CN105321398B - 一种六自由度气浮式运动模拟器 - Google Patents

Abstract

一种六自由度气浮式运动模拟器，包括平动平台和姿态平台，平动平台包括球面气浮轴承、防侧翻机械限位装置、升降柱组件、第一气压管路、第一控制器、三个平面气浮轴承、平动平台安装面板以及平动平台锂电池，姿态平台包括姿态平台安装面板、2N个气瓶、第二气压管路、iGPS、四组冷气喷嘴、惯性导航系统、第二控制器、三个飞轮、质心调节系统以及姿态平台锂电池，平动平台完成平动平台X、Y两个方向的平移运动，姿态平台完成姿态平台沿本体坐标系X、Y、Z三个方向的旋转运动和Z轴的平移运动，从而实现航天器空间姿态旋转运动和轨道平移运动的模拟。

Description

一种六自由度气浮式运动模拟器

技术领域

本发明涉及一种基于气浮原理的模拟卫星等航天器空间活动的六自由度运动模拟器，属于空间飞行器半实物仿真领域。

背景技术

空间拦截用六自由度气浮模拟器是躲避机动半实物仿真系统的核心组成部分，其核心功能是根据躲避机动总控系统控制命令，实现EKV对躲避级气浮模拟器(进攻方)的跟踪运动。

近年来，在引进国外先进气浮仿真试验系统的基础上，国内一些重点院校及研究机构对气浮仿真试验系统的一些性能和用途进行过研究，但主要应用于空间交会对接等相对速度较低的领域，并未在气浮平台上开展高速目标对抗试验。

另外，目前的六自由度气浮式运动模拟器的平动平台(TP平台)采用电机推动的假自由度，运动有失真，不能完全模拟空间的失重运动特性，；姿态平台的姿态控制通过喷嘴实现，精度不高，响应速度慢，不适用于高速运动场合；定位采用负载的视觉系统，精度不高且结构复杂。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种六自由度气浮式运动模拟器，实现在地面环境下对卫星等航天器轨道及姿态空间运动的有效模拟。

本发明的技术解决方案是：一种六自由度气浮式运动模拟器，包括平动平台和姿态平台；

所述平动平台包括球面气浮轴承、防侧翻机械限位装置、升降柱组件、第一气压管路、第一控制器、三个平面气浮轴承、平动平台安装面板以及平动平台锂电池；所述平动平台安装面板为圆形；三个平面气浮轴承均布在平动平台安装面板下表面，用于支撑平动平台；升降柱组件、第一气压管路和第一控制器均安装在平动平台安装面板上表面，且升降柱组件位于平动平台安装面板的中心位置；防侧翻机械限位装置安装在升降柱组件上，用于限制姿态平台的倾斜角度；球面气浮轴承安装在升降柱组件的顶端；

所述升降柱组件包括平衡块、2m个气罐、2n个滑轮组、钢丝、2m个放气装置、内支撑柱和外支撑柱；外支撑柱为中空圆柱体，内支撑柱位于外支撑柱内，且与外支撑柱共轴，平衡块为圆环状，可滑动地套装在外支撑柱外壁上，钢丝绕过滑轮组连接内支撑柱和平衡块，2n个滑轮组均布在外支撑柱外壁上；2m个气罐均布在平衡块上，每个放气装置与一个气罐连接，用于为对应的气罐放气；

所述第一气压管路用于为球面气浮轴承和三个平面气浮轴承供气；所述第一控制器接收地面控制系统的启动指令，根据地面控制系统的启动指令控制第一气压管路的接通和关断；第一控制器还用于采集第一气压管路的压力并输出给地面控制系统；

平动平台锂电池安装在平动平台安装面板上表面，用于为平动平台供电；

所述姿态平台包括姿态平台安装面板、2N个气瓶、第二气压管路、iGPS、四组冷气喷嘴、惯性导航系统、第二控制器、三个飞轮、质心调节系统以及姿态平台锂电池；N为不为0的自然数；

所述姿态平台安装面板为圆形，中心位置开有用于连接球面气浮轴承的孔；2N个气瓶对称布置在姿态平台安装面板上，且气瓶嘴均朝向姿态平台安装面板的圆心；四组冷气喷嘴均匀布置在姿态平台安装面板上，每组冷气喷嘴包括四个冷气喷嘴，分别沿本体坐标系的X轴、Y轴、Z轴正向、Z轴负向安装；三个飞轮沿本体坐标系的X、Y、Z轴安装在姿态平台安装面板上；

第二气压管路、iGPS、惯性导航系统、第二控制器以及质心调节系统均安装在姿态平台安装面板上，所述第二气压管路在第二控制器的控制下为四组冷气喷嘴供气；iGPS用于精确测量六自由度气浮式运动模拟器空间坐标位置并输出给第二控制器；惯性导航系统用于实时采集姿态平台的角速度和转矩并反馈给第二控制器；质心调节系统用于调节姿态平台的质心与球面气浮轴承的球心重合；

