CN102976207B - 航天器用水平调节吊具的吊点自动调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航天器用水平调节吊具的吊点自动调节方法，该方法主要以拉力传感器及倾角传感器测量值，以及吊具本身的固有参数作为输入，通过不同的公式计算出XY工作台分别在X、Y两个方向上的位移量，然后反复迭代，直到传感器测量值满足水平度的起吊要求。与现有技术相比，本发明的精确调节方法攻克了吊具吊点在二维平面内快速自动水平调节的难题，技术指标先进，实现了调节过程的数字化和自动化，提高了吊装精度和吊装效率，降低了操作人员的劳动强度，只需三次调节，水平度即可达到5mm/m范围，应用价值显著。

Description

航天器用水平调节吊具的吊点自动调节方法

技术领域

本发明属于航天器的吊装技术领域，具体涉及一种能使基于吊点调节的吊具实现航天器的水平调节吊具的吊点自动调节方法。

背景技术

航天器对接在航天器总装过程中，航天器精密对接与分解装配均采用吊装的方式完成，在对接与分解的过程中需要保持对接面水平。

由于航天器的实际质心位置与理论质心位置存在一定的差异，造成吊装倾斜，引起航天器对接面的点接触，损伤对接面，损坏定位销（或导向销）；同时，由于实际质心位置与理论质心位置的偏差，吊装过程中产生旋转及摆动，容易产生碰撞，损伤航天器或操作人员。

目前，航天器吊装及对接过程均使用手工操作为主的方法。其方法是在吊具的四根吊带上串联花篮螺丝，对航天器进行试吊，根据操作人员的经验反复调节各花篮螺丝的长度，达到调节航天器水平度的目的。由于采用目视指挥，人工多次调节，过多依赖操作人员个体技能水平和经验，基本属于临机处置的模式指挥吊车进行手工对接或分解，效率低，对接精度难以保证。因此,鉴于现有的吊装方法存在上述不足，对新型、高效的吊具的需求十分迫切。

目前，我国航天领域已出现基于吊点调节的具有二维水平调节功能的吊具（参见题目为“一种航天器水平调节吊具”的中国专利201110428722.3）。该吊具在吊梁的上端设有一个XY工作台，吊环位于在XY工作台的上端中心。通过位于吊具上的二维倾角传感器及吊梁的下端吊带上的拉力传感器，作为输入，通过XY工作台调节吊具与天车相连的吊点位置作为输出，实现二维水平调节。该吊具具有配套的吊装流程（参见题目为“一种航天器水平调节吊具的调节方法”的中国专利201110428713.4）。该方法通过点动天车，通过吊梁上的两维倾角传感器的测量值，判断航天器的偏心程度，将航天器落回到支撑工装上，调节吊具吊点的位置，再次点动天车起吊，反复重复以上过程，直到航天器满足水平度要求。此方法中，并没有公开对吊具吊点进行精确调节的方法，为了达到吊具吊点的精确调节，需要依靠人工经验进行判断并反复试调。由于各个航天器的偏心状态各不相同，人工试调的效率及调节精度势必受之影响，此外，航天器不完全起吊时，支架对航天器有一定的支持作用，使得航天器难于完全展现其倾斜状态，对人工判断产生严重的干扰。因此，急需一种对不同航天器具有一定适应能力，并能排除支架车干扰的吊点位置的快速自动调节方法，以满足航天器水平调节的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于基于吊点调节的航天器用水平调节吊具的吊点高精度快速调节方法，旨在通过传感器定量自动得出吊具吊点调节量，实现航天器的快速自动二维水平调节，用自动化的调节方法取代现有人工调节导致的吊装效率低下、对接质量难于保证的不足等问题，同时解决吊具对不同航天器不同质量特性的测量和适应的问题，并解决航天器不完全起吊时，支架车对航天器支持限制干扰的问题。本发明为航天器通用水平调节吊具提供了技术保障，攻克了吊具吊点自动快速调节的关键技术难点。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案:

本发明是一种航天器用水平调节吊具的吊点自动调节方法，包括以下步骤：

1. 获得吊具机械结构的固有参数，它们可由吊具设计查得或产品质量特性测试得来，其中：

G_dx—沿x方向的运动部件重量；G_dy—沿y方向的运动部件重量；G_dl—吊具上固定部件重量；H_dx—沿x方向的运动部件重心至吊具上吊点的高度；H_dy—沿y方向的运动部件重心至吊具上吊点的高度；H_dl—吊具上固定部件重心致吊具上吊点的高度；

