CN106597562A - 基于双涵道垂直推进技术的火星引力地面模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双涵道垂直推进技术的火星引力地面模拟系统，包括：运动模拟单元、定位单元及控制单元；其中，运动模拟单元包括环绕器与着陆器，二者后端分别设置一对涵道式螺旋桨；定位单元实时测量运动模拟单元的位置信息与方位信息，发送到控制单元；控制单元根据定位单元发送的信息判断目标点，确定目标点的位置信息与方位信息；确定目标点处的引力信息，并根据所述引力信息及目标点的方位信息确定每个螺旋桨的推力信息，进而确定每个螺旋桨的转速；控制每个螺旋桨按照确定的转速旋转，以实现对二维火星引力的模拟。本发明模拟的火星引力大小与方向可控，输出加速度较连续，控制简易，精度较高。

Description

基于双涵道垂直推进技术的火星引力地面模拟系统

技术领域

本发明涉及火星探测技术领域，尤其涉及一种基于双涵道垂直推进技术的火星引力地面模拟系统。

背景技术

火星是距离地球较近的行星，它在很多方面与地球有相似之处，成为人类深空探测的首选目标星体之一。火星捕获制动与器器分离全物理仿真试验系统是专门针对火星探测捕获制动阶段和器器分离阶段的减速制动、安全分离等控制而开展的仿真验证。数学仿真只能模拟深空环境对捕获制动及器器分离的影响，而不能有效地模拟安装误差、测量单机、大推力控制等因素带来的影响，因此有必要通过地面全物理仿真试验来分析轨道控制策略及算法的可行性，提高工程实施的可靠性。

仿真试验系统主要由大理石气浮平台、火星引力模拟系统、环绕器与着陆器模拟器、摄像头以及计算机系统组成。系统主要验证在火星引力作用下，环绕器与着落器能否在捕获制动过程和器器分离过程中实现预期的动作。其中，火星引力模拟系统作为整个仿真系统运行的一个重要组成部分，能否真正使环绕器与着陆器在运动过程中受到一个类似于火星附近的引力作用，是整个试验成败与否的关键。

目前在地面仿真试验中模拟火星引力的推进方法主要有喷气法、永磁体法等方法。

喷气法是通过在运动模拟器上垂直安装的高压喷嘴喷出高压气体，利用反冲原理，给本体施加一个额外的加速度来模拟本体所受到的火星引力。永磁体法是根据永磁体间同性相斥、异性相吸的原理来实现火星引力的模拟。

现有技术具有如下不足：

对于永磁体法，只能根据理论值估计永磁体空间磁场，实际值与理论值会有很大的误差，系统精度较低。而且永磁体与模拟器铁磁性材料之间的吸引力不可忽略，会对系统产生额外的影响。

对于喷气法，只能通过控制电磁阀开度或者点喷的方式改变模拟器输出的引力加速度大小，输出加速度不连续，控制效果差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于双涵道垂直推进技术的火星引力地面模拟系统，能够解决现有的火星引力模拟器精度较低、输出加速度不连续、控制困难的问题。

本发明提供一种基于双涵道垂直推进技术的火星引力地面模拟系统，包括：设置于气浮平台之上的运动模拟单元、定位单元及控制单元；其中，运动模拟单元包括环绕器与着陆器，二者后端分别设置一对涵道式螺旋桨，用于产生沿气浮平台上表面方向的推力；定位单元实时测量运动模拟单元的位置信息与方位信息，发送到控制单元；控制单元根据定位单元发送的信息判断目标点，确定目标点的位置信息与方位信息；根据目标点的位置信息确定目标点处的引力信息，并根据所述引力信息及目标点的方位信息确定每个螺旋桨的推力信息，进而确定每个螺旋桨的转速；控制每个螺旋桨按照确定的转速旋转，以实现对二维火星引力的模拟。

