CN107182252B - 高速运动绳索绝对方位角多级测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速运动绳索绝对方位角多级测量系统，以达到在探测器进行水平方向的快速运动的过程中，实现对探测器吊绳的绝对方位角的精确测量；该测量系统包括倾角测量装置和激光陀螺仪；倾角测量装置包括两个万向联轴节、两个编码器和钢管，该测量系统被设置在快速随动系统中的卷筒两侧，当卷筒进行收或放绳时，倾角测量装置通过钢管跟随卷筒沿轴向的滑轨进行移动，编码器可实时获取吊绳相对圆盘的方位角；激光陀螺仪用以获取圆盘的实时姿态，编码器和激光陀螺仪分别通过电缆传送测量数据至地面控制器，控制器根据叠加原理，计算得到吊绳在大地坐标系下的绝对方位角。

Description

高速运动绳索绝对方位角多级测量系统

技术领域

本发明属于航天探测设计领域，具体涉及一种高速运动绳索绝对方位角的多级测量系统。

背景技术

目前，在我国的航天计划中，为实现软着陆，探测器需要在月球上空完成几个动作，包括：悬停、避障、缓速下降、着陆等。受发射火箭推力的限制，月球探测器又不能携带过多发动机的燃料，这就要求整个着陆过程要在很短的时间内完成。因此，月球探测器如何在月球表面上空有效协调和准确完成这些动作，就成为了实现软着陆的主要问题。

在进行软着陆之前，必须对月球探测器的“悬停、避障、缓速下降、着陆”等关键动作进行试验验证。当然，这些试验不能在月球上进行，必须在地球上完成。因此，有必要在地球上建立一个用以模拟探测器在月球表面降落的空间环境系统。

在对月球探测器进行软着陆之前的“避障”动作的模拟过程中，与探测器相连接的吊绳会随动地进行高速运动，为了保持月球探测器的竖直受力方向，就需要对所述吊绳的绝对方位角进行实时测量，使得所控制的实时绝对方位角保持在允许的范围内，这样，在进行测量的过程中对于所测得的实时绝对方位角的精确度要求很高，因此，需要设计一种测量系统，能够实现对探测器吊绳的绝对方位角的精确测量。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高速运动绳索绝对方位角的多级测量系统，以达到在探测器进行水平方向的快速运动的过程中，实现对探测器吊绳的绝对方位角的精确测量。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种高速运动绳索绝对方位角的多级测量系统，该测量系统的外围设备包括第一拉力调节电机、第二拉力调节电机、连接板、圆盘、卷筒、吊绳、卡轨器和滑轨；所述测量系统包括倾角测量装置和激光陀螺仪；其中：

倾角测量装置的材料为铝型材料，倾角测量装置包括两个万向联轴节、两个编码器和钢管；两个编码器分别被设置在两个相互垂直的万向联轴节上，钢管连接在两个编码器和两个万向联轴节所构成连接体的底部。

所述第一拉力调节电机和第二拉力调节电机为垂直连接方式，两者构成一个垂直连接机构，该垂直连接机构上端连接在连接板的下表面，所述连接板的上表面连接圆盘，且使所述垂直连接机构的重心与圆盘的中心在同一铅垂线上；第二拉力调节电机的后端连接卷筒，且使卷筒的转动轴与第二拉力调节电机连接为一体；卷筒引出端的绳索为吊绳，吊绳穿过且被固定在两个椭圆型钢环的同一侧，钢管穿过且被固定在两个钢环的另一同向侧，使得钢管与吊绳连接起来；吊绳下端连接探测器；所述倾角测量装置的上端依次通过卡轨器和滑轨连接在连接板的下表面，卡轨器卡合在滑轨上，滑轨的长度方向与卷筒的轴向平行。所述卡轨器的长度为150mm。

所述滑轨的设计长度l₁为卷筒的出绳点沿卷筒的轴向进行移动的长度范围l₀，即l₁＝l₀；l₀的确定过程为：根据给定的卷筒上绳索的总变化量l₂和卷筒的直径D，采用l₂/πD，计算得到绳索绕卷筒的圈数N；根据给定绳索的直径d和绳索在卷筒上的间隙α，则有：

l₀＝(d+a)×N (4)