第二控制器接收地面控制系统的位置移动指令，根据该指令和iGPS实时输出的模拟器空间位置坐标，控制第二气压管路的接通和关断，实现六自由度气浮式运动模拟器沿平动平台X、Y轴方向移动；第二控制器接收地面控制系统的姿态旋转指令和高度调节指令，根据姿态旋转指令以及惯性导航系统反馈的姿态平台角速度和转矩，控制第二气压管路的接通和关断以及飞轮的角速度和转矩，实现六自由度气浮式运动模拟器姿态平台沿本体坐标系X、Y、Z轴旋转；第二控制器与升降柱组件上2m个放气装置连接，根据高度调节指令控制第二气压管路的接通和关断，以及放气装置放气，实现姿态平台沿本体坐标系Z轴方向的移动；第二控制器还用于将姿态平台的角速度、转矩和高度以及第二气压管路的压力输出给地面控制系统；

姿态平台锂电池安装在姿态平台安装面板上表面，用于为姿态平台供电；

平动平台的X、Y、Z轴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。

所述外支撑柱为内外壁光滑的中空圆柱体。

所述姿态平台安装面板包括上面板和下面板，下面板中心位置开有用于连接球面气浮轴承的孔，2N个气瓶均匀布置在上面板和下面板之间，第二气压管路、iGPS、四组冷气喷嘴、惯性导航系统、第二控制器、三个飞轮、质心调节系统以及锂电池安装在上面板或下面板上。

所述第一气压管路包括第一高压气瓶组、第一减压阀、第二减压阀、第三减压阀、第一安全阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一稳压气容、第二稳压气容、第一开关阀、第二开关阀和第一截止阀；

第一高压气瓶组与第一减压阀的输入端连接，第一减压阀的输出端同时与第一压力传感器、第二减压阀的输入端以及第三减压阀的输入端连接，第二减压阀的输出端同时与第二压力传感器以及第一稳压气容的一端连接，第一稳压气容的另一端通过第一开关阀与球面气浮轴承连接；第三减压阀的输出端同时与第三压力传感器以及第二稳压气容的一端连接，第二稳压气容的另一端通过第二开关阀与三个平面气浮轴承连接；第一高压气瓶组同时与第一安全阀以及第一截止阀连接；

所述第二减压阀和第三减压阀的输入气压相同，第一减压阀的输入气压高于第二减压阀和第三减压阀的输入气压；

所述第二压力传感器和第三压力传感器的输入气压相同，第一压力传感器的输入气压高于第二压力传感器和第三压力传感器的输入气压。

所述第二气压管路包括第二高压气瓶组、第四减压阀、第五减压阀、第四压力传感器、第五压力传感器、第三稳压气容、第三开关阀、第二安全阀和第二截止阀；

第二高压气瓶组与第四减压阀的输入端连接，第四减压阀的输出端同时与第四压力传感器以及第五减压阀的输入端连接，第五减压阀的输出端同时与第五压力传感器以及第三稳压气容的一端连接，第三稳压气容的另一端与第三开关阀的一端连接，第三开关阀的另一端与四组冷气喷嘴连接；第二高压气瓶组同时与二安全阀以及第二截止阀连接；

所述第四减压阀的输入气压高于第五减压阀的输入气压；

所述第四压力传感器的输入气压高于第五压力传感器的输入气压。

所述防侧翻机械限位装置为一个圆环状的平板，可拆卸地安装在升降柱组件上端，且圆环状平板上还覆盖一层缓冲材料。

所述第二控制器实现六自由度气浮式运动模拟器姿态平台沿本体坐标系X、Y、Z轴旋转的方法为：

(7.1)第二控制器根据惯性导航系统反馈的姿态平台姿态角速度计算姿态平台当前姿态角，并根据地面控制系统发送的姿态旋转指令计算姿态平台的目标姿态角，计算姿态平台当前姿态角与姿态平台目标姿态角之间的姿态角偏差；

(7.2)第二控制器判断姿态角偏差是否大于预先设定的阈值，如果大于，则第二控制器通过控制第二气压管路的接通和关断来控制冷气喷嘴工作，从而对姿态平台的姿态角和转矩进行控制，使姿态平台沿本体坐标系X、Y、Z轴旋转，当其姿态角接近目标姿态角时进入步骤(7.3)；如果姿态角偏差不大于预先设定的阈值，则进入步骤(7.4)；

(7.3)第二控制器根据惯性导航系统反馈的姿态平台角速度计算当前姿态平台姿态角，并计算与姿态平台目标姿态角之间的姿态角偏差，进入步骤(7.4)；

(7.4)第二控制器根据姿态角偏差以及惯性导航系统反馈的转矩，分别计算X、Y、Z三个方向上飞轮需要的角速度和转矩，通过飞轮的角速度和转矩控制姿态平台沿本体坐标系X、Y、Z轴旋转，直到姿态平台的姿态角达到目标姿态角。。