优选地，所述一对涵道式螺旋桨产生的推力互相垂直。

优选地，运动模拟单元还包括用于控制螺旋桨旋转的电动机、驱动所述电动机的驱动器及第一无线通信器；控制单元包括控制器、及与第一无线通信器进行通信的第二无线通信器；以及所述控制每个螺旋桨按照确定的转速旋转具体为：控制器根据确定的每个螺旋桨的转速生成转速控制指令，依次通过第二无线通信器、第一无线通信器发送到驱动器，通过驱动器、电动机控制每个螺旋桨按照确定的转速旋转。

优选地，控制单元还包括：引力场确定模块，用于存储气浮平台上表面的位置信息及该位置的引力信息；所述引力信息包括引力大小及引力方向。

优选地，所述系统还包括：转速确定单元，用于存储螺旋桨转速信息、及以该转速旋转所产生的推力信息；以及所述确定每个螺旋桨的转速具体为：控制器确定每个螺旋桨的推力信息之后，查询转速确定单元，确定与所述推力对应的转速信息。

优选地，定位单元包括视觉采集模块及惯性测量模块；其中，视觉采集模块每隔第一时间间隔采集一帧运动模拟单元的图像信息，并据此确定运动模拟单元的位置信息及方位信息；惯性测量模块每隔第二时间间隔采集运动模拟单元的加速度、角速度信息，并以视觉采集模块确定的所述位置信息及方位信息作为姿态基准，根据四元数位姿变换算法计算运动模拟单元的实时位置信息及方位信息；其中，第一时间间隔大于第二时间间隔。

优选地，运动模拟单元还包括：霍尔传感器，用于采集电动机的电流信号，依次通过第一无线通信器、第二无线通信器向控制器反馈；光电编码器，用于采集电动机的转速信息，依次通过第一无线通信器、第二无线通信器向控制器反馈；以及控制器基于所述电流信号对电动机进行转矩闭环控制，基于所述转速信息对电动机进行转速闭环控制。

优选地，每个涵道式螺旋桨涵道出气口处均设置一组导流板，用于平衡螺旋桨旋转产生的阻转矩。

优选地，所述目标点为定位单元的实时测量点，所述控制单元根据定位单元发送的信息判断目标点，确定目标点的位置信息与方位信息；根据目标点的位置信息确定目标点处的引力信息，并根据所述引力信息及目标点的方位信息确定每个螺旋桨的推力信息，具体为：控制器根据接收的位置信息确定该位置的引力信息，根据所述引力信息及接收的方位信息确定每个螺旋桨的推力信息。

优选地，所述目标点为典型时延之后的预测点；以及所述控制单元根据定位单元发送的信息判断目标点，确定目标点的位置信息与方位信息具体为：控制器获取定位单元发送的运动模拟单元位置信息，根据理论运动曲线计算预测时间对应的第一预测位置；根据更新的轨迹预测模型获取典型时延之后的第二预测位置；根据目标点预测函数计算典型时延之后的第三预测位置；通过公式1计算目标点的位置信息；确定方位特征点在典型时延之后的预测点从而获得目标点的方位信息；

r＝w₁r₁+w₂r₂+w₃r₃+Δr 公式1

其中，典型时延为模拟试验中产生的时延的统计平均值，预测时间为定位单元测量时间与典型时延之和，方位特征点为运动模拟单元中方位角标识线上的两点，r为目标点位置矢量，r₁、r₂、r₃分别为第一预测位置矢量、第二预测位置矢量、第三预测位置矢量，w₁、w₂、w₃为权值系数，Δr为预测补偿量。

由以上技术方案可知，本发明提供的基于双涵道垂直推进技术的火星引力地面模拟系统，模拟的火星引力大小与方向可控，输出加速度较连续，控制简易，精度较高。

附图说明

图1是本发明的火星引力地面模拟系统示意图；

图2是本发明的火星引力地面模拟系统涵道式螺旋桨安装示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本发明的发明人考虑到，现有的引力模拟系统一般采用主动模拟或被动模拟两种模拟方式。被动模拟是在引力模拟区域范围内，研究对象均受到一个外部的“引力”作用，其适用于模拟比较简单的引力场。主动模拟是根据要模拟的引力场模型，由研究对象所处的具体位置计算出引力大小，并通过安装在控制研究对象上的专用引力推进装置来实现。火星的引力场相对比较复杂，具有非球形分布的特点，所以模拟器一般使用主动模拟方式。主动式引力模拟系统主要由研究对象本体、引力推进装置、控制装置和位置检测装置组成。目前，引力推进装置主要采用喷气法、永磁体法等方法。

