实时保证恒拉力索上的拉力恒定，使月面巡视器与地面的接触压力保持在自重的1/6(即在月面的接触压力值)，恒拉力索上端为恒拉力机构，下端固定连接有一用于月球巡视器的悬挂装置；

所述地面监控系统根据位姿监控系统计算出的月球巡视器质心相对于悬吊点的位置量控制二维支撑架及二维跟踪平台在水平面内的机械运动，使吊索始终保持垂直以保证二维跟踪平台精确跟随月面巡视器的运动；

所述电缆跟随机构通过转接板固定连接在二维跟踪平台底部上且位于恒拉力吊索下方，电缆跟随机构包括摆杆结构、止推轴承、电缆吊索、收索电机和旋转电机，摆杆结构通过止推轴承与转接板的未连接端枢轴转动连接，恒拉力索从止推轴承内穿过，使得整个摆杆结构以恒拉力索为中心旋转摆动，摆杆结构一侧上设置有滑轮及绕过滑轮的电缆吊索，电缆吊索通过设置在摆杆结构上的收索电机收放，同样设置在摆杆结构上的旋转电机为摆杆结构的摆动提供驱动，其中，月面巡视器地面试验用供电电缆、控制电缆、及数据传输电缆，悬挂在电缆吊索上可随吊索收缩或下放，同时各种电缆可随摆杆结构一起绕恒拉力索旋转。

进一步地，起吊机构是指设置在二维跟踪平台底部四角下方的四根吊索，月面巡视器正常试验时，吊索收起，只用恒拉力吊索悬挂月面巡视器，试验结束需要起吊巡视器时吊索下放，连接在月面巡视器上的四个悬挂点进行起吊。

进一步地，各种电缆由月面巡视器控制终端沿二维跟踪平台机械结构及线槽走线至悬挂平台，并通过转接板走线至止推轴承附近，再围绕止推轴承以最小转弯半径缠绕几圈从摆杆结构垂下，各种电缆的垂下部分与电缆吊索设置一个或多个连接点，最后连接至月面巡视器的试验件上。

进一步地，止推轴承周围的摆杆结构上还设置有电缆托盘，以便对缠绕几圈的电缆进行支撑。

其中，二维支撑架为改造后的天车。

其中，相机设置在二维跟踪平台上。

其中，X向和Y向的滑动均受到限位开关的限制。

进一步地，相机通过监测光学标志点来监控月球巡视器的位置和姿态并将数据发送给地面监控系统。

本发明巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统，采用了单索悬挂技术、跟踪系统二级控制技术、力系统闭环三级控制技术、电缆跟随机构、起吊机构等可成功应用于巡视器的地面试验，配合完成移动性能、自主导航、路径规划、着陆器与巡视器的联合试验等多项试验任务，各项技术指标满足试验需求，为全面充分考核巡视器行走能力提供了条件。

单索悬挂技术是利用相似吊架，仅以一根吊索起吊月面巡视器这种多刚体结构，使其在地面试验过程中各轮轮地压力分配与在月面上相同。优点是避免对每个可活动的刚体部件单独悬挂，减少吊索数量，降低系统复杂度。同时由于不存在多跟吊索见相互干涉的情况，不需要上层悬挂平台具备水平面内旋转功能，也降低了悬挂平台的控制难度。

跟踪系统二级控制技术是指地面监控系统根据位姿监控系统计算出的位移，控制二维支撑架及二维跟踪平台协同运动，达到在30米直径范围内跟踪误差小于0.046m精确跟踪目标的目的。由于二维支撑架跨度大、质量大、惯性大、挠度影响大，故跟踪精度差，可以大范围内粗略跟踪目标。二维跟踪平台有效行程短、重量轻、惯性小、通过精密导轨移动，可以实现对目标的高精度跟踪。从而解决了大范围精确跟踪的难题。

力系统闭环三级控制技术是指根据力传感器传回的吊索上拉力值，实时控制由大电机、小电机、机械缓冲机构组成的三级拉力输出，实现对拉力的精确闭环控制。大电机输出大的拉力值，但由于电机自身特性，其出输出拉力大控制精度必然低，故大电机实现拉力的粗略控制。小电机输出功率小，对大电机进行补偿，实现对拉力的精确控制。但电机特性的非理想性(如定位力矩、力矩波纹等)决定其等效干扰力仍然很大，需在拉索上增加机械缓冲装置，抑制干扰力。这样的三级拉力输出可以实现0.5‰的控制精度。

电缆跟随机构实现试验件电缆从控制终端到月面巡视器的走线，解决了月面巡视器这种自身电池电量小且不可遥控或载人试验件的试验问题，实现对电缆重力的补偿，解决月面巡视器原地转向造成的电缆与恒张力索干涉的问题，同时由于电缆下垂位置可控(控制其尽量垂直与车体)可减小电缆带来的侧向干扰。

