CN107458630B - 悬挂式主动重力补偿系统悬挂点跨尺度跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明悬挂式主动重力补偿系统悬挂点跨尺度跟踪方法其跟踪系统为由悬挂装置、缓冲装置、倾角传感器、万向节、张力传感器、竖向补偿线性模组、水平随动装置与驱动控制单元构成的三自由度主动随动跟踪系统，根据模拟航天器的位置与悬挂式主动重力补偿系统悬挂点位置间的关系，通过求导得到跟踪系统与跟踪目标速度间的关系，从而得到跟踪系统的运动学方程，设计了满足鲁棒性要求、无超调、动态性能好、跟踪精度高的滑模控制器，完成了对模拟航天器的重力补偿及运动跟踪。

Description

悬挂式主动重力补偿系统悬挂点跨尺度跟踪方法

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，具体涉及悬挂式主动重力补偿系统悬挂点跨尺度跟踪方法。

背景技术

我国目前正积极开展航天相关技术研究，为适应恶劣的太空环境，顺利完成航天任务，各类航天器卫星在发射前，必须在地面进行充分的实验验证。太空环境的一个重要的特征是微重力，然而，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建立一个与空间真实状况相近的微重力环境。要实现这个目标，其关键是补偿航天器在地面实验室环境中所受的重力。悬挂法作为一种可以提供长时间、大空间的重力补偿方法在航天器地面验证中有着重要应用，其原理为利用悬挂拉力补偿航天器地面受到的重力，同时保证悬挂拉力始终与航天器重力处于同一条直线上，为了实现上述目标需快速跟踪悬挂点的速度与拉力。

发明内容

本发明提出了可同时跟踪悬挂点速度与悬挂拉力的跨尺度跟踪方法，具有抗干扰、鲁棒性好且跟踪精度高的特点，不仅可模拟空间的微重力环境，还可以模拟出月球、火星等与地球重力不同的星球环境，保证航天器地面试验验证时的环境与其工作环境相同。

在地面验证过程中，重力补偿的精度对验证航天器的相关性能有重要的影响，因此系统应具有良好的动态性能、无超调及允许范围内的静态误差，本发明提出的控制策略可以很好的完成这一目标，从而提高航天器地面验证的置信度。

本发明的技术方案：

本发明悬挂式主动重力补偿系统悬挂点跨尺度跟踪方法的跟踪系统由悬挂装置、缓冲装置、倾角传感器、万向节、张力传感器、竖向补偿线性模组、水平随动装置及驱动控制单元构成，在驱动控制单元相关伺服电机的带动下跟踪航天器的运动以及与航天器间的作用力，利用缓冲装置中的弹簧，将对航天器间力的跟踪转化为对弹簧形变量的跟踪，通过设计对应的控制器，完成对航天器的重力补偿及运动跟踪。

本发明根据航天器的位置与悬挂式主动重力补偿系统悬挂点位置间的关系，通过求导得到跟踪系统与跟踪目标速度间的关系，从而得到跟踪系统的运动学方程，设计满足要求的控制器。本发明对比已有的技术有如下特点：相对于悬挂系统的动力学模型，其控制输入为跟踪系统的伺服电机速度，与一般伺服系统的控制量相同，应用于实际系统时无需再转化，只需考虑悬挂系统的自由度，适用性强，且控制器鲁棒性好跟踪精度高，系统动态性能良好、无超调、抗干扰能力强。

附图说明

图1是本发明的跟踪系统的结构示意图。

图中标号：1：模拟航天器；2：悬挂装置；3：缓冲装置；4：倾角传感器；5：万向节；6：张力传感器；7：竖向补偿线性模组；8：水平随动装置。

图2是本发明的坐标图。

图3是本发明的模拟航天的运动速度。

图4是本发明的控制输出与参考输入。

图5是本发明跟踪误差。

图6是本发明的滑模面。

图7是本发明控制输入。

图8是本发明的跟踪速度与模拟航天器的运动速度。

具体实施方式

结合图1，悬挂式主动重力补偿系统悬挂点跨尺度跟踪方法的跟踪系统由悬挂装置2、缓冲装置3、倾角传感器4、万向节5、张力传感器6、竖向补偿线性模组7、水平随动装置8与驱动控制单元构成。模拟航天器1安装在悬挂装置2上，悬挂装置2与缓冲装置3一端连接，缓冲装置3的另一端与倾角传感器4的安装板连接，倾角传感器4的安装板连接到万向节5上，万向节5通过张力传感器6安装到竖向补偿线性模组7上，竖向补偿线性模组7安装在水平随动装置8上，竖向补偿线性模组7与水平随动装置8在驱动控制单元的伺服电机的带动下运动。