喷气法是通过在运动模拟器上垂直安装的高压喷嘴喷出高压气体，利用反冲原理，给本体施加一个额外的加速度来模拟本体所受到的火星引力。永磁体法是根据永磁体间同性相斥、异性相吸的原理来实现火星引力的模拟。

现有技术具有如下不足：

对于永磁体法，只能根据理论值估计永磁体空间磁场，实际值与理论值会有很大的误差，系统精度较低。而且永磁体与模拟器铁磁性材料之间的吸引力不可忽略，会对系统产生额外的影响。

对于喷气法，只能通过控制电磁阀开度或者点喷的方式改变模拟器输出的引力加速度大小，输出加速度不连续，控制效果差。

基于上述考虑，本发明的发明人将涵道式螺旋桨作为模拟器的引力推进装置，实现了控制便捷、精度较高、实用性强的火星引力地面模拟。

可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”等在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受上述术语限制。上述术语仅用于将一个元件与另一个元件区分。举例而言，在不脱离本发明范围的情况下，可以将第一无线通信器称为第二无线通信器，也可以将第二无线通信器称为第一无线通信器，第一无线通信器与第二无线通信器都是无线通信器，但二者不是同一无线通信器。

以下详细介绍本发明的技术方案。

图1示出了本发明的基于双涵道垂直推进技术的火星引力地面模拟系统，如图1所示，模拟系统包括运动模拟单元1、定位单元2及控制单元3。一般地，上述模拟系统用于火星探测模拟的捕获制动与器器分离阶段。

具体而言，运动模拟单元1设置于气浮平台上表面，其包括环绕器15与着陆器14，二者后端分别设置一对涵道式螺旋桨，用于产生沿气浮平台上表面方向的推力，即涵道式螺旋桨产生的推力的方向与气浮平台上表面平行。

在本发明优选实施例中，环绕器15或着陆器14中的两个涵道式螺旋桨正交设置，二者产生的推力互相垂直。图2为模拟系统的涵道式螺旋桨设置示意图。图2中，涵道式螺旋桨16在环绕器15或着陆器14后端正交设置。

实际应用中，需要设置螺旋桨的驱动装置以控制其旋转。具体地，运动模拟单元1还包括用于控制螺旋桨旋转的电动机13及驱动电动机13的驱动器12。另外，为了实现远程控制，还在运动模拟单元1设置第一无线通信器11用于与控制单元3进行无线通信。

为了提高系统控制精度，实现系统的快速响应，本发明对电动机13采用转矩、转速双闭环控制。在本发明优选实施例中，在运动模拟单元1设置霍尔传感器16与光电编码器17，分别采集电动机13的电流信号与转速信息向控制单元3发送，控制单元3根据电流信号与转速信息分别实现转矩、转速闭环控制。较佳地，本发明的光电编码器17为增量式2048线的光电编码器，电动机13为直流无刷电机。

定位单元2实时测量运动模拟单元1的位置信息与方位信息，发送到控制单元3。上述方位信息可描述运动模拟单元1在气浮平台平面的姿态，具体可以是运动模拟单元1的方位角信息。

具体应用中，可采用单目摄像头等图像采集设备通过获取运动模拟单元的实时图像，得到其位置与方位信息。但是，上述图像采集及位置方位判别过程较长，处理速度较差。还可采用惯导系统通过测量加速度、角速度信息定位，但在一般来说，惯导系统的输出为相对轨迹，需要一个姿态基准完成定位。同时，在长距离、长时间的情况下，由于惯导固有的漂移率，会产生较大的累积误差，也需要外部的信息进行校准。为了解决此问题，本发明结合图像采集设备与惯导系统进行定位。具体地，定位单元2包括视觉采集模块21及惯性测量模块22。