在卷筒上且与倾角测量装置的安装位置对称的一侧还设置有激光陀螺仪；编码器和激光陀螺仪分别通过电缆连接地面控制间内的控制器上。

所述测量系统在进行测量的过程中基于大地坐标系O-XYZ，所建立的大地坐标系为：以月球着落试验架系统中的月球表面模拟区中心为坐标原点O，以竖直方向为z轴，以月球表面模拟区所在平面为xoy面，在该xoy面上，x轴沿水平方向，以垂直于x轴方向为y轴。

所述测量系统的测量过程为：

1)两个编码器实时获取吊绳相对圆盘的方位角，包括相对x方向的横向角α′(t)和相对y方向的纵向角β′(t)，并通过电缆传送至所述控制器；同时，激光陀螺仪获取圆盘的实时姿态，包括俯仰角α(t)、横滚角β(t)和偏航角γ(t)，并通过电缆传送至所述控制器。

2)控制器根据横向角α′(t)、纵向角β′(t)、俯仰角α(t)、横滚角β(t)和偏航角γ(t)，采用叠加原理进行如下计算：

α₀(t)＝α′(t)+α(t) (1)

β₀(t)＝β′(t)+β(t) (2)

其中，α₀(t)为吊绳在大地坐标系下，相对x方向的角度；β₀(t)为吊绳在大地坐标系下，相对y方向的角度；吊绳在大地坐标系下，相对z方向的角度γ₀(t)为：

γ₀(t)＝γ(t) (3)

最终控制器可得到吊绳在大地坐标系下的绝对方位角为α₀(t)、β₀(t)和γ₀(t)。

有益效果：

本发明所提供的测量系统，通过将倾角测量装置、激光陀螺仪以及外围设备进行合理布置，并分别将倾角测量装置和激光陀螺仪所获取的不同参考系下的相对x方向、y方向的方位角进行相应地叠加，这样通过两级测量的方式，最终可测得探测器吊绳的绝对方位角。此外，在进行测量的过程中，根据所采用的倾角测量装置和激光陀螺仪检测精度可得到整个测量系统的较高的检测精度，从而体现了测量过程中的精确性。

附图说明

图1为本发明所提供的结构示意图。

图2为本发明所提供的倾角测量装置的结构示意图；

其中，1-倾角测量装置，2-连接板，3-第一拉力调节电机，4-第二拉力调节电机，5-卷筒，6-万向联轴节，7-编码器，8-钢管，9-吊绳，10-卡轨器，11-滑轨。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种高速运动绳索绝对方位角的多级测量系统，该多级测量系统的外围设备包括第一拉力调节电机3、第二拉力调节电机4、连接板2、圆盘、卷筒5、吊绳9、卡轨器10和滑轨11。该多级测量系统包括倾角测量装置1和激光陀螺仪。该多级测量系统与外围设备的连接示意图，如图1所示。

第一拉力调节电机3和第二拉力调节电机4构成一个垂直连接机构，该垂直连接机构上端有一块连接板2，该连接板2连接圆盘，且该垂直连接机构的重心与圆盘的中心在同一铅垂线上，第二拉力调节电机4的一端连接卷筒5，那么卷筒5也垂直于第一拉力调节电机3。在靠近吊绳9引出端的卷筒5旁侧安装有倾角测量装置1，吊绳9下端连接探测器，用以在进行试验验证过程中在竖直方向上跟随探测器的快速移动。

倾角测量装置1包括两个万向联轴节6、两个编码器7和钢管8，如图2所示。两个编码器7分别被设置在两个相互垂直的万向联轴节6上，用于获取吊绳9相对圆盘的在x、y方向的偏角。钢管8连接在两个编码器7所构成连接体的底部，钢管8穿过两个椭圆型钢环且被固定两个钢环的同一侧，吊绳9也穿过所述两个钢环且被固定在这两个钢环的另一侧，这样使得钢管8与吊绳9连接起来。倾角测量装置1的上端依次通过卡轨器10、滑轨11连接在连接板2的下表面，卡轨器10的长度为150mm，卡轨器10卡合在滑轨11上。滑轨11的长度方向与卷筒5的轴向平行，用以倾角测量装置1跟随吊绳9沿卷筒5的轴向进行移动。倾角测量装置1的材料为铝型材料且钢管8为中空型，使得自身的重量轻，从而惯性小，能够更好地跟随吊绳9而进行移动。