结合图2，Q-XYZ为系统的静态坐标系，其中X轴垂直于纸面指向纸面外，Z轴竖直向上，Y轴与X轴、Z轴构成右手坐标系，水平随动装置8、竖向补偿线性模组7、万向节5以及模拟航天器1的质心分别记为O、O₁、O₂与O₃，且O₃悬挂式主动重力补偿系统等效悬挂点，以O点为原点，垂直纸面方向为x轴，指向纸面外的方向为正，竖向补偿线性模组7所在的直线为z轴，方向竖直向上为正，y轴与x轴、z轴构成右手坐标系，此坐标系跟随水平随动单元运动。以O₂点为原点，建立坐标系O₂-x₂y₂z₂，x₂、y₂与z₂轴分别与x、y与z轴平行，方向相同，坐标系O₂-x₂₁y₂₁z₂₁为其相对于坐标系O₂-x₂y₂z₂经过两次旋转得到，首先绕y₂轴旋转β_x，再绕新形成的坐标系的x'₂轴旋转β_y得到，β为缓冲装置相对竖向的摆角，易知β_x,β_y为其正交分解，β＝0时两坐标系重合。坐标系O₃-x₃y₃z₃，为以模拟航天器1的质心O₃为坐标系原点建立的，x₃、y₃与z₃轴分别与x、y与z轴平行，方向相同。缓冲装置3所用弹簧假设为轻质弹簧，原长l₀，刚度系数为k，l₁＝Mg/k，为装载模拟航天器后弹簧的变化量，弹簧上拉力与模拟航天器1重力相等时设为跟踪系统的平衡点，形变量为l＝0，记d₀＝l₀+l₁，d＝d₀+l。初始状态时，O、O₁与O₂的坐分别为(x₀,y_0y,z₀),(x₀,y₀,z₀),(x₀,y_0y,z₀-h₀),则当模拟航天器运动到位置(x₀+x_M,y₀+y_M,z₀+z_M-h₀-d₀)，x_M,y_M,z_M为模拟航天器沿坐标轴x₃、y₃与z₃运动的位移，此时等效悬挂点O₃在悬挂系统中的坐标为(x₀+x+dsinβ_xcosβ_y,y₀+y+dsinβ_y,z₀+z-h₀-dcosβ_xcosβ_y)，x,y,z为悬挂式主动重力补偿系统沿x、y与z轴随动的位移，据上所述，有

由悬挂式主动重力补偿系统跟随过程中β≤5°,有sinβ≈β,cosβ≈1上式简化为

则

对等式两侧求导有

有

令

可得系统运动学模型

将等式(1)写成

则有

b(q)＝diag[-1/d,-1/d,1]，d＝[v₁/d,v₂/d,-v₃]^T。

选参考输入即控制目标q_d＝[0,0,l_d]^T，e＝q-q_d，

滑模面选为

其中s＝[s₁,s₂,s₃]^T∈R³,c₀＝diag(c₀₁,c₀₂,c₀₃),c₁＝diag(c₁₁,c₁₂,c₁₃)，c_0i与c_1i均大于0，i＝1,2,3且参数选取满足Hurwitz条件。

系统控制器设计为

其中C＝[c₀,c₁]^T,B(q)＝[diag(1,1,1),b(q)]^T,F(q)＝[1,1,1,f(q)^T]^T,

λ＝[λ₁,λ₂,λ₃]^T，ε为任意小的正数。

控制器参数设定及调整规律为

1)初定c₁＝diag(1,1,1)，c₁过大系统容易振荡；

2)初定c₀＝diag(10,1,1)，λ＝diag(50,10,10)，若系统静态误差大则增大λ对应的参数直至系统输出曲线带有毛刺；

3)此时增大c₀对应的参数，直至系统输出曲线毛刺消失，获得平滑的系统输出曲线；

4)最后增加c₁对应的参数进一步加快系统收敛速度。

5)选取ε＝0.5，ε＞0.5，系统误差增大，ε＜0.5，系统易抖动；

当参数调整为c₀＝diag(10,10,100),c₁＝diag(1,1,1),λ＝diag(1000,1000,1200)，ε＝0.5时，模拟航天器1运动速度如图3所示时，系统的输出及参考输入q,q_d、输出误差e、滑模面s、系统控制输入u分别如图4～图7所示，图8为模拟航天器1的运动速度v与系统跟踪速度u在特定跟踪目标的跟踪速度对比图。