其中，视觉采集模块21每隔第一时间间隔，如100ms，采集一帧运动模拟单元1的图像信息，并据此确定运动模拟单元1的位置信息及方位信息。惯性测量模块22每隔第二时间间隔，如1ms，采集运动模拟单元1的加速度、角速度信息，并以视觉采集模块21确定的所述位置信息及方位信息作为姿态基准，根据四元数位姿变换算法计算运动模拟单元1的实时位置信息及方位信息。一般地，第一时间间隔大于第二时间间隔。

这样，通过结合视觉采集模块21与惯性测量模块22进行定位，既可解决视觉采集模块21处理速度较慢的问题，又可为惯性测量模块22提供姿态基准，在保障实时性的同时确保测量的精度。

控制单元3包括控制器32、引力场确定模块31及第二无线通信器33。

其中，第二无线通信器33用于与第一无线通信器11进行通信。

引力场确定模块31用于存储气浮平台上表面的位置信息及该位置的引力信息，上述引力信息包括引力大小及引力方向。

控制器32根据定位单元2发送的位置信息，通过引力场确定模块31确定该位置处的引力信息；根据引力信息及定位单元2发送的方位信息确定该引力在每个螺旋桨的分力，即每个螺旋桨的推力信息；利用存储螺旋桨转速信息及以该转速旋转所产生的推力信息的转速确定单元4确定此时每个螺旋桨的转速。之后，控制器32根据确定的每个螺旋桨的转速生成转速控制指令，依次通过第二无线通信器33、第一无线通信器11发送到驱动器12，通过驱动器12、电动机13控制每个螺旋桨按照确定的转速旋转，以实现对火星引力的二维模拟。

通过上述设置，本发明根据运动模拟单元的实时位置改变涵道式螺旋桨的转速，从而实现了二维火星引力的精确模拟，模拟的引力大小与方向连续可控，解决了现有技术中系统精度较低、输出不连续、控制复杂等问题。

实际应用中，上述测量、定位、控制过程具有不可避免的时延，导致运动模拟单元的实际推力与理论引力并不相等。为了解决这个问题，进一步提升火星引力模拟精度，本发明通过目标点预测，精确判断运动模拟单元在典型时延之后的位置与方位，以此形成转速控制指令控制螺旋桨旋转。上述典型时延是指系统在不同模拟试验中产生的时延的统计平均值。上述目标点表示模拟系统选取的引力索引位置，在不考虑时延的模拟系统中，目标点指的是定位单元的实时测量点，即定位单元最近测量的运动模拟单元位置。在预测模拟系统中，目标点指实时测量点在典型时延之后的预测位置。目标点预测方法具体如下：

首先，确定运动模拟单元的降轨点与初始速度，计算在火星引力与制动力作用下运动模拟单元的理论运动曲线。

其次，通过贝叶斯模型或马儿可夫模型等建立轨迹预测模型，用于通过运动模拟单元的历史轨迹进行目标点预测。上述轨迹预测模型根据不断获取的运动模拟单元位置即时更新。

同时，构建目标点预测函数，以定位单元测量的运动模拟单元实时位置、速度信息作为输入，根据火星引力场分布，计算典型时延之后的最大概率预测点进行输出。目标点预测函数须考虑制动力对运动的影响。

之后，实时统计目标点预测值与实测值的误差，并取其平均值作为预测补偿量。

最后，综合上述步骤，利用公式1获得典型时延之后的预测目标点。

r＝w₁r₁+w₂r₂+w₃r₃+Δr 公式1

具体地，实际工作中，上述目标点预测如下执行：控制器32在获得定位单元发送的运动模拟单元实时位置信息之后，首先根据理论运动曲线计算预测时间对应的理论目标点，记为第一预测位置。之后，根据轨迹预测模型获取典型时延之后的预测目标点，记为第二预测位置。根据目标点预测函数计算典型时延之后的预测点，记为第三预测位置。最后，通过公式1得到目标点的位置信息，并通过相同方法对方位特征点进行预测得到目标点的方位信息。上述方位特征点是运动模拟单元中方位角标识线上的两点。这样，就实现了典型时延之后目标点的精确预测。

