CN104635761B - 空间碎片磁悬浮方法、磁悬浮装置及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关一种空间碎片磁悬浮方法、空间碎片磁悬浮装置及空间碎片三自由度运动控制系统。该空间碎片三自由度运动控制系统，包括，空间碎片磁悬浮装置、控制计算机及程控电源。该空间碎片磁悬浮装置，包括：真空罐；空间碎片靶材；电磁线圈；及至少两个观察窗，该观察窗处设置图像采集器，从不同角度采集空间碎片靶材的运动图像信息。该空间碎片磁悬浮方法，利用电磁线圈对内装有磁性材料的空间碎片靶材产生电磁作用力，控制空间碎片靶材的运动状态。本发明具有精确控制空间碎片靶材的运动形式的优点。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮领域，尤其涉及一种空间碎片磁悬浮方法、空间碎片磁悬浮装置及控制系统。
背景技术
空间碎片在空间(太空)运行时处于失重状态，为研究空间碎片目标特性及主动清除等技术，需要在地面模拟空间碎片的失重状态及相应的轨道运动状态，同时为了满足实验测量系统的精度要求，必须能够对悬浮状态下的空间碎片进行高精度运动控制。
目前，可用于空间碎片悬浮的方法主要有气悬浮、静电悬浮、磁悬浮等，气悬浮受气流波动影响，空间碎片的悬浮精度难以保证；静电悬浮仅适合重量较轻的目标，且会改变空间碎片外表面的电荷分布，对目标特性研究造成一定影响；磁悬浮是模拟空间碎片失重状态的一种可行方法，但以往磁悬浮方法仅能用于抵消目标重力获得悬浮效果，无法高精度控制空间碎片的运动形式。
发明内容
有鉴于上述现有技术所存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种空间碎片磁悬浮方法、空间碎片磁悬浮装置及控制系统，使其能精确控制空间碎片靶材的运动形式。
为了实现上述目的，依据本发明提出的一种空间碎片磁悬浮方法，其包括以下步骤：利用电磁线圈对装有磁性材料的的空间碎片靶材产生电磁作用力，一部分作用力用于抵消空间碎片靶材的重力，另一部分用于提供空间碎片靶材运动的驱动力；利用图像采集器实时记录空间碎片靶材图像；以及，通过交会测量法获得空间碎片靶材的实际位置，并与预设位置比较，据此改变电磁力大小与方向，实现空间碎片靶材悬浮状态的闭环控制，模拟太空中空间碎片的实际运动状态。
为了实现上述目的，依据本发明还提出一种空间碎片磁悬浮装置,其包括：真空罐，具有内部空间，用于模拟空间碎片的空间环境；空间碎片靶材，在该真空罐内部固定区域内运动；电磁线圈，设置于该真空罐上，用于产生吸引空间碎片靶材的磁场，所述的电磁线圈产生的磁场，一是用于抵消重力影响，实现空间碎片的静态悬浮，二是根据预定运行形式驱动空间碎片运动；以及至少两个观察窗，设置于真空罐上，用于提供光学观察窗口，该观察窗处设置图像采集器，从不同角度采集空间碎片靶材的运动图像信息。
本发明还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的空间碎片磁悬浮装置，其中所述的空间碎片靶材的材料包括，铝合金、铝氧化物、锌氧化物或钛氧化物。
前述的空间碎片磁悬浮装置，其包括两个图像采集器，该图像采集器是高速像机或摄像机。
前述的空间碎片磁悬浮装置，其中所述的空间碎片靶材为球形或正方体，该空间碎片靶材内部设置有容纳空间，该容纳空间内填充导磁材料、软磁材料或磁性材料。
