CN105905320A - 一种具有偏航随动的主动重力补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种结构简单重力补偿彻底并可模拟航天器空间运动的一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，其包括水平随动支撑模块、滚转俯仰低摩擦随动模块、重力补偿主动随动模块、传感测量模块与协调控制模块；水平随动支撑模块可主动跟随航天器的纵横向运动，使重力补偿主动随动模块始终处于竖直方向；滚转俯仰低摩擦随动模块可以跟随航天器的滚转运动和俯仰运动；重力补偿主动随动模块可完成对航天器重力的完全补偿及主动跟随其偏航运动；传感测量模块可以测量航天器竖向位置的变化以及水平绕横向转动的角度；所述协调控制模块负责系统信息的采集融合处理，使系统各模块按系统设计工作，完成航天器空间运动地面的再现。

Description

一种具有偏航随动的主动重力补偿系统

所属技术领域

本发明属于航天器导航、制导与控制系统地面验证技术领域，具体涉及一种航天器空间运动地面验证太空环境模拟系统。

背景技术

航天工程的发展程度决定能否抢占高科技制高点，能否最大程度的利用太空资源，我国正积极开展航天技术研究，为了顺利在极其恶劣太空环境完成航天任务，必须在地面进行充分的实验验证，将航天器在太空中的运动在地面再现，可以充分验证航天器在空间任务的各个环节，保证航天任务的顺利完成。

航天器在太空环境运动最明显的特征是微重力环境下的运动，而地面实验室为有重力环境，为了在地面再现航天器空间微重力环境中的真实运动情况，提高地面验证导航、制导与控制系统实验的置信度，需要在地面为航天器六自由度运动建立一个与空间真实状况相近的无约束微重力环境，其实现的核心是补偿航天器在地面实验室环境中所受的重力，提供航天器三自由度平动及三自由度转动的无约束环境。现有的实现微重力这个目标的手段有液浮法，失重法、气浮法、悬挂法。失重法常见的为抛物飞行和自由落体，此方法的缺点是时间短、占用的空间大、能够提供的空间有限并且成本高；液浮法阻尼大、维护成本高且只适合低速运动的情况，气浮法与悬挂法系统结构相对简单，易于建立实验室中的无约束微重力环境，但气浮法一般只能实现五自由度运动，在竖直方向的运动受限。悬挂法所占用的空间小、不受时间空间的约束，是重力补偿常用的方法且易于实现。悬挂法一般可以分为主动重力补偿和被动重力补偿，被动重力补偿的补偿精度较低，对试验效果有较大影响；主动重力补偿能够提高补偿精度，但目前主动重力补偿方法一般通过单点悬挂提供三自由度运动空间或多点悬挂提供六自由度运动空间，针对实现航天器运动再现这个目标，三自由度运动空间显然不够，多点悬挂所提供的六自由度空间会由于结构复杂、系统难控导致试验效果不佳，因此需要寻找一种结构简单、运行稳定、重力补偿补偿彻底的且易于与水平运动平台结合的系统为航天器提供一个近似无约束微重力运动环境，进而再现其在空间微重力环境下的真实运动，保证地面验证导航、制导与控制系统的有效性。

发明内容

本发明提出了一种结构简单、可靠性高、适应性强、易于实现和维护、时间空间不受限制、重力补偿彻底并且可以跟随或者模拟航天器自旋运动的一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，本发明可提供航天器近似无约束六自由度运动的微重力环境，并可跟随或模拟航天器的自旋运动进而再现其在空间微重力环境下的真实运动，保证地面验证导航、制导与控制系统的有效性。

本发明的技术方案：

一种具有偏航随动的主动重力补偿系统包括水平随动支撑模块、滚转俯仰低摩擦随动模块、重力补偿主动随动模块、传感测量模块与协调控制模块。

所述水平随动支撑模块可跟随航天器的水平运动，使重力补偿主动随动模块始终处于竖直方向；所述重力补偿主动随动模块在伺服电机及缓冲装置的作用下可以完全补偿航天器的重力，在偏航跟随电机的作用下可主动跟随航天器的偏航运动，使其偏航运动不受阻碍，处于无约束运动的状态；所述滚转俯仰低摩擦随动模块可以跟随航天器的滚转运动和俯仰运动，使其在滚动与俯仰运动时处于近似无约束的状态；所诉传感测量模块可以测量航天器竖向位置的变化以及水平绕横向转动的角度；所述协调控制模块负责传感器信息的采集融合、系统信号传递与协调控制，使系统各模块按系统设计工作，完成航天器空间运动地面的完整再现。

