CN106742066A - 一种轻巧型星上执行机构隔振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻巧型星上执行机构隔振装置，包括作动器、上平台和下平台；上平台和下平台相互平行且分别与扰振源和卫星固定连接，上平台与下平台之间安装有三个作动器，三个作动器在上平台上共同铰接于一点，扰振源质心在上平台的垂直投影与三个作动器在上平台的铰接点重合，三个作动器在下平台上分别铰接于三点且三点连线呈等边三角形，扰振源质心在下平台的垂直投影与等边三角形的中心重合。本发明通过采用不同的铰接方式安装作动器，改变了控制力矩陀螺的安装构型，克服了控制力矩陀螺群组的奇异难题；通过活动元件、隔振元件和传感器的配合，解决了含高速转子的执行机构的扰振问题；本发明还具有轻小型化、智能化的特点。

Description

一种轻巧型星上执行机构隔振装置

技术领域

本发明涉及一种轻巧型星上执行机构隔振装置，尤其适用于姿态控制过程中具有奇异性的控制力矩陀螺群组的振动抑制，属于高速转子扰振源执行机构隔振技术领域。

背景技术

安装在高分辨率卫星上的光学载荷一般对振动十分敏感，而带有高速转子的飞轮、控制力矩陀螺等执行机构是星上最主要的扰振源之一。

飞轮、控制力矩陀螺等含有高速转子的执行机构在轨工作过程中，会生成含多种简谐振动成分的扰动，这些振动可能会影响星上光学载荷、陀螺或地敏等需要保证成像质量或测量精度的单机产品。对于需要快速从一个目标机动到另一个目标，完成大量图像采集以及立体图像获取的卫星，控制力矩陀螺发挥着不可或缺的作用。快速机动能力要求卫星姿态控制执行机构具有良好的控制性能，由于控制力矩陀螺具有输出力矩大，控制效率高等优点，在近几年发射的先进敏捷遥感卫星中，常把控制力矩陀螺作为其姿态控制系统的执行机构。然而，和飞轮相比，控制力矩陀螺的高速转子具有更高的转速，因此会产生更大的扰振力。

振动抑制问题，根据其原理可分类为消振与隔振，消振是在结构应变能较大的位置使用阻尼装置消耗能量的方法，而隔振是将隔振装置串联在振源与敏感设备之间，阻止振动传递的方法。隔振方法常用于姿态控制执行机构或光学载荷的振动抑制问题，消振方法则用于大型天线等低频柔性部件的振动抑制问题。隔振方法分为被动隔振、主动隔振与半主动隔振等。被动与主动两种隔振方式各有千秋，一般根据隔振的目的与限制条件合理选择最佳方案。被动隔振无需输入能量，结构简单、易实现，主动隔振的性能往往比被动隔振优越，但实现较复杂，且隔振装置质量较大。

控制力矩陀螺群组的控制问题，具有自身的特点。国内外学者的研究结果表明，控制力矩陀螺的动力学与控制问题中需要解决的几个主要问题为：系统动力学模型的建立、姿态控制器的设计、控制力矩陀螺奇异性分析、操纵律设计、系统误差影响分析。其中控制过程中的奇异性是需要仔细探讨与研究的重要问题。奇异问题的研究工作最初出现在机器人学与机构学的研究领域中，在航天技术领域的研究可追溯到上世纪六、七十年代。当控制力矩陀螺群组进入奇异状态，系统会失去三维控制能力，无法发挥其优越的控制性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种轻巧型星上执行机构隔振装置，通过在上平台与下平台之间采用不同的铰接方式安装作动器，改变了控制力矩陀螺的安装构型，克服了控制力矩陀螺群组的奇异难题；通过活动元件、隔振元件和传感器的配合，优化了作动器的结构，解决了含高速转子的执行机构的扰振问题；通过三个作动器的相互配合，减轻了隔振装置的重量，弥补了传统的隔振装置笨重复杂的缺陷。

本发明的技术解决方案是：

一种轻巧型星上执行机构隔振装置，包括作动器、上平台和下平台；上平台一侧与扰振源固定连接，上平台另一侧与作动器一端铰接，作动器另一端与下平台一侧铰接，下平台另一侧与卫星固定连接，上平台与下平台平行，作动器的数量设为三个，三个作动器在上平台上共同铰接于一点，扰振源的质心在上平台的垂直投影与三个作动器在上平台的共同铰接点重合，三个作动器在下平台上分别铰接于三点且三点连线呈等边三角形，扰振源的质心在下平台的垂直投影与所述等边三角形的中心重合。