由于卷筒5被设置在所述垂直连接机构上，且卷筒5的轴向为第二拉力调节电机4的轴向，所以，当第一拉力调节电机3和第二拉力调节电机4转动时，卷筒5也同步地绕其轴向进行转动，同时，卷筒5进行收或放绳，在卷筒5进行收或放绳时，卷筒5的出绳点沿卷筒5的轴向进行移动，同时与吊绳9连接的钢管8带动倾角测量装置1沿滑轨11进行移动。

所述滑轨11的设计长度l₁是根据卷筒5的出绳点沿卷筒5的轴向进行移动的长度范围l₀来确定的，即l₁＝l₀，具体确定过程为：给定卷筒5上绳索的变化量为l₂＝10m，卷筒5的直径D＝450mm，采用l₂/πD，计算得到卷筒5上的绳索绕卷筒5的圈数N的范围为9～10。给定绳索的直径d＝14mm，卷筒5上绳索的间隙α为2mm，则l₀可通过公式(1)计算得到。

l₀＝(d+a)×N (1)

在卷筒5上且与倾角测量装置1的安装位置对称的一侧还设置有激光陀螺仪，该激光陀螺仪用以获取圆盘在大地坐标系O-XYZ(以月球表面模拟区的中心为坐标原点，以竖直方向为z轴，以月球表面模拟区所在平面为xoy面，在xoy面上，x轴沿水平方向，以垂直于x轴方向为y轴)下的旋转角度。编码器7、激光陀螺仪分别通过电缆连接地面控制间内的控制器上。

基于所述多级测量系统的测量过程为：

1)在进行试验验证过程中，两个编码器7实时获取吊绳9相对圆盘的方位角，包括相对x方向的横向角α′(t)和相对y方向的纵向角β′(t)，并通过电缆传送横向角α′(t)和纵向角β′(t)至地面控制间内的控制器。

同时，激光陀螺仪获取圆盘的实时姿态，该实时姿态为圆盘在大地坐标系下，圆盘绕x、y、z轴的实时偏移角，即圆盘相对大地坐标系的实时方位角，包括俯仰角α(t)、横滚角β(t)和偏航角γ(t)，其中，俯仰角α(t)为圆盘绕x轴的实时偏移角，横滚角β(t)为圆盘绕y轴的实时偏移角，偏航角γ(t)为圆盘绕z轴的实时偏移角。同时，并通过电缆传送俯仰角α(t)、横滚角β(t)和偏航角γ(t)至地面控制间内的控制器。

2)控制器根据横向角α′(t)、纵向角β′(t)、俯仰角α(t)、横滚角β(t)和偏航角γ(t)，采用叠加原理，分别将相对x方向的横向角α′(t)与俯仰角α(t)、相对y方向的纵向角β′(t)与横滚角β(t)进行叠加为：

α₀(t)＝α′(t)+α(t) (2)

β₀(t)＝β′(t)+β(t) (3)

其中，α₀(t)为吊绳9在大地坐标系下，相对x方向的角度；β₀(t)为吊绳9在大地坐标系下，相对y方向的角度。吊绳9在大地坐标系下，相对z方向的角度γ₀(t)为：

γ₀(t)＝γ(t) (4)

最终可得到吊绳9在大地坐标系下的绝对方位角为α₀(t)、β₀(t)和γ₀(t)。

3)评价精确度指标。

在步骤1)和步骤2)的测量过程中，所采用的激光陀螺仪的检测精度为0.01°，编码器7的检测精度为0.002°，那么整个多级测量系统的检测精度可达到0.012°。因此，通过步骤1)和步骤2)的测量和计算过程，最终所得到的吊绳9在大地坐标系下的绝对方位角的精确性较高。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高速运动绳索绝对方位角的多级测量系统，该测量系统的外围设备包括第一拉力调节电机(3)、第二拉力调节电机(4)、连接板(2)、圆盘、卷筒(5)、吊绳(9)、卡轨器(10)和滑轨(11)；其特征在于，所述测量系统包括倾角测量装置(1)和激光陀螺仪；其中：