进一步，所述水平随动支撑模块包括支撑件、主支撑板、横向支撑板、横向线性模组、横向伺服电机、纵向连接板、纵向线性模组、纵向伺服电机与主支撑筋板构成。横向支撑板安装在主支撑板上，其上安装有横向线性模组，横向线性模组上垂直安装有纵向线性模组，在横向伺服电机的作用下，可带动纵向线性模组沿横向运动，固定连接板安装在纵向线性模组上，其在横向、纵向伺服电机的作用下可带动固定连接板在横向和纵向主动运动，为了保证结构稳定，横向连接板左右两端安装纵向连接板，纵向连接板与横向连接板垂直，主支撑板上固定有筋板。

进一步滚转俯仰低摩擦随动模块包括航天器、滚动跟随轴承轴、滚动跟随轴承、俯仰轴承固定座、俯仰轴、俯仰轴承、轴承连接板与支撑框；滚动跟随轴承与航天器相切，其通过滚动跟随轴承轴安装在轴承连接板上，轴承连接板通过俯仰轴与俯仰轴承固定，俯仰轴承安装在俯仰轴承固定座内，俯仰轴承固定座安装在支撑框上，支撑框上安装有筋板，其上方安装有距离传感器。当航天器做滚动运动时，与之相切的滚动跟随轴承跟随滚动；当航天器做俯仰运动时，在俯仰轴承提供的低摩擦支撑下，滚动跟随轴承、滚动跟随轴承轴、轴承连接板与俯仰轴随之一起做俯仰运动。

进一步重力补偿主动随动模块包括偏航随动单元、重力补偿单元与缓冲单元，偏航随动单元包括固定连接板、偏航随动转盘、偏航齿轮、偏航跟随电机、转盘齿轮、角接触球轴承、螺纹固定套与推力轴承；重力补偿单元包括钢丝绳、特制中通万向节、钢丝绳导向轮、卷丝筒与转筒电机；缓冲单元包括缓冲摆杆、拉簧、拉簧安装板与张力传感器。偏航随动单元通过固定连接板安装到水平随动支撑模块上，可随固定连接板沿横向和纵向直线运动，固定连接板内安装有角接触球轴承和推力轴承，偏航随动转盘通过螺纹固定套安装在推力轴承上，为了更好的定位随动转盘联合使用了角接触球轴承，其特点是角接触球轴承的内径与推力轴承的轴圈内径一致，从而给推力轴承的轴圈定位，避免由于推力轴承的座圈内径大于轴圈内径引起晃动，偏航随动转盘上端安装有转盘齿轮，转盘齿轮与偏航齿轮啮合，偏航跟随电机的轴与偏航齿轮连接，可带动偏航齿轮转动，从而带动转盘齿轮与偏航随动转盘转动，跟随航天器的偏航运动；缓冲单元的缓冲摆杆铰接在偏航随动单元的偏航随动转盘上，缓冲摆杆上端安装有测量钢丝绳张力的张力传感器，缓冲摆杆中部与拉簧相连，拉簧另一端安装在拉簧固定板上，拉簧固定板安装在偏航随动转盘上；重力补偿单元的转筒电机安装在偏航随动单元的偏航随动转盘上，其上安装有卷丝筒，用于钢丝绳的收放，特制中通万向节安装在偏航随动转盘上，钢丝绳缠绕在卷丝筒上，依次通过缓冲单元、钢丝绳导向轮穿过偏航随动转盘、特制中通万向节连接到滚转俯仰低摩擦随动模块的支撑框上，通过转筒电机的作用带动滚转俯仰低摩擦随动模块竖向运动，特制中通万向节的特点是万向节连接块上竖向有通孔，且特制中通万向节的横向轴可随下端轴叉绕其轴线转动。

进一步传感器测量模块包括距离传感器与非接触式角度传感器及传感器安装板。距离传感器安装在滚转俯仰低摩擦随动模块的支撑框上，可测量支撑框到重力补偿主动随动模块的偏航随动转盘的距离。非接触角度传感器安装在重力补偿主动随动模块中，具体的其磁块安装在重力补偿主动随动模块的特制中通万向节的横向轴上，磁块可随之转动，非接触式角度传感器的感应部分通过传感器安装板固定在偏航随动转盘上，可测量特制中通万向节横轴转动的角度。由钢丝绳和支撑框的连接点到特制中通万向节的十字轴的距离已知(钢丝绳此段的实时长度可通过转筒电机的收放量和钢丝绳此段的原长度得到)，距离传感器测量可得支撑框到偏航随动转盘的竖向距离，由直角三角关系可得航天器在横纵向面内的位移，由非接触式角度传感器的测量数据可得其沿横向轴转动的角度，从而可将其在横纵向面内的距离沿横向和纵向分解，从而得到水平随动支撑模块中随动单元的随动量。