起吊机构解决了单索悬挂方案中试验件起吊后无法保持平衡的问题。若无该机构则月面巡视器试验工况转换时需要人手扶来保持平衡，会破坏用于试验特殊整理出的模拟月貌，有了该机构则可顺利进行工况转换。

附图说明

图1为现有技术中(美国)月球巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统的结构示意图。

图中：1——月球巡视器；2——地面控制台；3——悬挂平台；4——X向运动驱动；5——角度旋转驱动；6——Y方向运动驱动；7——支撑桁架；

图2为本发明的月球巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统的示意图。

其中，11-二维支撑架随动小车Y向驱动；12——二维跟踪平台；13——相机；14——恒拉力机构；15——标志点；16——低重力悬挂装置；17——地面监控系统；18——二维支撑架X向驱动；19——二维支撑架。

图3为本发明的月球巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统中使用的电缆跟随机构示意图。

图中：21——电缆吊索；22——摆杆结构；23——电缆托盘；24——止推轴承；25——恒拉力索；26——旋转电机；27——悬挂平台；28——转接板；29——收索电机。

图4为本发明的月球巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统中使用的起吊机构示意图。

具体实施方式

看板生产管理系统为B/S架构的系统，自动化货柜管理系统为C/S架构的系统，两个系统独立部署，出于物料管理的需求，在看板生产管理系统与自动化货柜管理系统之间需要完成两大类信息的交互：订单信息和货柜规划信息的交互。其中订单信息的交互是由看板生产管理系统触发的，而货柜规划信息是由自动化货柜管理系统触发的，二者的实现有很大的区别。

在订单信息交互方法的实现过程中，是通过如下技术方案实现的：

步骤一，订单接收：接收看板生产管理系统中生成的物料入库、出库订单信息；

步骤二，订单编辑：对接收到的订单内容、格式、编码方式进行编辑。在内容方面，看板生产管理系统中生成的订单内容包括订单号、物料代号、型号、名称、数量、交付单位、入库人、经手人等多种信息，而自动化货柜管理系统中可识别的信息包括订单编号、代号等信息，因此，不仅要根据看板生产管理系统中生成的订单内容生成订单编号信息，还要对订单中原有的信息进行筛检，剔除在自动化货柜管理系统中无法读取的内容；在格式上，看板生产管理系统中订单信息项的名称、标识符与自动化货柜管理系统中可识别名称与标识符并不一致，因此，需要根据原有的订单完成信息项格式的调整，以保证自动化管理系统能够对信息识别；在编码方式上，看板生产管理系统中生成的订单信息采用Unicode编码，而自动化货柜管理系统中可识别的信息编码格式为机器码，因此，需要对订单信息的编码格式进行转换，将其转化为机器码语言；

步骤三，订单输出：将编辑后的订单信息输出到自动化货柜管理系统指定的信息读取路径下。自动化货柜管理系统指定的对外信息交互接口中有一个文件为AOD.TXT文件，用以存储外部传入的订单信息，因此，需要将信息输入到该文件中；

步骤四，操作反馈信息监听。对自动化货柜操作的反馈信息进行监听。自动化货柜管理系统指定的对外信息交互接口中有一个文件为AOUP.TXT文件，用以存储操作执行后的状态信息，自动化货柜管理系统会在自动化货柜成功完成相关操作后将操作的执行结果反馈信息写入到AOUP.TXT文件中，利用操作反馈信息监听方法可以对该文件中的信息内容变化进行监听，根据监听文件存储的信息量大小的变化和内容的变化确定是否进行信息的读取；

步骤五，操作反馈信息读取：对自动化货柜管理系统指定的对外信息交互接口中的AOUP.TXT文件内容进行读取；

步骤六，操作反馈信息编辑：对读取的操作反馈信息的内容、格式、编码方式进行编辑。在内容上，通过反馈信息中的订单编号、代号等信息获取订单在看板生产管理系统中的订单号、物料编号等信息，以便在看板生产管理系统中匹配到正确的信息记录；在格式上，看板生产管理系统中订单信息项的名称、标识符与自动化货柜管理系统中可识别名称与标识符并不一致，因此，需要根据读取的操作反馈信息完成信息项格式的调整，以保证看板生产管理系统能够对信息识别；在编码方式上，将信息由机器码的编码方式改为Unicode编码方式；

步骤七，反馈信息输出：将经过编辑后的信息输出给看板生产管理系统中的信息更新方法，以便完成信息在看板生产管理系统中的更新。

在货柜规划信息交互方法的实现过程中，是通过如下技术方案实现的：

步骤一，货柜规划触发识别：识别同步更新看板生产管理系统中的自动化货柜规划信息触发操作，通过对触发操作的识别确定是否进行货柜规划信息的读取；

步骤二，货柜规划信息读取：读取自动化货柜管理系统下的货柜规划、货位规划等信息；

步骤三，货柜规划信息编辑：对读取的货柜的规划信息进行编辑，包括内容、格式、编码三个方面的信息编辑，编辑的形式参考订单信息交互方法实现过程的步骤六；

步骤四，货柜规划信息输出：将编辑后的货柜规划信息输出给看板生产管理系统，以完成在看板生产管理系统中对自动化货柜规划信息的更新。

通过自动化货柜管理系统与看板生产管理系统信息交互方法，实现了自动化货柜管理系统与看板生产管理系统的信息交互，有效地将自动化货柜管理系统纳入现有的库存管理体系中。在保证看板生产管理系统各项功能的同时，充分发挥了自动化货柜在物料管理上的优势，增加了库房的空间利用率，提高了物料拣选效率，增强了物料存储的保密性和对物料的保护性，从整体上大大提升了库房物料管理的规范性。