2. 由传感器测定每次天车点动后，吊具稳定时吊具倾角及各吊索的拉力：

θ₁(k)—第k次调节前，倾角传感器测得的吊具绕x方向转动的角度；θ₂(k)—第k次调节前，倾角传感器测得的吊具绕y方向转动的角度；F₁(k)—第k次调节前，拉力传感器1测得的拉力；F₂(k)—第k次调节前，拉力传感器2测得的拉力；F₃(k)—第k次调节前，拉力传感器3测得的拉力；F₄(k)—第k次调节前，拉力传感器4测得的拉力；其中：k代表调节次数；

3. 判断倾角θ₁(k)、θ₂(k)是否均达到水平要求，若θ₁(k)、θ₂(k)是均达到水平要求，转吊点调节结束，航天器处于水平状态，吊具起吊；若θ₁(k)、θ₂(k)其中有一个角未达到水平要求，则转到步骤4；

4. 由公式1求出中间量F_h(k),公式1如下:                                                ;

5. 根据倾角θ₁(k)、θ₂(k)所在的范围利用公式2中求出中间量H_hg(k)，H_hg(k)—为吊具第k次调节时，航天器重心至航天器吊点的高度的估计值，且初始值H_hg(1)设为航天器高度的一半，公式2如下：

1）当k=1时，H_hg(k)=H_hg(1)

2）当k≥2时

（1）当，且时，H_hg(k)=H_hg(k-1)，其中n为可设置的参数，在0.5~1范围内取一个数;

（2）当，且时，,其中：;

（3）当，且时，,其中：;

6. 由公式3求出吊具吊点的调节量Δr_x(k)，Δr_y(k),公式3如下:

其中:Δr_x(k)—吊具第k次调节时，吊点沿x轴的调节量；

Δr_y(k)—吊具第k次调节时，吊点沿y轴的调节量；

7. 重复步骤2-3,进行k+1次测定和调节判断，直到调节满足航天器可起吊的水平要求。

其中，所述吊具上的固定部件包括吊梁、外壳和电控箱。

其中，判断倾角θ₁(k)、θ₂(k)是否均达到水平要求是判断倾角θ₁(k)、θ₂(k)是否均小于0.28°(可根据水平度要求不同选取不同角度)。

与现有技术相比，本发明的精确调节方法攻克了吊具吊点在二维平面内快速自动水平调节的难题，技术指标先进，实现了调节过程的数字化和自动化，提高了吊装精度和吊装效率，降低了操作人员的劳动强度，只需三次调节，水平度即可达到5mm/m范围，应用价值显著。

附图说明

图1为现有技术的航天器水平吊具整体结构示意图（参见中国专利“一种航天器水平调节吊具”，受理号：201110428722.3）

图2为现有技术中的 XY工作台的结构示意图（参见中国专利“一种航天器水平调节吊具”，受理号：201110428722.3）

图3为现有技术中的航天器水平吊具的参数示意图；图中各参数含义如下：

X—X工作台运动方向；

Y—Y工作台运动方向；

Z—XY工作台运动平面法向；

O—天车上吊点；

G_dx—沿x方向的运动部件重量；

G_dy—沿y方向的运动部件重量；

G_dl—吊具上固定部件（吊梁、外壳、电控箱）重量；

G_h—航天器重量；

θ₁(k)—第k次调节前，倾角传感器测得的吊具绕x方向转动的角度；

θ₂(k)—第k次调节前，倾角传感器测得的吊具绕y方向转动的角度；

T—天车吊索拉力；

F₁(k)—第k次调节前，拉力传感器1测得的拉力；

F₂(k)—第k次调节前，拉力传感器2测得的拉力；

F₃(k)—第k次调节前，拉力传感器3测得的拉力；

F₄(k)—第k次调节前，拉力传感器4测得的拉力；

其中：k代表调节次数；

图4 为现有技术中的航天器水平吊具的工作流程图（参见中国专利“一种航天器水平调节吊具的调节方法”，受理号201110428713.4）

图5为本发明的航天器用水平调节吊具的吊点快速自动调节方法的流程框图。

图1-3中，1.吊环组件；2.XY工作台；3.吊梁；4.吊带；5.LED显示器；6.电控箱；7.二维倾角传感器a；8.拉力传感器；9.吊环；10.中间承力结构；11. 二维倾角传感器b；12. 万向节；13. X工作台；14.Y工作台；15. 滑轨；16. 电机 ；17. 丝杠。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明方法基于的航天器用自动水平调节吊具为机械本体，如图1（参见中国专利“一种航天器水平调节吊具”，受理号：201110428722.3），以反复点动起吊调节吊点的吊装流程，如图2（参见中国专利“一种航天器水平调节吊具的调节方法”，受理号201110428713.4）所示，着重解决在图4的吊装流程中，航天器偏心大小方向及XY工作台调节量无法定量计算调节的问题。