所述第二控制器实现姿态平台沿本体坐标系Z轴方向的移动的方法为：

(8.1)第二控制器根据地面控制系统的高度调节指令，通过控制第二气压管路控制冷气喷嘴向高度调节方向的反方向喷气；

(8.2)第二控制器同时控制升降柱组件上的放气装置释放气体，释放气体的质量与冷气喷嘴喷出的气体质量相等；

(8.3)当升降柱组件沿本体坐标系Z轴方向移动到地面控制系统高度调节指令指定的高度时，第二控制器控制第二气压管路全部关断，使冷气喷嘴停止工作，同时关闭放气装置，完成姿态平台沿本体坐标系Z轴方向的移动。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明平动平台采用平衡块和滑轮组结合的升降柱组件实现，升降柱组件上的放气装置和姿态平台上的喷嘴同步释放等质量的气体，实时保持姿态平台悬浮在任意位置高度，使六自由度气浮式运动模拟器高度可任意调节，从而便于模拟器与其他任意高度的模拟器无缝对接；在高度方向上的自由度实现了真自由度，可以更加逼真的模拟空间飞行器在空间的失重运动。

(2)本发明平动平台还设计了防侧翻机械限位装置，一方面用于在六自由度气浮式运动模拟器运动时限制姿态平台的倾斜角度，另一方面在六自由度气浮式运动模拟器停止工作时供姿态平台停靠，且防侧翻机械限位装置上的缓冲材料能防止姿态平台受到损伤；

(3)本发明通过将姿态平台安装面板分为上面板和下面板，将气瓶均匀布置在上面板和下面板之间，优化了布局结构，使得气瓶数量较现有模拟器大幅增加，延长了运动模拟器的工作时间；同时姿态平台上的气瓶与台体质心位于同一平面内，均匀布置，使得在气瓶喷气完成后仍然保持姿态平台质心位置不变；

(4)现有六自由度气浮式运动模拟器一般仅通过喷嘴实现姿态调节，控制精度不高，控制难度大，控制位置不连续，本发明的姿态平台在安装喷嘴的同时还带有飞轮，利用飞轮和喷嘴组合控制，从而提高了姿态调节精度，且控制位置连续可调；

(5)本发明的第一气压管路和第二气压管路采用两级减压设计，较单级减压方式相比能够很好的保证气流稳定；同时第一气压管路和第二气压管路均增加了压力传感器，可以实时采集压力并输出给地面控制系统，当压力过低时进行报警，防止因压力不足对气浮式运动模拟器造成损伤；

(6)本发明在第一气压管路4和第二气压管路10的低压减压阀前端均有空气过滤器，以保证气路中气体的洁净度，防止堵塞，确保了气浮运动模拟器能够正常可靠工作；

(7)本发明用iGPS代替目前六自由度气浮式运动模拟器中复杂的视觉模拟系统，简化了设计，提高了定位精度。

附图说明

图1为本发明六自由度气浮式运动模拟器示意图；

图2为本发明平动平台示意图；

图3为本发明采用双层布局的姿态平台示意图；

图4为本发明第一气压管路示意图；

图5为本发明第二气压管路示意图；

图6为本发明升降柱组件示意图。

具体实施方式

气浮式运动模拟器可以在地面用来模拟航天器微重力情况下的空间活动，这是研制卫星等航天器过程中特有的一种地面全物理仿真方法，与数学仿真相比，直接以硬件接入回路，对于验证航天器控制系统方案设计的正确性，检验实际控制系统的功能和性能十分重要。

如图1所示，本发明设计的六自由度气浮式运动模拟器分为平动平台(TP平台)和姿态平台(AP平台)，TP平台完成TP平台X、Y两个方向的平移运动，AP平台完成沿本体坐标系X、Y、Z三个方向(俯仰轴、横滚轴、偏航轴)的旋转运动X和Z轴(高度方向上)的平移运动，两个平台之间通过球面气浮轴承之间的气膜隔离开。本发明实现了航天器空间姿态旋转运动和轨道平移运动的模拟。

如图2所示平动平台示意图，平动平台(TP平台)包括球面气浮轴承1、防侧翻机械限位装置2、升降柱组件3、第一气压管路4、第一控制器5、三个平面气浮轴承6、平动平台安装面板7以及平动平台锂电池；平动平台安装面板7为圆形；三个平面气浮轴承6均布在平动平台安装面板7下表面，用于支撑平动平台；升降柱组件3、第一气压管路4和第一控制器5均安装在平动平台安装面板7上表面，且升降柱组件3位于平动平台安装面板7的中心位置。防侧翻机械限位装置2为一个圆环状的平板，可拆卸地安装在升降柱组件3上端。防侧翻机械限位装置2用于限制姿态平台的倾斜角度，球面气浮轴承1安装在升降柱组件3的顶端。圆防侧翻机械限位装置上还覆盖一层缓冲材料，当姿态平台需要停止或运动超出预期倾斜角度而接触到防侧翻机械限位装置时，缓冲材料可以放置姿态平台受损。