Claims (7)

1.悬挂式主动重力补偿系统悬挂点跨尺度跟踪方法，其特征是：跟踪系统为由悬挂装置、缓冲装置、倾角传感器、万向节、张力传感器、竖向补偿线性模组、水平随动装置与驱动控制单元构成的三自由度主动随动跟踪系统，跟踪对象为模拟航天器的运动速度以及模拟航天器与跟踪系统间的作用力；

其悬挂点的运动模型为

q₁,q₂,q₃为运动学模型状态，分别表示模拟航天器与竖向方向夹角的正交分解以及缓冲装置弹簧形变量，v₁,v₂,v₃为模拟航天器的运动速度的正交分解，d＝l₀+l₁+l，l₀缓冲装置弹簧原长，k弹簧刚度系数，l₁＝Mg/k，M为模拟航天器重量，g为重力加速度，u₁,u₂,u₃为驱动控制单元伺服电机的运动速度，且为跟踪系统的控制输入。

2.根据权利要求1所述的悬挂式主动重力补偿系统悬挂点跨尺度跟踪方法，其特征是：模拟航天器安装在悬挂装置上，悬挂装置与缓冲装置一端连接，缓冲装置的另一端与倾角传感器的安装板连接，倾角传感器的安装板连接到万向节上，万向节通过张力传感器安装到竖向补偿线性模组上，竖向补偿线性模组安装在水平随动装置上，竖向补偿线性模与水平随动装置在驱动控制单元的伺服电机的带动下运动，缓冲装置将跟踪系统对模拟航天器拉力的跟踪转化为对弹簧形变量的跟踪。

3.根据权利要求1所述的悬挂式主动重力补偿系统悬挂点跨尺度跟踪方法，其特征是：模拟航天器的运动速度v₁,v₂,v₃未知，设计控制器时视为系统干扰。

4.根据权利要求1所述的悬挂式主动重力补偿系统悬挂点跨尺度跟踪方法，其特征是：系统运动学模型可改写为

b(q)＝diag[-1/d,-1/d,1]，d＝[v₁/d,v₂/d,-v₃]^T。

5.根据权利要求1或4所述的悬挂式主动重力补偿系统悬挂点跨尺度跟踪方法，其特征是：q＝[q₁,q₂,q₃]^T，控制目标为q_d＝[0,0,l_d]^T，误差e＝q-q_d，滑模面

s＝[s₁,s₂,s₃]^T∈R³,c₀＝diag(c₀₁,c₀₂,c₀₃),c₁＝diag(c₁₁,c₁₂,c₁₃)，c_0i与c_1i均大于0，i＝1,2,3。

6.根据权利要求5所述的悬挂式主动重力补偿系统悬挂点跨尺度跟踪方法，其特征是：跟踪系统控制器设计为

C＝[c₀,c₁]^T,B(q)＝[diag(1,1,1),b(q)]^T,F(q)＝[1,1,1,f(q)^T]^T,

ε为任意小的正数。

7.根据权利要求6所述的悬挂式主动重力补偿系统悬挂点跨尺度跟踪方法，其特征是：控制器参数设定及调整规律为

1)初定c₁＝diag(1,1,1)，c₁过大系统容易振荡；

2)初定c₀＝diag(10,1,1)，λ＝diag(50,10,10)，若系统静态误差大则增大λ对应的参数直至系统输出曲线带有毛刺；

3)此时增大c₀对应的参数，直至系统输出曲线毛刺消失，获得平滑的系统输出曲线；

4)最后增加c₁对应的参数进一步加快系统收敛速度；

5)选取ε＝0.5，ε＞0.5，系统误差增大，ε＜0.5，系统易抖动。

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