本发明的航天器用水平调节吊具的吊点自动调节方法，如图4所示，具体调节流程如下：

1. 吊具的机械结构取得固有参数，可由吊具设计查得或产品质量特性测试得来，吊具的各参数示意图可对照参见图3，其中：

G_dx—沿x方向的运动部件的重力，单位N； 

G_dy—沿y方向的运动部件的重力，单位N；

G_dl—吊具上固定部件（吊梁、外壳、电控箱）的重力，单位N；

H_dx—沿x方向的运动部件重心至吊具上吊点的高度，单位m；

H_dy—沿y方向的运动部件重心至吊具上吊点的高度，单位m；

H_dl—吊具上固定部件重心致吊具上吊点的高度，单位m；

2. 由传感器测定吊具稳定时吊具倾角及各吊索拉力

θ₁(k)—第k次调节前，倾角传感器测得的吊具绕x方向转动的角度，单位rad；

θ₂(k)—第k次调节前，倾角传感器测得的吊具绕y方向转动的角度，单位rad；

F₁(k)—第k次调节前，拉力传感器1测得的拉力，单位N；

F₂(k)—第k次调节前，拉力传感器2测得的拉力，单位N；

F₃(k)—第k次调节前，拉力传感器3测得的拉力，单位N；

F₄(k)—第k次调节前，拉力传感器4测得的拉力，单位N；

其中：k代表调节次数；

3. 判断倾角θ₁(k)、θ₂(k)是否均达到水平要求，例如小于0.28°(可根据水平度要求不同选取不同角度)，认为达到水平。

  若θ₁(k)、θ₂(k)是均达到水平要求，转吊点调节结束，航天器处于水平状态，吊具起吊即步骤8；

  若θ₁(k)、θ₂(k)其中有一个角未达到水平要求，转到步骤4；

4. 由公式1求出中间量F_h(k)；

5. 根据倾角θ₁(k)、θ₂(k)所在的范围在公式2中求出中间量H_hg(k)。

   H_hg(k)—为吊具第k次调节时，航天器重心至航天器吊点的高度的估计值，且初始值H_hg(1)设为航天器高度的一半。6. 由公式3求出吊具吊点的调节量Δr_x(k)，Δr_y(k)

Δr_x(k)—吊具第k次调节时，吊点沿x轴的调节量，单位m；

Δr_y(k)—吊具第k次调节时，吊点沿y轴的调节量，单位m；

7. 转步骤2；

8.吊点调节结束，航天器处于水平状态，吊具起吊。

具体公式如下：

1 F_h(k)计算公式

2 H_hg(k)计算公式

1）当k=1时，H_hg(k)=H_hg(1)

2）当k≤2时

（1）当，且时，H_hg(k)=H_hg(k-1)（其中n为可设置的参数，在0.5~1范围内取一个数。

（2）当，且时，

其中：

（3）当，且时，

其中：

3 Δr_x(k)，Δr_y(k)计算公式

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.航天器用水平调节吊具的吊点自动调节方法，包括以下步骤：

1.获得吊具机械结构的固有参数，它们可由吊具结构设计查得或产品质量特性测试得来，其中：

G_dx—沿x方向的运动部件的重力；G_dy—沿y方向的运动部件的重力；G_dl—吊具上固定部件的重力；H_dx—沿x方向的运动部件重心至吊具上吊点的高度；H_dy—沿y方向的运动部件重心至吊具上吊点的高度；H_dl—吊具上固定部件重心致吊具上吊点的高度；

2.由传感器测定每次天车点动后，吊具稳定时吊具倾角及各吊索的拉力：

θ₁(k)—第k次调节前，倾角传感器测得的吊具绕x方向转动的角度；θ₂(k)—第k次调节前，倾角传感器测得的吊具绕y方向转动的角度；F₁(k)—第k次调节前，拉力传感器1测得的拉力；F₂(k)—第k次调节前，拉力传感器2测得的拉力；F₃(k)—第k次调节前，拉力传感器3测得的拉力；F₄(k)—第k次调节前，拉力传感器4测得的拉力；其中：k代表调节次数；

3.判断倾角θ₁(k)、θ₂(k)是否均达到水平要求，若θ₁(k)、θ₂(k)是均达到水平要求，转吊点调节结束，航天器处于水平状态，吊具起吊；若θ₁(k)、θ₂(k)其中有一个角未达到水平要求，则转到步骤4；

4.由公式1求出中间量F_h(k),公式1如下:F_h(k)＝F₁(k)+F₂(k)+F₃(k)+F₄(k)；

5.根据倾角θ₁(k)、θ₂(k)所在的范围利用公式2中求出中间量H_hg(k)，H_hg(k)—为吊具第k次调节时，航天器重心至航天器吊点的高度的估计值，且初始值H_hg(1)设为航天器高度的一半，公式2如下：

1）当k=1时，H_hg(k)=H_hg(1)