为了实现上述目的，依据本发明另外还提出一种空间碎片三自由度运动控制系统，其包括：如前述的空间碎片磁悬浮装置，该空间碎片磁悬浮装置的收图像采集器,采集空间碎片靶材的图像信息；控制计算机，该控制计算机利用该空间碎片靶材的图像信息采用交会测量法实时计算空间碎片靶材的位置参数，并与空间碎片靶材的预设位置进行比较，由此计算电流控制信号；以及程控电源，该程控电源接收该电流控制信号，改变空间碎片磁悬浮装置的电磁线圈的电流大小，以控制空间碎片靶材的运动轨迹。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。本发明的空间碎片磁悬浮方法、空间碎片磁悬浮装置及空间碎片三自由度运动控制系统，具有精确控制空间碎片靶材的运动形式的技术效果。
附图说明
图1是本发明空间碎片磁悬浮装置一实施例的示意图。
图2是本发明空间碎片磁悬浮装置的空间碎片靶材的示意图。
图3是本发明空间碎片磁悬浮装置的空间碎片靶材的受力情况分析图。
图4是本发明空间碎片三自由度运动控制系统的控制原理示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的空间碎片磁悬浮方法、空间碎片控制装置、空间碎片三自由度运动控制系统及其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效详细说明。
本发明提供了一种空间碎片磁悬浮方法，利用电磁线圈对经加工后具备导磁性的空间碎片靶材产生电磁作用力，一部分作用力用于抵消空间碎片靶材的重力，另一部分用于提供空间碎片靶材运动的驱动力，同时利用图像采集器实时记录空间碎片靶材图像，通过交会测量法获得空间碎片靶材的实际位置，将其与预设位置比较，据此改变电磁力大小与方向，实现空间碎片悬浮状态的闭环控制，模拟太空中空间碎片的实际运动状态。
请参阅图1所示，是本发明空间碎片磁悬浮装置一实施例的示意图。本发明一实施例的空间碎片磁悬浮装10，包括真空罐1、空间碎片靶材2、电磁线圈3、光学观察窗4及图像采集器5。
所述的真空罐1具有内部空间，用于模拟空间碎片的空间环境，空间碎片靶材2在真空罐1的内部空间运动。所述的真空罐1下部可以设置支脚6。
所述的空间碎片靶材2为利用实际空间碎片组成材料制作的靶材，具体包括但不局限于铝合金、铝氧化物、锌氧化物、钛氧化物、陶瓷、塑料、树脂或木头。
所述的电磁线圈3设置于该真空罐1上，用于产生吸引空间碎片靶材2的磁场，将空间碎片靶材2悬浮在平衡位置，并利用磁场控制空间碎片靶材2的三自由度运动。所述的电磁线圈3产生的磁场，一是用于抵消重力影响，实现空间碎片的静态悬浮，二是根据预定运行形式驱动空间碎片运动(如提供圆周运动的向心力)，模拟空间碎片的轨道运动状态。所述三自由度是指沿X、Y、Z轴方向的轴向位移。
所述的观察窗4设置于真空罐1的侧壁面，用于提供光学观察窗口，观察窗4处放置图像采集器5，为便于交会测量和模式识别算法应用，至少开设两个观察窗4，从不同角度观测空间碎片靶材2的运动情况。本实施例有三个观察窗4和图像采集器5。
所述图像采集器5用于实时采集空间碎片靶材2的图像。本实施例中，图像采集器5包括两台以上的高速像机或摄像机，经时间同步后同时采集空间碎片靶材图像。
请参阅图2所示，是本发明空间碎片磁悬浮装置的空间碎片靶材的示意图。实际空间碎片大多不具备导磁能力，空间碎片最常见为铝合金材料碎片，为模拟空间碎片悬浮效果，本发明一实施例的空间碎片靶材2加工成球形或正方体等规则形状，在空间碎片靶材2内部留有适当空间，采用上下两部分螺纹旋紧的方式连接，便于旋开后填充导磁材料(如铁、钢)、软磁材料(如硅钢片)或磁性材料(永磁铁)。