进一步协调控制模块包括采集卡、驱动器和主控板，其中，张力传感器、非接触式角度传感器与距离传感器测量信息以及航天器运动状态信息通过采集卡传递给主控板，主控板对上述信息进行解算、数据处理后通过驱动器控制相关电机运动，保证系统的协调工作，提供航天器近似无约束的六自由度运动空间，结合水平随动支撑模块提供的轨道运动，共同完成航天器空间运动地面再现。

根据上述的结构和控制系统，其再现航天器空间无约束运动的工作原理为当航天器进行姿态调整时，滚转俯仰低摩擦随动模块及重力补偿随动模块的偏航随动单元跟随航天器的姿态运动，滚转俯仰低摩擦随动模块主要结构由低摩擦滚动轴承构成，随动运动摩擦相对于航天器自身重力可忽略不计，偏航随动单元采用主动随动的方式可保证在附加了滚转俯仰低摩擦随动模块质量的情况下，航天器的偏航运动受到的外界阻力近似为零；航天器的空间位置发生改变，传感器测量模块及张力传感器的信息改变，协调控制模块根据上述信息的变化通过信息处理得到纵横向伺服电机与卷筒电机的运动量，保证重力补偿主动随动模块的重力补偿单元的补偿力始终等于航天器的重力，从而航天器的机动不受重力影响，具体的当航天器在纵横向运动时，水平随动支撑模块的随动单元在协调控制模块的作用下跟随航天器的纵横向运动，保证重力补偿主动随动模块的钢丝绳始终处在竖直方向即重力补偿单元的补偿力方向始终与航天器的重力方向在同一直线上，航天器竖向运动时，在重力补偿主动随动模块的缓冲单元作用下，钢丝绳不会松弛或崩断，但钢丝绳上的力相应变化，张力传感器测得这一变化通过采集卡传递给主控板，主控板通过驱动器控制卷筒电机的运动收放钢丝绳带动航天器加减速运动，从而实现钢丝绳上的力为恒力，其大小为航天器质量与滚转俯仰低摩擦随动模块质量之和；从而再现航天器空间运动。

由此，一种具有偏航随动的主动重力补偿系统的具体工作步骤是：

(A)将航天器安装在滚转俯仰低摩擦随动模块上，调整其位置，使航天器质心与重力补偿主动随动模块的偏航随动转盘轴线在同一直线上；

(B)检测滚动跟随轴承与航天的贴合程度，通过俯仰轴微调其夹紧力；

(C)打开电源，记录航天器初始状态时张力传感器和距离传感器的数值；

(D)启动系统，系统跟随航天器在自身控制系统作用下在地面实验室环境中完成任务需求的姿态及位置调整；

(E)完成验证试验，关闭电源，将航天器卸下，一种具有偏航随动的主动重力补偿系统归位。

本发明对比已有技术具有如下特点：

1、通过偏航随动单元的主动随动可以降低连接结构附加质量对补偿结果的影响，提高补偿精度；

2、航天器重力补偿彻底，补偿精度高；

3、实验不受空间时间限制，可多次重复试验；

4、系统结构相对简单、投资小且可靠性高，所需的维护费用小、后期投入小；

5、可跟随或者模拟航天器的自旋运动。

附图说明

图1一种具有偏航随动的主动重力补偿系统

图中标号:

1：水平随动支撑模块；2：滚转俯仰低摩擦随动模块；3：重力补偿主动随动模块。

图2重力补偿主动随动及滚转俯仰低摩擦随动模块

图3水平随动支撑模块主视图

图4水平随动支撑模块俯视图

图3及图4中标号：

101：支撑件；102：主支撑板；103：主支撑板筋板；104：横向支撑板；105：横向线性模组；106：纵向线性模组；107：纵向连接板。

图5滚转俯仰低摩擦随动模块

图中标号：

201：航天器；202：滚动跟随轴承轴；203：滚动跟随轴承；204：俯仰轴承固定座；205：俯仰轴；206：俯仰轴承；207：轴承连接板；208：支撑框；209：距离传感器。

图6重力补偿主动随动模块

图中标号：

106：纵向线性模组；301：偏航随动转盘；302：偏航齿轮；303：偏航跟随电机；304：固定连接板；305：转盘齿轮；306：角接触球轴承；307：螺纹固定套；308：推力轴承；309：钢丝绳；310：特制中通万向节；311：非接触式角度传感器；312钢丝绳导向轮；313：传感器安装板；314：缓冲摆杆；315：拉簧；316：拉簧安装板；317：张力传感器；318：卷丝筒；319：转筒电机。