倾角测量装置(1)包括两个万向联轴节(6)、两个编码器(7)和钢管(8)；两个编码器(7)分别被设置在两个相互垂直的万向联轴节(6)上，钢管(8)连接在两个编码器(7)和两个万向联轴节(6)所构成连接体的底部；

所述第一拉力调节电机(3)和第二拉力调节电机(4)为垂直连接方式，两者构成一个垂直连接机构，该垂直连接机构上端连接在连接板(2)的下表面，所述连接板(2)的上表面连接圆盘，且使所述垂直连接机构的重心与圆盘的中心在同一铅垂线上；第二拉力调节电机(4)的后端连接卷筒(5)，且使卷筒(5)的转动轴与第二拉力调节电机(4)连接为一体；卷筒(5)引出端的绳索为吊绳(9)，吊绳(9)穿过且被固定在两个椭圆型钢环的同一侧，钢管(8)穿过且被固定在两个钢环的另一同向侧，使得钢管(8)与吊绳(9)连接起来；吊绳(9)下端连接探测器；所述倾角测量装置(1)的上端依次通过卡轨器(10)和滑轨(11)连接在连接板(2)的下表面，卡轨器(10)卡合在滑轨(11)上，滑轨(11)的长度方向与卷筒(5)的轴向平行；

在卷筒(5)上且与倾角测量装置(1)的安装位置对称的一侧还设置有激光陀螺仪；编码器(7)和激光陀螺仪分别通过电缆连接地面控制间内的控制器上；

所述测量系统在进行测量的过程中基于大地坐标系O-XYZ，所建立的大地坐标系为：以月球着落试验架系统中的月球表面模拟区中心为坐标原点O，以竖直方向为z轴，以月球表面模拟区所在平面为xoy面，在该xoy面上，x轴沿水平方向，以垂直于x轴方向为y轴；

所述测量系统的测量过程为：

1)两个编码器(7)实时获取吊绳(9)相对圆盘的方位角，包括相对x方向的横向角α′(t)和相对y方向的纵向角β′(t)，并通过电缆传送至所述控制器；同时，激光陀螺仪获取圆盘的实时姿态，包括俯仰角α(t)、横滚角β(t)和偏航角γ(t)，并通过电缆传送至所述控制器；

2)控制器根据横向角α′(t)、纵向角β′(t)、俯仰角α(t)、横滚角β(t)和偏航角γ(t)，采用叠加原理进行如下计算：

α₀(t)＝α′(t)+α(t) (1)

β₀(t)＝β′(t)+β(t) (2)

其中，α₀(t)为吊绳(9)在大地坐标系下，相对x方向的角度；β₀(t)为吊绳(9)在大地坐标系下，相对y方向的角度；吊绳(9)在大地坐标系下，相对z方向的角度γ₀(t)为：

γ₀(t)＝γ(t) (3)

最终所述控制器得到吊绳(9)在大地坐标系下的绝对方位角为α₀(t)、β₀(t)和γ₀(t)。

2.如权利要求1所述的一种高速运动绳索绝对方位角的多级测量系统，其特征在于，所述滑轨(11)的设计长度l₁为卷筒(5)的出绳点沿卷筒(5)的轴向进行移动的长度范围l₀，即l₁＝l₀；l₀的确定过程为：根据给定的卷筒(5)上绳索的总变化量l₂和卷筒(5)的直径D，采用l₂/πD，计算得到绳索绕卷筒(5)的圈数N；根据给定绳索的直径d和绳索在卷筒(5)上的间隙α，则有：

l₀＝(d+a)×N (4)。

3.如权利要求1或2所述的一种高速运动绳索绝对方位角的多级测量系统，其特征在于，所述倾角测量装置(1)的材料为铝型材料。

4.如权利要求1或2所述的一种高速运动绳索绝对方位角的多级测量系统，其特征在于，所述卡轨器(10)的长度为150mm。