请参阅图3所示，是空间碎片靶材2的受力情况分析图。本发明的空间磁悬浮装置10使用时，空间碎片靶材2位于电磁线圈3下方。该电磁线圈3产生磁场，由此空间碎片靶材2受到的引力可分解为两部分，一是用于抵消重力影响，实现空间碎片的静态悬浮，二是根据预定运行形式驱动空间碎片运动(如提供圆周运动的向心力)，模拟空间碎片的轨道运动状态。
请参阅图4所示，是本发明基于磁悬浮的空间碎片三自由度运动控制系统的示意图。本发明的空间碎片三自由度运动控制系统100，包括，空间碎片磁悬浮装置10，控制计算机15及程控电源12。
该空间碎片磁悬浮装置10的收图像采集器5,采集空间碎片靶材2的图像信息；该控制计算机15，利用该空间碎片靶材2的图像信息，采用交会测量法实时计算空间碎片靶材2的位置参数，并与空间碎片靶材2的预设位置进行比较，由此计算电流控制信号；该程控电源12接收电流控制信号，改变空间碎片磁悬浮装置10的电磁线圈3的电流大小，进而控制空间碎片靶材2的受力及运动轨迹。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然并非用以限定本发明实施的范围，依据本发明的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种空间碎片磁悬浮方法，其特征在于包括以下步骤：
利用环形电磁线圈对具备内装有导磁材料、软磁材料或磁性材料的空间碎片靶材产生电磁作用力，在使用时，空间碎片靶材位于环形电磁线圈下方，一部分电磁作用力用于抵消空间碎片靶材的重力，另一部分电磁作用力用于提供空间碎片靶材运动的驱动力；
利用图像采集器实时记录空间碎片靶材图像；以及
通过交会测量法获得空间碎片靶材的实际位置，并与预设位置比较，据此改变电磁线圈的电磁力大小与方向，实现空间碎片靶材悬浮状态的闭环控制，模拟太空中空间碎片的实际运动状态。
2.一种空间碎片磁悬浮装置,其特征在于包括：
真空罐，具有内部空间，用于模拟空间碎片的空间环境；
空间碎片靶材，该空间碎片靶材内部设置有容纳空间，该容纳空间内填充导磁材料、软磁材料或磁性材料，在该真空罐的该内部空间内运动；
环形电磁线圈，设置于该真空罐上，用于产生吸引空间碎片靶材的磁场，所述的电磁线圈产生的磁场对该空间碎片靶材产生电磁作用力，在使用时，空间碎片靶材位于环形电磁线圈下方，一部分电磁作用力用于抵消空间碎片靶材的重力影响，实现空间碎片的静态悬浮，另一部分电磁作用力根据预定运行形式驱动空间碎片运动；以及
至少两个观察窗，设置于真空罐上，用于提供光学观察窗口，该观察窗处设置图像采集器，从不同角度采集空间碎片靶材的运动图像信息。
3.如权利要求2所述的空间碎片磁悬浮装置，其特征在于其中所述的空间碎片靶材的材料包括，铝合金、铝氧化物、锌氧化物或钛氧化物。
4.如权利要求2所述的空间碎片磁悬浮装置，其特征在于其包括至少两个图像采集器，该图像采集器是高速像机或摄像机。
5.如权利要求2所述的空间碎片磁悬浮装置，其特征在于其中所述的空间碎片靶材为球形、正方体或圆柱体。
6.一种空间碎片三自由度运动控制系统，其特征在于包括：
空间碎片磁悬浮装置，如权利要求2至5中任一权利要求所述的空间碎片磁悬浮装置，该空间碎片磁悬浮装置的图像采集器,采集空间碎片靶材的图像信息；
控制计算机，利用该空间碎片靶材的图像信息，采用交会测量法实时计算空间碎片靶材的位置参数，并与空间碎片靶材的预设位置进行比较，由此计算电流控制信号；以及
程控电源，接收该电流控制信号，改变空间碎片磁悬浮装置的电磁线圈的电流大小，以控制空间碎片靶材的运动轨迹。
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