公式1中，r为目标点位置矢量，r₁、r₂、r₃分别为第一预测位置矢量、第二预测位置矢量、第三预测位置矢量，w₁、w₂、w₃为权值系数，Δr为预测补偿量。

在上述方法中，理论运动曲线是飞行器的理论运行轨迹，其确定的第一预测位置对于最终的预测结果具有一定的参考价值；轨迹预测模型侧重于利用历史轨迹的潜在规律进行预测，通过实验可知其对预测结果的影响较大；目标点预测函数考虑飞行器从上一测试点形成的轨迹，是飞行器的实时运行轨迹，对最终预测也有一定影响。本发明综合上述三种预测方法，通过多次试验确定各自权值，可实现较为精确的目标点预测。一般而言，权值系数w₂>w₃>w₁。最后，将累计的系统测试误差，即预测补偿量加入结果，即可完成预测。

需要说明的是，在对进入火星大气的飞行进行模拟时，还需考虑大气阻力，特别是在设置低密度超音速减速器(LDSD)等降落设备的情况下，大气阻力将直接影响飞行器运行轨迹。

以下将介绍转速确定单元4的工作原理。

以气浮平台横边方向的涵道式引力推进器为例，根据螺旋桨的推力公式：

式中：

ρ——空气密度，常温下(25℃)为1.169kg/m³；

V——空气来流相对速度，低速时近似等于螺旋桨旋转速度，单位rad/s；

N——螺旋桨片桨叶数量；

S——螺旋等效机翼面积，单位m²；

C_L——推力系数。

实际应用中可忽略温度的影响，则涵道式螺旋桨提供的推力大小正比于转速的平方，所以可通过控制转速来调整推力的大小，从而完成火星引力的模拟。为了进一步确定涵道式推进装置的推力与转速的关系，获得更好的引力模拟性能，本发明对涵道螺旋桨实施单独的推力-转速关系测试，并存储在转速确定单元4。具体操作过程如下：

首先，将涵道式螺旋桨垂直放置于重力计上，记录此时仪器的读数。其次，将电动机13的转速从零开始，等步长递增至额定转速，记录不同转速下仪器的读数。之后，改变电动机13的转动方向，重复第2步。最后，取第2、3步得到读数与初始读数差值的绝对值作为纵轴数据，电机转速作为横轴，利用最小二乘法拟合所有的数据点，得到L-V函数查询表。

经过上述设置，本发明获得简单可靠的转速推力对应关系模型，在此过程中不需要依赖螺旋桨的精确运动模型。

工程应用中，螺旋桨旋转时会在运动模拟单元1产生一个阻转矩。若不采取任何措施，阻转矩会使模拟器姿态向某一侧倾斜。因此，在本发明优选实施例中，每个涵道式螺旋桨涵道出气口处均设置一组具有一定倾角的导流板，用于平衡螺旋桨旋转产生的阻转矩。上述倾角需要根据具体应用环境设置。

根据本发明提供的基于双涵道垂直推进技术的火星引力地面模拟系统，能够以较高精度实现火星引力的模拟，同时本发明控制方便、实用性强。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双涵道垂直推进技术的火星引力地面模拟系统，其特征在于，包括：设置于气浮平台之上的运动模拟单元、定位单元及控制单元；其中，

运动模拟单元包括环绕器与着陆器，二者后端分别设置一对涵道式螺旋桨，用于产生沿气浮平台上表面方向的推力；

定位单元实时测量运动模拟单元的位置信息与方位信息，发送到控制单元；

控制单元根据定位单元发送的信息判断目标点，确定目标点的位置信息与方位信息；根据目标点的位置信息确定目标点处的引力信息，并根据所述引力信息及目标点的方位信息确定每个螺旋桨的推力信息，进而确定每个螺旋桨的转速；控制每个螺旋桨按照确定的转速旋转，以实现对二维火星引力的模拟。