在上述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置中，所述三个作动器分别为第一作动器、第二作动器、第三作动器；第一作动器和第二作动器均通过球铰链与上平台连接，第一作动器和第二作动器均通过单自由度铰链与下平台连接，第三作动器通过球铰链与上平台和下平台连接。

在上述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置中，所述作动器包括活动元件、隔振元件和传感器；隔振元件和传感器均安装在活动元件中，活动元件用于缓冲扰振源的振动传递，隔振元件用于抑制扰振源的振动传递，传感器用于检测活动元件的运动状态。

在上述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置中，所述活动元件包括滑套、导轨和电机；滑套和导轨均采用圆柱体结构，滑套一端设有用于连接上平台的球铰链，滑套另一端设有孔，隔振元件与导轨一端安装在所述孔中，导轨另一端设有用于连接下平台的球铰链或单自由度铰链，电机分别与滑套和导轨固定连接，用于驱动滑套沿导轨运动，滑套和导轨均与传感器连接，用于检测滑套和导轨的相对位移。

在上述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置中，所述隔振元件包括弹簧和阻尼垫；弹簧一端与阻尼垫贴合并安装在滑套中，弹簧另一端与导轨贴合。

在上述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置中，所述滑套与导轨同轴。

在上述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置中，所述弹簧的刚度范围是2000～10000N/m。

在上述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置中，所述阻尼垫的阻尼范围是0.1～0.5。

在上述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置中，所述上平台上设有用于连接作动器的球铰支座。

在上述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置中，所述下平台上分别设有用于连接作动器的球铰支座和单自由度铰支座。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

【1】本发明同时具备隔振和变构型的功能，既能抑制高速转子产生的高频扰振，又能有效避免控制力矩陀螺等执行机构进入奇异状态，通用性强、稳定性高、实用可靠。

【2】本发明已应用于敏捷遥感卫星的控制系统执行机构，其实际使用性能及功效明显优于常规的双框架陀螺隔振器，而且更加轻便，满足了星上机构轻量化的设计需求，具有广阔的应用前景。

【3】本发明的第一作动器和第二作动器均通过球铰链与上平台连接，第一作动器和第二作动器均通过单自由度铰链与下平台连接，第三作动器通过球铰链与上平台和下平台连接，确保了有效控制三个作动器同时完成三向转动。

【4】本发明整体结构紧凑，适用于多种工作环境，在复杂工况下依然能够良好运转，具有良好的可操作性。

【5】本发明的电机和传感器均为标准件，无需特制，而且便于维修和更换，大幅降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明结构图

图2为本发明原理图

图3为本发明三个作动器分别与上平台和下平台连接的铰接点位置图

其中：1作动器；101第一作动器；102第二作动器；103第三作动器；2活动元件；201滑套；202导轨；203电机；3隔振元件；301弹簧；302阻尼垫；4传感器；5上平台；6下平台；

具体实施方式

为使本发明的方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：

如图1～3所示，一种轻巧型星上执行机构隔振装置，包括作动器1、上平台5和下平台6；上平台5一侧与扰振源固定连接，上平台5另一侧与作动器1一端铰接，作动器1另一端与下平台6一侧铰接，下平台6另一侧与卫星固定连接，上平台5与下平台6平行，作动器1的数量设为三个，三个作动器1在上平台上共同铰接于一点，扰振源的质心在上平台的垂直投影与三个作动器1在上平台的共同铰接点重合，三个作动器1在下平台上分别铰接于三点且三点连线呈等边三角形，扰振源的质心在下平台的垂直投影与所述等边三角形的中心重合。

通过作动器1改变控制力矩陀螺的构型，三个作动器1分别为第一作动器101、第二作动器102、第三作动器103；第一作动器101和第二作动器102均通过球铰链与上平台5连接，第一作动器101和第二作动器102均通过单自由度铰链与下平台6连接，第三作动器103通过球铰链与上平台5和下平台6连接，不将三个作动器1的下端均通过单自由度铰链连接是因为：由三个单自由度铰链进行约束时，可控制的三个自由度中必然包含垂直方向的平动自由度，因此无法控制三个作动器1同时完成三向转动。

作动器1包括活动元件2、隔振元件3和传感器4；隔振元件3和传感器4均安装在活动元件2中，活动元件2用于缓冲扰振源的振动传递，隔振元件3用于抑制扰振源的振动传递，传感器4用于检测活动元件2的运动状态。