如图6所示，升降柱组件3包括平衡块39、2m个气罐40、2n个滑轮组41、钢丝42、2m个放气装置43、内支撑柱44和外支撑柱45；外支撑柱45为中空圆柱体，内支撑柱44位于外支撑柱45内，且与外支撑柱45共轴，平衡块39为圆环状，可滑动地套装在外支撑柱45外壁上，钢丝42绕过滑轮组41连接内支撑柱44和平衡块39，2n个滑轮组41均布在外支撑柱45外壁上；2m个气罐40均布在平衡块39上，每一个放气装置43与一个气罐40连接，用于为对应的气罐40放气。

升降柱组件3为可姿态平台提供高度方向上的自由度，姿态平台的内支撑柱44可以在外支撑柱45上自由移动。

第一气压管路4用于为球面气浮轴承1和三个平面气浮轴承6供气；第一控制器5接收地面控制系统的启动指令，根据地面控制系统的启动指令控制第一气压管路4的接通和关断；第一控制器5还用于采集第一气压管路4的压力并输出给地面控制系统。当第一气压管路4的压力过低时，第一控制器5产生报警信号。

平动平台锂电池安装在平动平台安装面板7上表面，用于为平动平台供电。TP平台通过三个平面气浮轴承6浮在水平面上，TP平台上的球面气浮轴承用于连接AP平台。

如图3所示为本发明姿态平台示意图，姿态平台包括姿态平台安装面板8、2N个气瓶9、第二气压管路10、iGPS 11、四组冷气喷嘴12、惯性导航系统13、第二控制器14、三个飞轮15、质心调节系统16以及姿态平台锂电池；N为不为0的自然数，如N＝4。

所述姿态平台安装面板8为圆形，中心位置开有用于连接球面气浮轴承1的孔；2N个气瓶9(如8个3L的气瓶)对称布置在姿态平台安装面板8上；四组冷气喷嘴12均匀布置在姿态平台安装面板8上，每组冷气喷嘴包括四个冷气喷嘴，分别沿本体坐标系的X轴、Y轴、Z轴正向、Z轴负向安装；三个飞轮15沿本体坐标系的X、Y、Z轴安装在姿态平台安装面板8上；

第二气压管路10、iGPS 11、惯性导航系统13、第二控制器14以及质心调节系统16均安装在姿态平台安装面板8上，所述第二气压管路10用于为四组冷气喷嘴12供气；iGPS11用于精确测量六自由度气浮式运动模拟器空间坐标位置并输出给地面控制系统；惯性导航系统13用于实时采集姿态平台的角速度和转矩并反馈给第二控制器14；质心调节系统16用于调节姿态平台的质心与球面气浮轴承1的球心重合；

第二控制器14接收地面控制系统的位置移动指令，通过控制第二气压管路10的接通和关断，实现六自由度气浮式运动模拟器沿平动平台X、Y两个方向的平移运动；第二控制器14接收地面控制系统的姿态旋转指令和高度调节指令，根据姿态旋转指令以及惯性导航系统13反馈的姿态平台角速度和转矩，控制第二气压管路10的接通和关断以及飞轮15的角速度和转矩，实现六自由度气浮式运动模拟器姿态平台沿本体坐标系X、Y、Z轴旋转(通过冷气喷嘴12实现六自由度气浮式运动模拟器姿态平台姿态的粗略控制；控制飞轮15的角速度和转矩，实现姿态平台姿态的精确控制)；第二控制器14与升降柱组件3上2m个放气装置43连接，根据高度调节指令控制第二气压管路10的接通和关断，以及放气装置43放气，实现姿态平台沿本体坐标系Z轴方向的移动；第二控制器14还用于将姿态平台的角速度、转矩和高度以及第二气压管路10的压力输出给地面控制系统；当第二气压管路10的压力过低时，第二控制器14产生报警信号。

由于冷气喷嘴12喷气是不连续的，因此通过冷气喷嘴12对模拟器的姿态调节很可能是不精确的，本次喷气没到达预定位置和姿态，下次再喷气就可能超过了要求，因此本发明采用飞轮进行精确控制。

姿态平台锂电池安装在姿态平台安装面板8上表面，用于为姿态平台供电。

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。

平动平台的X、Y、Z轴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。

为了布局和延长模拟器工作时间考虑，姿态平台安装面板8可进一步设计为包括上面板和下面板，下面板中心位置开有用于连接球面气浮轴承1的孔，2N个气瓶9均匀布置在上面板和下面板之间，气瓶嘴均朝向姿态平台质心。第二气压管路10、iGPS 11、四组冷气喷嘴12、惯性导航系统13、第二控制器14、三个飞轮15、质心调节系统16以及锂电池安装在上面板或下面板上。这样设计后，姿态平台上可安装的气瓶数量较现有模拟器大幅增加，从而延长了运动模拟器的工作时间。