Claims (10)

1.用于巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统，包括二维支撑架、二维跟踪平台、位姿监控系统、恒拉力机构、低重力实验的悬挂装置、地面监控系统、电缆跟随机构以及起吊机构，二维支撑架设置于高空墙体上并可沿的墙体上的导轨X向滑动，二维支撑架下方设置有一相对于二维支撑架轴向(Y向)滑动的小车，小车下悬挂有二维跟踪平台，二维跟踪平台通过导轨、X，Y向的驱动电机装置以及滚珠丝杠的配合能够在二维水平面内沿X向和Y向滑动，二维跟踪平台下方固定有位姿监控系统及恒拉力机构，位姿监控系统主要由相机及固定在月面巡视器上的标志点组成，相机实时捕捉标志点的位置变化计算出月面巡视器的位移及姿态变化，即通过月球巡视器的质心与光学标志点之间的空间位置关系确定月球巡视器质心在相机坐标系的空间坐标，再根据悬吊点在相机坐标系的位置计算出月球巡视器质心相对于悬吊点的位置；

所述恒拉力机构主要由单根恒拉力索、吊索收放装置、拉力传感器及索力控制系统组成，索力控制系统根据拉力传感器反馈的单根恒拉力索上拉力的数值控制收放装置收紧或放松恒拉力索，实时保证恒拉力索上的拉力恒定，使月面巡视器与地面的接触压力保持在自重的1/6，恒拉力索上端为恒拉力机构，下端固定连接有一用于月球巡视器的悬挂装置；

所述地面监控系统根据位姿监控系统计算出的月球巡视器质心相对于悬吊点的位置量控制二维支撑架及二维跟踪平台在水平面内的机械运动，使吊索始终保持垂直以保证二维跟踪平台精确跟随月面巡视器的运动；

所述电缆跟随机构通过转接板固定连接在二维跟踪平台底部上且位于恒拉力吊索下方，电缆跟随机构包括摆杆结构、止推轴承、电缆吊索、收索电机和旋转电机，摆杆结构通过止推轴承与转接板的未连接端枢轴转动连接，恒拉力索从止推轴承内穿过，使得整个摆杆结构以恒拉力索为中心旋转摆动，摆杆结构一侧上设置有滑轮及绕过滑轮的电缆吊索，电缆吊索通过设置在摆杆结构上的收索电机收放，同样设置在摆杆结构上的旋转电机为摆杆结构的摆动提供驱动；

其中，月面巡视器地面试验用供电电缆、控制电缆、及数据传输电缆，悬挂在电缆吊索上可随吊索收缩或下放，同时各种电缆可随摆杆结构一起绕恒拉力索旋转。

2.如权利要求1所述的用于巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统，其中，起吊机构是指设置在二维跟踪平台底部四角下方的四根吊索，月面巡视器正常试验时，吊索收起，只用恒拉力吊索悬挂月面巡视器，试验结束需要起吊巡视器时吊索下放，连接在月面巡视器上的四个悬挂点进行起吊。

3.如权利要求1所述的用于巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统，其中，在悬挂平台四个角下方的起吊拉索上部还设置有收绳机构。

4.如权利要求3所述的用于巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统，其中，收绳机构用电葫芦改造而成。

5.如权利要求1所述的用于巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统，其中，各种电缆由月面巡视器控制终端沿二维跟踪平台机械结构及线槽走线至悬挂平台，并通过转接板走线至止推轴承附近，再围绕止推轴承以最小转弯半径缠绕几圈从摆杆结构垂下，各种电缆的垂下部分与电缆吊索设置一个或多个连接点，最后连接至月面巡视器的试验件上。

6.如权利要求1所述的用于巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统，其中，止推轴承周围的摆杆结构上还设置有电缆托盘，以便对缠绕几圈的电缆进行卷绕和支撑。

7.如权利要求1-6任一项所述的用于巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统，其中，所述二维支撑架为改造后的天车。

8.如权利要求1-6任一项所述的用于巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统，其中，相机设置在二维跟踪平台上。

9.如权利要求1-6任一项所述的用于巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统，其中，X向和Y向的滑动均受到限位开关的限制。

10.如权利要求1-6任一项所述的用于巡视器地面行走试验的月面重力模拟系统，其中，各种电缆跟随摆杆结构的摆动范围为-90°～180°。

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