2.如权利要求1所述的系统，所述一对涵道式螺旋桨产生的推力互相垂直。

3.如权利要求2所述的系统，运动模拟单元还包括用于控制螺旋桨旋转的电动机、驱动所述电动机的驱动器及第一无线通信器；控制单元包括控制器、及与第一无线通信器进行通信的第二无线通信器；以及

所述控制每个螺旋桨按照确定的转速旋转具体为：控制器根据确定的每个螺旋桨的转速生成转速控制指令，依次通过第二无线通信器、第一无线通信器发送到驱动器，通过驱动器、电动机控制每个螺旋桨按照确定的转速旋转。

4.如权利要求3所述的系统，控制单元还包括：

引力场确定模块，用于存储气浮平台上表面的位置信息及该位置的引力信息；所述引力信息包括引力大小及引力方向。

5.如权利要求4所述的系统，还包括：

转速确定单元，用于存储螺旋桨转速信息、及以该转速旋转所产生的推力信息；以及

所述确定每个螺旋桨的转速具体为：控制器确定每个螺旋桨的推力信息之后，查询转速确定单元，确定与所述推力对应的转速信息。

6.如权利要求5所述的系统，定位单元包括视觉采集模块及惯性测量模块；其中，

视觉采集模块每隔第一时间间隔采集一帧运动模拟单元的图像信息，并据此确定运动模拟单元的位置信息及方位信息；

惯性测量模块每隔第二时间间隔采集运动模拟单元的加速度、角速度信息，并以视觉采集模块确定的所述位置信息及方位信息作为姿态基准，根据四元数位姿变换算法计算运动模拟单元的实时位置信息及方位信息；其中，第一时间间隔大于第二时间间隔。

7.如权利要求6所述的系统，运动模拟单元还包括：

霍尔传感器，用于采集电动机的电流信号，依次通过第一无线通信器、第二无线通信器向控制器反馈；

光电编码器，用于采集电动机的转速信息，依次通过第一无线通信器、第二无线通信器向控制器反馈；以及

控制器基于所述电流信号对电动机进行转矩闭环控制，基于所述转速信息对电动机进行转速闭环控制。

8.如权利要求7所述的系统，每个涵道式螺旋桨涵道出气口处均设置一组导流板，用于平衡螺旋桨旋转产生的阻转矩。

9.如权利要求8所述的系统，所述目标点为定位单元的实时测量点，所述控制单元根据定位单元发送的信息判断目标点，确定目标点的位置信息与方位信息；根据目标点的位置信息确定目标点处的引力信息，并根据所述引力信息及目标点的方位信息确定每个螺旋桨的推力信息，具体为：

控制器根据接收的位置信息确定该位置的引力信息，根据所述引力信息及接收的方位信息确定每个螺旋桨的推力信息。

10.如权利要求8所述的系统，所述目标点为典型时延之后的预测点；以及所述控制单元根据定位单元发送的信息判断目标点，确定目标点的位置信息与方位信息具体为：

控制器获取定位单元发送的运动模拟单元位置信息，根据理论运动曲线计算预测时间对应的第一预测位置；根据更新的轨迹预测模型获取典型时延之后的第二预测位置；根据目标点预测函数计算典型时延之后的第三预测位置；通过公式1计算目标点的位置信息；确定方位特征点在典型时延之后的预测点从而获得目标点的方位信息；

r＝w₁r₁+w₂r₂+w₃r₃+Δr 公式1

其中，典型时延为模拟试验中产生的时延的统计平均值，预测时间为定位单元测量时间与典型时延之和，方位特征点为运动模拟单元中方位角标识线上的两点，r为目标点位置矢量，r₁、r₂、r₃分别为第一预测位置矢量、第二预测位置矢量、第三预测位置矢量，w₁、w₂、w₃为权值系数，Δr为预测补偿量。