第一气压管路4和第二气压管路10均由高压气瓶中的高压气经过两级减压，减至0.5MPa，为平面气浮轴承、球面气浮轴承和冷气喷嘴供气。第一气压管路4和第二气压管路10均采用0.75L稳压气容来稳定气路气压，采用压力传感器来监控高压气路和低压气路的压力。为了使AP平台和TP平台的质心和与球面气浮轴承1的球心尽可能重合，TP平台的质心与TP平台的中心(X、Y方向)尽可能重合，第一气压管路4中的高压气瓶沿TP平台的中心对称均匀分布。第二气压管路10中的高压气瓶沿AP平台的中心对称均匀分布。

如图4所示，第一气压管路4包括第一高压气瓶组17、第一减压阀18、第二减压阀19、第三减压阀20、第一安全阀21、第一压力传感器22、第二压力传感器23、第三压力传感器24、第一稳压气容25、第二稳压气容26、第一开关阀27、第二开关阀28、第一截止阀29；

第一高压气瓶组17(包括多个高压气瓶)与第一减压阀18的输入端连接，第一减压阀18的输出端同时与第一压力传感器22、第二减压阀19的输入端以及第三减压阀20的输入端连接，第二减压阀19的输出端同时与第二压力传感器23以及第一稳压气容25的一端连接，第一稳压气容25的另一端通过第一开关阀27与球面气浮轴承1连接；第三减压阀20的输出端同时与第三压力传感器24以及第二稳压气容26的一端连接，第二稳压气容26的另一端通过第二开关阀28与三个平面气浮轴承6连接；第一高压气瓶组17同时与第一安全阀21以及第一截止阀29连接；

所述第二减压阀19和第三减压阀20的输入气压相同，第一减压阀18的输入气压高于第二减压阀19和第三减压阀20的输入气压，即第一减压阀18作为高压减压阀，第二减压阀19和第三减压阀20为低压减压阀；

所述第二压力传感器23和第三压力传感器24的输入气压相同，第一压力传感器22的输入气压高于第二压力传感器23和第三压力传感器24的输入气压，即第二压力传感器23作为高压压力传感器，第三压力传感器24作为低压压力传感器。

第一控制器5通过控制第一开关阀27和第二开关阀28的开通和截止来控制第一气压管路的接通和关断。

如图5所示，第二气压管路10包括第二高压气瓶组30、第四减压阀31、第五减压阀32、第四压力传感器33、第五压力传感器34、第三稳压气容35、第三开关阀36、第二安全阀37和第二截止阀38；

第二高压气瓶组30(包括多个高压气瓶)与第四减压阀31的输入端连接，第四减压阀31的输出端同时与第四压力传感器33以及第五减压阀32的输入端连接，第五减压阀32的输出端同时与第五压力传感器34以及第三稳压气容35的一端连接，第三稳压气容35的另一端与第三开关阀36的一端连接，第三开关阀36的另一端与四组冷气喷嘴连接；第二高压气瓶组30同时与二安全阀37以及第二截止阀38连接；

第四减压阀31输入气压高于第五减压阀32的输入气压，即第四减压阀31作为高压减压阀，第五减压阀32作为低压减压阀。

第四压力传感器33的输入气压高于第五压力传感器34的输入气压，即第四压力传感器33作为高压压力传感器，第五压力传感器34作为低压压力传感器。

为了保证气路中气体的洁净度，还可以进一步在第一气压管路4的低压减压阀前端以及第二气压管路10第三开关阀36前端设置空气过滤器。

第二控制器通过控制第三开关阀36的开通和截止来控制第二气压管路的接通和关断。

第一气压管路4和第二气压管路10首先需要考虑的是高压气瓶容量及工作压力的确定，模拟不同的空间运动所需的工作时间不同，依据气浮轴承耗气量及综合体积尺寸的限制，可以计算出高压气瓶的容积大小及需要充入气体的压力大小。例如，第一气压管路4采用4个体积12L的碳纤维缠绕式高压气瓶对称布置来提供气源，第二气压管路10采用8个体积3L的碳纤维缠绕式高压气瓶对称布置来提供气源，每个气瓶充入15MPa额定工作压力时模拟器可工作时间大于45min，能够很好的保证气浮台稳定工作。

在试验之前，通过截止阀向高压气瓶中充入高压氮气，高压气瓶额定工作压力30MPa，由于气浮轴承正常工作压力在0.3MPa～0.5MPa之间，且流量较小，如采用单级减压方式不能很好的保证气流稳定，所以第一气压管路4和第二气压管路10均采用的是2级调压方式，第1级高压减压阀将气瓶中高压气体调压至1MPa，第2级低压减压阀将压力稳定在工作压力处。球面气浮轴承通过第一开关阀27控制，平面气浮轴承通过第三开关阀36控制，方便进行调试。由于气浮轴承的节流孔口径非常小，虽然高压氮气已经比较纯净，但是为了保证气路中气体的洁净度，还可以进一步在回路当中串接过滤精度5μm的过滤器以防止堵塞。