2）当k≥2时

（1）当 $\left|\frac{{\mathrm{\θ}}_1\left(k\right)}{{\mathrm{\θ}}_1(k-1)}\right|\≥n,$ 且 $\left|\frac{{\mathrm{\θ}}_2\left(k\right)}{{\mathrm{\θ}}_2(k-1)}\right|\≥n$ 时，H_hg(k)=H_hg(k-1)，其中n为可设置的参数，在0.5-1范围内取一个数;

（2）当 $\left|\frac{{\mathrm{\&theta;}}_1\left(k\right)}{{\mathrm{\&theta;}}_1(k-1)}\right|<n,$ 且 $\left|\frac{{\mathrm{\&theta;}}_1\left(k\right)}{{\mathrm{\&theta;}}_1(k-1)}\right|\&le;\left|\frac{{\mathrm{\&theta;}}_2\left(k\right)}{{\mathrm{\&theta;}}_2(k-1)}\right|$ 时， $H_{\mathrm{hg}}\left(k\right)=\frac{{\mathrm{\&theta;}}_1\left(k\right)}{{\mathrm{\&theta;}}_1(k-1)-{\mathrm{\&theta;}}_1\left(k\right)}K\left(k\right)+H_{\mathrm{hg}}(k-1)$ ,其中：

$K\left(k\right)=\frac{H_{\mathrm{dx}}{G}_{\mathrm{dx}}+H_{\mathrm{dy}}{G}_{\mathrm{dy}}+H_{\mathrm{dl}}{G}_{\mathrm{dl}}+H_{\mathrm{dj}}{F}_h\left(k\right)+F_h\left(k\right)H_{\mathrm{hg}}(k-1)}{F_h\left(k\right)};$

（3）当 $\left|\frac{{\mathrm{\&theta;}}_2\left(k\right)}{{\mathrm{\&theta;}}_2(k-1)}\right|<n$ ，且 $\left|\frac{{\mathrm{\&theta;}}_1\left(k\right)}{{\mathrm{\&theta;}}_1(k-1)}\right|>\left|\frac{{\mathrm{\&theta;}}_2\left(k\right)}{{\mathrm{\&theta;}}_2(k-1)}\right|$ 时， $H_{\mathrm{hg}}\left(k\right)=\frac{{\mathrm{\&theta;}}_2\left(k\right)}{{\mathrm{\&theta;}}_2(k-1)-{\mathrm{\&theta;}}_2\left(k\right)}K\left(k\right)+H_{\mathrm{hg}}(k-1),$ 其中：

$K\left(k\right)=\frac{H_{\mathrm{dx}}{G}_{\mathrm{dx}}+H_{\mathrm{dy}}{G}_{\mathrm{dy}}+H_{\mathrm{dl}}{G}_{\mathrm{dl}}+H_{\mathrm{dj}}{F}_h\left(k\right)+F_h\left(k\right)H_{\mathrm{hg}}(k-1)}{F_h\left(k\right)};$

6.由公式3求出吊具吊点的调节量Δr_x(k)，Δr_y(k),公式3如下:

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{r}_x\left(k\right)=\frac{H_{\mathrm{dx}}{G}_{\mathrm{dx}}+H_{\mathrm{dy}}{G}_{\mathrm{dy}}+H_{\mathrm{dl}}{G}_{\mathrm{dl}}+H_{\mathrm{dj}}{F}_h\left(k\right)+F_h\left(k\right)H_{\mathrm{hg}}\left(k\right)}{G_{\mathrm{dy}}+G_{\mathrm{dl}}+F_h\left(k\right)}{\mathrm{\&theta;}}_2\left(k\right)\\ \mathrm{\&Delta;}{r}_y\left(k\right)=-\frac{H_{\mathrm{dx}}{G}_{\mathrm{dx}}+H_{\mathrm{dy}}{G}_{\mathrm{dy}}+H_{\mathrm{dl}}{G}_{\mathrm{dl}}+H_{\mathrm{dj}}{F}_h\left(k\right)+F_h\left(k\right)H_{\mathrm{hg}}\left(k\right)}{G_{\mathrm{dl}}+F_h\left(k\right)}{\mathrm{\&theta;}}_1\left(k\right)\end{array}\right.$

其中:Δr_x(k)—吊具第k次调节时，吊点沿x轴的调节量；

Δr_y(k)—吊具第k次调节时，吊点沿y轴的调节量；

7.重复步骤2-3,进行k+1次测定和调节判断，直到调节满足航天器可起吊的水平要求。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述吊具上的固定部件包括吊梁、外壳和电控箱。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，判断倾角θ₁(k)、θ₂(k)是否均达到水平要求是判断倾角θ₁(k)、θ₂(k)是否均小于0.28°,可根据水平度要求不同选取不同角度。