图7航天器空间运动地面验证系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：水平随动支撑模块1可主动跟随航天器的纵横向运动，使重力补偿主动随动模块始终处于竖直方向；滚转俯仰低摩擦随动模块2可以跟随航天器的滚转运动和俯仰运动，使其在滚动与俯仰运动时处于近似无约束的状态；重力补偿主动随动模块3在伺服电机及缓冲装置的作用下可以完全补偿航天器的重力，在偏航跟随电机的作用下可主动跟随航天器的偏航运动，使其偏航运动不受阻碍，处于无约束运动的状态；传感测量模块可以测量航天器竖向位置的变化以及水平绕横向转动的角度；协调控制模块负责传感器信息的采集融合、系统信号传递与协调控制，使系统各模块按系统设计工作，完成航天器空间运动地面的完整再现。

具体来说，结合图1～图6，滚动跟随轴承203组成的轴承组与航天器201直接接触，在俯仰轴205的压紧下，轴承组可跟随航天器201的滚转运动，轴承组通过滚动跟随轴承轴202连接到轴承连接板207上，轴承连接板207通过俯仰轴205连接到俯仰轴承206内，俯仰轴承206通过俯仰轴承固定座204固定在支撑框208上，航天器201做俯仰运动时，在低摩擦俯仰轴承206的支撑下，轴承组、滚动跟随轴承轴202、轴承连接板207与俯仰轴205跟随航天器做近似无约束的俯仰运动，上述结构构成滚转俯仰低摩擦随动模块2，滚转俯仰低摩擦随动模块2的支撑框208上安装有距离传感器209，可测量支撑框208到偏航随动转盘301的距离；滚转俯仰低摩擦随动模块2通过钢丝绳309连接到重力补偿主动随动模块3上，钢丝绳309依次通过安装在偏航随动转盘301上的特制中通万向节310、钢丝绳导向轮312及张力传感器317连接到卷丝筒318上，卷丝筒318在安装在偏航随动转盘301上的卷筒电机319上，在其作用下可完成对钢丝绳309的收放，从而控制滚转俯仰低摩擦随动模块2的运动，张力传感器317安装在缓冲摆杆314上，缓冲摆杆314铰接在偏航随动转盘301上，缓冲摆杆314中部连接有拉簧315，拉簧315另一端安装在拉簧安装板316上，拉簧安装板316固定在偏航随动转盘301上，偏航随动转盘301在角接触球轴承306与推力轴承308的定位下通过螺纹固定套307安装在固定连接板304，偏航随动转盘301上端安装有转盘齿轮305，转盘齿轮305与偏航齿轮302啮合，偏航齿轮302在偏航跟随电机303的作用下转动，从而当航天器201偏航运动时，偏航随动电机303带动偏航随动转盘301转动，跟随航天器201的偏航运动，由偏航随动转盘301、偏航齿轮302、偏航跟随电机303、转盘齿轮305、角接触球轴承306、螺纹固定套307与推力轴承308构成了偏航随动单元；由钢丝绳309、特制中通万向节310、钢丝绳导向轮312、卷丝筒318与转筒电机319构成重力补偿单元；由缓冲摆杆314、拉簧315、拉簧安装板316与张力传感器317组成了缓冲单元，上述单元构成了重力补偿主动随动模块3。非接触式角度传感器311的磁块安装在重力补偿主动随动模块3的特制中通万向节310的横向轴上，磁块可随之转动，非接触式角度传感器311的感应部分通过传感器安装板313固定在偏航随动转盘301上，可测量特制中通万向节310横轴转动的角度。重力补偿主动随动模块3通过固定连接板304安装到水平随动支撑模块1上，固定连接板304安装在纵向线性模组106上，在其带动下固定连接板304可沿纵向运动，纵向线性模组106安装在横向线性模组105上，其在横向线性模组105的带动下可沿横向运动，与之相连的固定连接板304也可沿横向运动，横向线性模组105安装在横向支撑板104上，横向支撑板104左右两端连接有纵向连接板107，横向支撑板105安装在主支撑板3上，主支撑板3上安装有主支撑板板筋板103，主支撑板3直接与车体支撑件101固连，支撑件101上安装有车轮101，车轮101、支撑件101、主支撑板102、主支撑板筋板103、横向支撑板104、横向线性模组105、纵向线性模组106与纵向连接板107构成了水平随动支撑模块的硬件结构，其在水平随动支撑模块1的运动控制单元、定位单元与协调控制模块作用下完成航天器201纵横向运动的跟随。