冷气喷嘴和飞轮组成动作执行系统。模拟器工作时，第二控制器14控制第二气压管路10接通，为冷气喷嘴供气，冷气喷嘴产生的反推力作为控制力，经过球面气浮轴承之间气膜的传递作用，推动整个六自由度运动模拟器实现沿平动平台X、Y轴2个方向的平移运动；同时AP平台在冷气喷嘴产生的控制力矩或其它飞轮等装置的作用下，可以绕球心实现横滚轴、俯仰轴、偏航轴3个轴的转动，以及Z轴上的平动(高度调节)。

在进行位置、姿态和高度调节时，将六自由度气浮式运动模拟器的电路和气路打开，平动平台锂电池给第一控制器5、第二控制器14和iGPS 11、惯性导航系统13供电，第一气压管路4给平面气浮轴承和球面气浮轴承供气，打开第一开关阀27，第二开关阀28，将模拟器浮起来。接下来进行位置、姿态和高度调节。动作机构为冷气喷嘴12和飞轮15。

第二控制器14接收地面控制系统的位置移动指令时，根据该指令控制第二气压管路10的接通和关断，从而控制冷气喷嘴工作，通过冷气喷嘴12对模拟器的位置进行调整。iGPS 11采集当前的空间位置坐标，返回到第二控制器14，由第二控制器14解算出对应冷气喷嘴12的控制率，使模拟器移动到预定的位置。

第二控制器14接收地面控制系统的姿态旋转指令时，为飞轮15设定一个阈值，由惯性导航系统13采集当前姿态平台角速度和转矩，返回到第二控制器14，由第二控制器14做出判断，当姿态角度偏差大于这个阈值即运动模拟器需要在大范围内调整时，第二控制器14控制冷气喷嘴12的控制率，使用冷气喷嘴12进行姿态控制；当姿态角度偏差小于这个阈值时，表明航天器要在小范围内微调，此时则采用飞轮对姿态进行控制，第二控制器14控制飞轮15，由第二控制器14解算出相应飞轮的角速度和转矩。具体方法如下：

(1)第二控制器14根据惯性导航系统13反馈的姿态平台姿态角速度计算姿态平台当前姿态角，并根据地面控制系统发送的姿态旋转指令计算姿态平台的目标姿态角，计算姿态平台当前姿态角与姿态平台目标姿态角之间的姿态角偏差；

(2)第二控制器14判断姿态角偏差是否大于预先设定的阈值，如果大于，则第二控制器14通过控制第二气压管路10的接通和关断来控制X轴、Y轴、Z轴正向、Z轴负向冷气喷嘴12的工作和关闭，从而对姿态平台的姿态角和转矩进行控制，使姿态平台沿本体坐标系X、Y、Z轴旋转，当其姿态角接近目标姿态角时进入步骤(3)；如果姿态角偏差不大于预先设定的阈值，则进入步骤(4)；

(3)第二控制器14根据惯性导航系统13反馈的姿态平台角速度计算当前姿态平台姿态角，并计算与姿态平台目标姿态角之间的姿态角偏差，进入步骤(4)；

(4)第二控制器14根据姿态角偏差以及惯性导航系统13反馈的转矩，分别计算X、Y、Z三个方向上飞轮15需要的角速度和转矩，通过飞轮15的角速度和转矩控制姿态平台沿本体坐标系X、Y、Z轴旋转，直到姿态平台的姿态角达到目标姿态角。

第二控制器14接受地面控制系统的高度调节指令时，控制冷气喷嘴12向高度调节方向的反方向喷气，同时控制升降柱组件3上的放气装置同步释放等质量的气体，使姿态平台随时保持受力平衡，由冷气喷嘴12施加的反作用力调节姿态平台的高度位置。当姿态平台沿Z轴移动到位后，第二控制器14控制第二气压管路10全部关断，使冷气喷嘴12停止工作，同时关闭放气装置43。

本发明结合平面气浮轴承和球面气浮轴承的特点，可使六自由度气浮式运动模拟器具有俯仰、偏航和横滚轴低摩擦、微重力力矩的转动能力以及在平面低摩擦、微干扰的平移运动能力，可以模拟空间飞行器在太空中的轨道机动和姿态转动。

本发明可用于卫星姿态控制、卫星编队飞行、空间组合体对接、空间机械臂研制、空间轨道机动、空间攻击及突防战略武器系统研制等多种空间智能飞行器的地面全物理仿真，可作为空间智能飞行器标配的地面仿真及模拟系统。

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。

Claims (8)

1.一种六自由度气浮式运动模拟器，其特征在于：包括平动平台和姿态平台；

所述平动平台包括球面气浮轴承(1)、防侧翻机械限位装置(2)、升降柱组件(3)、第一气压管路(4)、第一控制器(5)、三个平面气浮轴承(6)、平动平台安装面板(7)以及平动平台锂电池；所述平动平台安装面板(7)为圆形；三个平面气浮轴承(6)均布在平动平台安装面板(7)下表面，用于支撑平动平台；升降柱组件(3)、第一气压管路(4)和第一控制器(5)均安装在平动平台安装面板(7)上表面，且升降柱组件(3)位于平动平台安装面板(7)的中心位置；防侧翻机械限位装置(2)安装在升降柱组件(3)上，用于限制姿态平台的倾斜角度；球面气浮轴承(1)安装在升降柱组件(3)的顶端；