活动元件2包括滑套201、导轨202和电机203；滑套201和导轨202均采用圆柱体结构，滑套201一端设有用于连接上平台5的球铰链，滑套201另一端设有孔，隔振元件3与导轨202一端安装在所述孔中，导轨202另一端设有用于连接下平台6的球铰链或单自由度铰链，电机203分别与滑套201和导轨202固定连接，用于驱动滑套201沿导轨202运动，滑套201和导轨202均与传感器4连接，用于检测滑套201和导轨202的相对位移。

隔振元件3包括弹簧301和阻尼垫302；弹簧301一端与阻尼垫302贴合并安装在滑套201中，弹簧302另一端与导轨202贴合。

滑套201与导轨202同轴。

弹簧301的刚度范围是2000～10000N/m。

阻尼垫302的阻尼范围是0.1～0.5。

上平台5上设有用于连接作动器1的球铰支座。

下平台6上分别设有用于连接作动器1的球铰支座和单自由度铰支座。

本发明的工作原理是：

控制力矩陀螺的力矩输出能力及奇异状态，与其群组的安装构型有密切联系，如果在框架角组合的情况下，陀螺群的角动量相互平行，则陀螺群在该方向上不能输出力矩，传统的单框架控制力矩陀螺群组陷入奇异状态时，利用改变安装角的方式使其奇异状态得到改善，提高其三维控制能力。

本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种轻巧型星上执行机构隔振装置，其特征在于：包括作动器(1)、上平台(5)和下平台(6)；上平台(5)一侧与扰振源固定连接，上平台(5)另一侧与作动器(1)一端铰接，作动器(1)另一端与下平台(6)一侧铰接，下平台(6)另一侧与卫星固定连接，上平台(5)与下平台(6)平行，作动器(1)的数量设为三个，三个作动器(1)在上平台上共同铰接于一点，扰振源的质心在上平台的垂直投影与三个作动器(1)在上平台的共同铰接点重合，三个作动器(1)在下平台上分别铰接于三点且三点连线呈等边三角形，扰振源的质心在下平台的垂直投影与所述等边三角形的中心重合。

2.根据权利要求1所述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置，其特征在于：所述三个作动器(1)分别为第一作动器(101)、第二作动器(102)、第三作动器(103)；第一作动器(101)和第二作动器(102)均通过球铰链与上平台(5)连接，第一作动器(101)和第二作动器(102)均通过单自由度铰链与下平台(6)连接，第三作动器(103)通过球铰链与上平台(5)和下平台(6)连接。

3.根据权利要求1所述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置，其特征在于：所述作动器(1)包括活动元件(2)、隔振元件(3)和传感器(4)；隔振元件(3)和传感器(4)均安装在活动元件(2)中，活动元件(2)用于缓冲扰振源的振动传递，隔振元件(3)用于抑制扰振源的振动传递，传感器(4)用于检测活动元件(2)的运动状态。

4.根据权利要求3所述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置，其特征在于：所述活动元件(2)包括滑套(201)、导轨(202)和电机(203)；滑套(201)和导轨(202)均采用圆柱体结构，滑套(201)一端设有用于连接上平台(5)的球铰链，滑套(201)另一端设有孔，隔振元件(3)与导轨(202)一端安装在所述孔中，导轨(202)另一端设有用于连接下平台(6)的球铰链或单自由度铰链，电机(203)分别与滑套(201)和导轨(202)固定连接，用于驱动滑套(201)沿导轨(202)运动，滑套(201)和导轨(202)均与传感器(4)连接，用于检测滑套(201)和导轨(202)的相对位移。

5.根据权利要求4所述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置，其特征在于：所述隔振元件(3)包括弹簧(301)和阻尼垫(302)；弹簧(301)一端与阻尼垫(302)贴合并安装在滑套(201)中，弹簧(302)另一端与导轨(202)贴合。

6.根据权利要求5所述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置，其特征在于：所述滑套(201)与导轨(202)同轴。

7.根据权利要求5所述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置，其特征在于：所述弹簧(301)的刚度范围是2000～10000N/m。

8.根据权利要求5所述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置，其特征在于：所述阻尼垫(302)的阻尼范围是0.1～0.5。

9.根据权利要求2所述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置，其特征在于：所述上平台(5)上设有用于连接作动器(1)的球铰支座。

10.根据权利要求2所述的一种轻巧型星上执行机构隔振装置，其特征在于：所述下平台(6)上分别设有用于连接作动器(1)的球铰支座和单自由度铰支座。