Claims (7)

1.一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，其特征是：系统包括水平随动支撑模块、滚转俯仰低摩擦随动模块、重力补偿主动随动模块、传感测量模块与协调控制模块。

2.根据权利要求1所述的一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，其特征是：所述水平随动支撑模块由主支撑板、横向支撑板、横向线性模组、横向伺服电机、纵向连接板、纵向线性模组、纵向伺服电机与主支撑筋板构成，横向支撑板安装在主支撑板上，其上安装有横向线性模组，横向线性模组上垂直安装有纵向线性模组，横向连接板左右两端安装纵向连接板，纵向连接板与横向连接板垂直，主支撑板上固定有主支撑筋板。

3.根据权利要求1所述的一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，其特征是：滚转俯仰低摩擦随动模块包括航天器、滚动跟随轴承轴、滚动跟随轴承、俯仰轴承固定座、俯仰轴、俯仰轴承、轴承连接板与支撑框；滚动跟随轴承与航天器相切，其通过滚动跟随轴承轴安装在轴承连接板上，轴承连接板通过俯仰轴与俯仰轴承固定，俯仰轴承安装在俯仰轴承固定座内，俯仰轴承固定座安装在支撑框上，支撑框上安装有筋板，其上方安装有距离传感器。

4.根据权利要求2所述的一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，其特征是：重力补偿主动随动模块包括偏航随动单元、重力补偿单元与缓冲单元，偏航随动单元包括固定连接板、偏航随动转盘、偏航齿轮、偏航跟随电机、转盘齿轮、角接触球轴承、螺纹固定套与推力轴承；重力补偿单元包括钢丝绳、中通万向节、钢丝绳导向轮、卷丝筒与转筒电机；缓冲单元包括缓冲摆杆、拉簧、拉簧安装板与张力传感器。

5.根据权利要求4所述的一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，其特征是：重力补偿主动随动模块的连接关系为，偏航随动单元通过固定连接板安装在水平随动支撑模块上，固定连接板内安装有角接触球轴承和推力轴承，偏航随动转盘通过螺纹固定套安装在推力轴承上，偏航随动转盘上端安装有转盘齿轮，转盘齿轮与偏航齿轮啮合，偏航跟随电机轴连接在偏航齿轮上；缓冲单元的缓冲摆杆铰接在偏航随动单元的偏航随动转盘上，缓冲摆杆上端安装有测量钢丝绳张力的张力传感器，缓冲摆杆中部与拉簧相连，拉簧另一端安装在拉簧固定板上，拉簧固定板安装在偏航随动转盘上；重力补偿单元的转筒电机安装在偏航随动单元的偏航随动转盘上，转筒电机上安装有卷丝筒，用于控制钢丝绳的收放，中通万向节安装在偏航随动转盘上，钢丝绳缠绕在卷丝筒上，依次通过缓冲单元、钢丝绳导向轮穿过偏航随动转盘、中通万向节连接到低摩擦随动模块的支撑框上。

6.根据权利要求3或4所述的一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，其特征是：传感器测量模块包括距离传感器与非接触式角度传感器及传感器安装板，距离传感器安装在低摩擦随动模块的支撑框上；非接触角度传感器安装在重力补偿主动随动模块中，其磁块安装在重力补偿主动随动模块的中通万向节的横向轴上，非接触式角度传感器的感应部分通过传感器安装板固定在偏航随动转盘上；

其特征是：由钢丝绳和支撑框的连接点到中通万向节的十字轴的距离与传感器测量得到的支撑框到偏航随动转盘的竖向距离可得航天器在横纵向面内的位移，由非接触式角度传感器的测量数据可得其沿横向轴转动的角度，从而可将其在横纵向面内的距离沿横向和纵向分解，从而得到轨道模拟随动平台中随动单元的随动量；

其特征是：所述协调控制模块包括采集卡、驱动器和主控板。

7.根据权利要求6所述一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，其特征是：系统的具体工作步骤是：

(A)将航天器安装在滚转俯仰低摩擦随动模块上，调整其位置，使航天器质心与重力补偿主动随动模块的偏航随动转盘轴线在同一直线上；

(B)检测滚动跟随轴承与航天的贴合程度，通过俯仰轴微调其夹紧力；

(C)打开电源，记录航天器初始状态时张力传感器和距离传感器的数值；

(D)启动系统，系统跟随航天器在自身控制系统作用下在地面实验室环境中完成任务需求的姿态及位置调整；

(E)完成验证试验，关闭电源，将航天器卸下，一种具有偏航随动的主动重力补偿系统归位。