所述升降柱组件(3)包括平衡块(39)、2m个气罐(40)、2n个滑轮组(41)、钢丝(42)、2m个放气装置(43)、内支撑柱(44)和外支撑柱(45)；外支撑柱(45)为中空圆柱体，内支撑柱(44)位于外支撑柱(45)内，且与外支撑柱(45)共轴，平衡块(39)为圆环状，可滑动地套装在外支撑柱(45)外壁上，钢丝(42)绕过滑轮组(41)连接内支撑柱(44)和平衡块(39)，2n个滑轮组(41)均布在外支撑柱(45)外壁上；2m个气罐(40)均布在平衡块(39)上，每个放气装置(43)与一个气罐(40)连接，用于为对应的气罐(40)放气；

所述第一气压管路(4)用于为球面气浮轴承(1)和三个平面气浮轴承(6)供气；所述第一控制器(5)接收地面控制系统的启动指令，根据地面控制系统的启动指令控制第一气压管路(4)的接通和关断；第一控制器(5)还用于采集第一气压管路(4)的压力并输出给地面控制系统；

平动平台锂电池安装在平动平台安装面板(7)上表面，用于为平动平台供电；

所述姿态平台包括姿态平台安装面板(8)、2N个气瓶(9)、第二气压管路(10)、iGPS(11)、四组冷气喷嘴(12)、惯性导航系统(13)、第二控制器(14)、三个飞轮(15)、质心调节系统(16)以及姿态平台锂电池；N为不为0的自然数；

所述姿态平台安装面板(8)为圆形，中心位置开有用于连接球面气浮轴承(1)的孔；2N个气瓶(9)对称布置在姿态平台安装面板(8)上，且气瓶嘴均朝向姿态平台安装面板(8)的圆心；四组冷气喷嘴(12)均匀布置在姿态平台安装面板(8)上，每组冷气喷嘴包括四个冷气喷嘴，分别沿本体坐标系的X轴、Y轴、Z轴正向、Z轴负向安装；三个飞轮(15)沿本体坐标系的X、Y、Z轴安装在姿态平台安装面板(8)上；

第二气压管路(10)、iGPS(11)、惯性导航系统(13)、第二控制器(14)以及质心调节系统(16)均安装在姿态平台安装面板(8)上，所述第二气压管路(10)在第二控制器(14)的控制下为四组冷气喷嘴(12)供气；iGPS(11)用于精确测量六自由度气浮式运动模拟器空间坐标位置并输出给第二控制器(14)；惯性导航系统(13)用于实时采集姿态平台的角速度和转矩并反馈给第二控制器(14)；质心调节系统(16)用于调节姿态平台的质心与球面气浮轴承(1)的球心重合；

第二控制器(14)接收地面控制系统的位置移动指令，根据该指令和iGPS(11)实时输出的模拟器空间位置坐标，控制第二气压管路(10)的接通和关断，实现六自由度气浮式运动模拟器沿平动平台X、Y轴方向移动；第二控制器(14)接收地面控制系统的姿态旋转指令和高度调节指令，根据姿态旋转指令以及惯性导航系统(13)反馈的姿态平台角速度和转矩，控制第二气压管路(10)的接通和关断以及飞轮(15)的角速度和转矩，实现六自由度气浮式运动模拟器姿态平台沿本体坐标系X、Y、Z轴旋转；第二控制器(14)与升降柱组件(3)上2m个放气装置(43)连接，根据高度调节指令控制第二气压管路(10)的接通和关断，以及放气装置(43)放气，实现姿态平台沿本体坐标系 Z轴方向的移动；第二控制器(14)还用于将姿态平台的角速度、转矩和高度以及第二气压管路(10)的压力输出给地面控制系统；

姿态平台锂电池安装在姿态平台安装面板(8)上表面，用于为姿态平台供电；

平动平台的X、Y、Z轴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。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度气浮式运动模拟器，其特征在于：所述外支撑柱(45)为内外壁光滑的中空圆柱体。

3.根据权利要求1所述的一种六自由度气浮式运动模拟器，其特征在于：所述姿态平台安装面板(8)包括上面板和下面板，下面板中心位置开有用于连接球面气浮轴承(1)的孔，2N个气瓶(9)均匀布置在上面板和下面板之间，第二气压管路(10)、iGPS(11)、四组冷气喷嘴(12)、惯性导航系统(13)、第二控制器(14)、三个飞轮(15)、质心调节系统(16)以及锂电池安装在上面板或下面板上。

4.根据权利要求1所述的一种六自由度气浮式运动模拟器，其特征在于：所述第一气压管路(4)包括第一高压气瓶组(17)、第一减压阀(18)、第二减压阀(19)、第三减压阀(20)、第一安全阀(21)、第一压力传感器(22)、第二压力传感器(23)、第三压力传感器(24)、第一稳压气容(25)、第二稳压气容(26)、第一开关阀(27)、第二开关阀(28)和第一截止阀(29)；

第一高压气瓶组(17)与第一减压阀(18)的输入端连接，第一减压阀(18)的输出端同时与第一压力传感器(22)、第二减压阀(19)的输入端以及第三减压阀(20)的输入端连接，第二减压阀(19)的输出端同时与第二压力传感器(23)以及第一稳压气容(25)的一端连接，第一稳压气容(25)的另一端 通过第一开关阀(27)与球面气浮轴承(1)连接；第三减压阀(20)的输出端同时与第三压力传感器(24)以及第二稳压气容(26)的一端连接，第二稳压气容(26)的另一端通过第二开关阀(28)与三个平面气浮轴承(6)连接；第一高压气瓶组(17)同时与第一安全阀(21)以及第一截止阀(29)连接；

所述第二减压阀(19)和第三减压阀(20)的输入气压相同，第一减压阀(18)的输入气压高于第二减压阀(19)和第三减压阀(20)的输入气压；

所述第二压力传感器(23)和第三压力传感器(24)的输入气压相同，第一压力传感器(22)的输入气压高于第二压力传感器(23)和第三压力传感器(24)的输入气压。

5.根据权利要求1所述的一种六自由度气浮式运动模拟器，其特征在于：所述第二气压管路(10)包括第二高压气瓶组(30)、第四减压阀(31)、第五减压阀(32)、第四压力传感器(33)、第五压力传感器(34)、第三稳压气容(35)、第三开关阀(36)、第二安全阀(37)和第二截止阀(38)；

第二高压气瓶组(30)与第四减压阀(31)的输入端连接，第四减压阀(31)的输出端同时与第四压力传感器(33)以及第五减压阀(32)的输入端连接，第五减压阀(32)的输出端同时与第五压力传感器(34)以及第三稳压气容(35)的一端连接，第三稳压气容(35)的另一端与第三开关阀(36)的一端连接，第三开关阀(36)的另一端与四组冷气喷嘴连接；第二高压气瓶组(30)同时与第二安全阀(37)以及第二截止阀(38)连接；

所述第四减压阀(31)的输入气压高于第五减压阀(32)的输入气压；

所述第四压力传感器(33)的输入气压高于第五压力传感器(34)的输入气压。

6.根据权利要求1所述的一种六自由度气浮式运动模拟器，其特征在于：所述防侧翻机械限位装置(2)为一个圆环状的平板，可拆卸地安装在升降柱组件(3)上端，且圆环状平板上还覆盖一层缓冲材料。

7.根据权利要求1所述的一种六自由度气浮式运动模拟器，其特征在于：所述第二控制器(14)实现六自由度气浮式运动模拟器姿态平台沿本体坐标系X、Y、Z轴旋转的方法为：

(7.1)第二控制器(14)根据惯性导航系统(13)反馈的姿态平台姿态角速度计算姿态平台当前姿态角，并根据地面控制系统发送的姿态旋转指令计算姿态平台的目标姿态角，计算姿态平台当前姿态角与姿态平台目标姿态角之间的姿态角偏差；

(7.2)第二控制器(14)判断姿态角偏差是否大于预先设定的阈值，如果大于，则第二控制器(14)通过控制第二气压管路(10)的接通和关断来控制冷气喷嘴(12)工作，从而对姿态平台的姿态角和转矩进行控制，使姿态平台沿本体坐标系X、Y、Z轴旋转，当其姿态角接近目标姿态角时进入步骤(7.3)；如果姿态角偏差不大于预先设定的阈值，则进入步骤(7.4)；

(7.3)第二控制器(14)根据惯性导航系统(13)反馈的姿态平台角速度计算当前姿态平台姿态角，并计算与姿态平台目标姿态角之间的姿态角偏差，进入步骤(7.4)；

(7.4)第二控制器(14)根据姿态角偏差以及惯性导航系统(13)反馈的转矩，分别计算X、Y、Z三个方向上飞轮(15)需要的角速度和转矩，通过飞轮(15)的角速度和转矩控制姿态平台沿本体坐标系X、Y、Z轴旋转，直到姿态平台的姿态角达到目标姿态角。

8.根据权利要求1所述的一种六自由度气浮式运动模拟器，其特征在于：所述第二控制器(14)实现姿态平台沿本体坐标系Z轴方向的移动的方法为：

(8.1)第二控制器(14)根据地面控制系统的高度调节指令，通过控制第二气压管路(10)控制冷气喷嘴(12)向高度调节方向的反方向喷气；

(8.2)第二控制器(14)同时控制升降柱组件(3)上的放气装置(43)释放气体，释放气体的质量与冷气喷嘴(12)喷出的气体质量相等；

(8.3)当升降柱组件(3)沿本体坐标系Z轴方向移动到地面控制系统高 度调节指令指定的高度时，第二控制器(14)控制第二气压管路(10)全部关断，使冷气喷嘴(12)停止工作，同时关闭放气装置(43)，完成姿态平台沿本体坐标系Z轴方向的移动。