CN109515769A - 多星悬吊式微重力模拟系统 - Google Patents

Abstract

多星悬吊式微重力模拟系统，解决了现有悬吊法在多星模拟时容易产生干涉的问题，能够适用于多星模拟交错运动的环境。本发明包括平板、桁架、多个伺服悬吊式微重力模拟器；每个伺服悬吊式微重力模拟器包括：矢量主动跟随平台、气浮被动跟随平台、升降机构和微重力模拟器；矢量主动跟随平台可在平板的下表面移动，气浮被动跟随平台设置在矢量主动跟随平台上；升降机构固定在气浮被动跟随平台上，升降机构的自由伸缩端连接微重力模拟器；矢量主动跟随平台根据微重力模拟器位置，带动气浮被动跟随平台运动至该位置，气浮被动跟随平台保证升降机构位于矢量主动跟随平台的中心位置，且使升降机构的自由伸缩端铅垂，实现微重力模拟器位置的精确位置跟随。

Description

多星悬吊式微重力模拟系统

技术领域

本发明涉及一种微重力模拟系统，特别涉及一种多星悬吊式微重力模拟系统，属于模拟试验技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展，卫星在军事方面的作用越来越重要，用途涵盖图像摄像、导航定位、导弹预警、军用通信和电子窃听等。为确保能够打赢未来高技术战争，卫星的高可靠性是尤为重要的，因此，在地面上进行合理的高相似度的模拟实验对提高卫星可靠性具有非常重要的现实意义。由于卫星发射的成本较高，试验失败损失较大，这就要求在地面上对卫星的机动能力及有效载荷进行多次模拟试验，以免考虑不周，任务失败。

随着空间应用领域的拓展，由单一航天器完成飞行任务的应用模式已经不能满足越来越复杂的空间任务的要求。很多空间任务更是从测量原理上要求多个航天器协同工作，从不同位置、多个角度来同时获得信息，因此有必要开展大规模星群智能协同控制的研究。智能协同算法的有效性需要进行验证，单纯的计算机建模仿真需要建立复杂的动力学模型，无法完全考虑到现实的各种情况，因此有必要构建全自由度地面模拟与试验系统。另外，太空中是微重力环境，因此需要能够进行动力学仿真的多星模拟系统具有高精度

目前，地面上进行微重力模拟试验的系统多采用托举式和悬吊方案。

由于托举式微重力模拟系统在z轴方向的运动不灵活，无法满足大范围的模拟运动的任务需要。而悬吊法可进行三维微重力模拟，结构相对简单，易于实现，模拟时间不受限制，应用广泛。缺点是微重力模拟精度不高，支撑绳索的桁架机构复杂，占用空间大，绳索运动时所受摩擦力大，严重影响试验精度，多星模拟悬吊法易产生干涉。另外，由于仿真卫星数量多、机动范围大，现有的桁架系统无法应用。

发明内容

针对现有悬吊法在实现多星模拟时容易产生干涉的问题，本发明提供一种能够适用于多星模拟交错运动的环境的多星悬吊式微重力模拟系统。

本发明的多星悬吊式微重力模拟系统，所述系统包括：平板1、桁架2、多个伺服悬吊式微重力模拟器3和全局测量系统；

每个伺服悬吊式微重力模拟器3包括矢量主动跟随平台、气浮被动跟随平台32、升降机构和微重力模拟器；

平板1设置在桁架2上，桁架2用于支撑平板1，矢量主动跟随平台倒置在平板1的下表面，矢量主动跟随平台可在平板1的下表面移动，气浮被动跟随平台32设置在矢量主动跟随平台上；

升降机构固定在气浮被动跟随平台32上，升降机构的自由伸缩端与微重力模拟器连接；

全局测量系统，用于实时测量微重力模拟器的位置；

矢量主动跟随平台，用于根据全局测量系统测量的微重力模拟器位置，带动气浮被动跟随平台32运动至该位置，实现微重力模拟器位置的初步跟随；

气浮被动跟随平台32，用于根据矢量主动跟随平台的位置，带动微重力模拟器运动，实现微重力模拟器位置的精确位置跟随；

所述气浮被动跟随平台32在实现微重力模拟器位置的精确位置跟随时，保证升降机构位于矢量主动跟随平台的中心位置，且使升降机构的自由伸缩端铅垂。

优选的是，所述平板1为铁基平板，所述矢量主动跟随平台包括驱动装置311、麦克纳姆平移小车312和电磁吸附装置313；

驱动装置311和电磁吸附装置313的连接端面固定在麦克纳姆平移小车312上，电磁吸附装置313的吸附端面吸附在铁基平板的下表面；

麦克纳姆平移小车的驱动轮314与铁基平板的下表面接触，驱动装置311驱动麦克纳姆平移小车312在铁基平板的下表面运动。

优选的是，所述微重力模拟器包括恒力系统34、万向轴承35和星模拟器36；

升降机构的底端与恒力系统34的顶端连接，恒力系统34通过万向轴承35与星模拟器36连接。

优选的是，所述升降机构包括卷扬机331和绳332；

卷扬机331固定在气浮被动跟随平台32上，绳332的顶端固定在卷扬机331上，绳332的底端与恒力系统34的顶端连接。

本发明的有益效果在于，本发明提出了一种结合矢量移动机器人和悬吊方式模拟的新型微重力系统，利用恒力系统保证星模拟器的微重力试验环境，矢量主动跟随平台利用电磁式与铁基平板完成吸附，矢量主动跟随平台和气浮被动跟随平台的结合能够适用于多星模拟交错运动的环境，矢量主动跟随平台带动气浮被动跟随平台实现微重力模拟器位置的初步跟随，气浮被动跟随平台带动升降机构实现微重力模拟器位置的精确位置跟随，减小附加惯量。本发明能实现多颗模拟卫星的六自由度、大行程、低干涉、高精度、高相应速度的零重力环境的模拟。

附图说明

图1为本发明多星悬吊式微重力模拟系统的结构示意图；

图2为矢量主动跟随平台、气浮被动跟随平台、升降机构、恒力系统、万向轴承和星模拟器的连接关系示意图；

图3为气浮被动跟随平台32的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式的一种多星悬吊式微重力模拟系统，包括平板1、桁架2、多个伺服悬吊式微重力模拟器3和全局测量系统；

每个伺服悬吊式微重力模拟器3包括矢量主动跟随平台、气浮被动跟随平台32、升降机构和微重力模拟器；

平板1设置在桁架2上，桁架2用于支撑平板1，矢量主动跟随平台倒置在平板1的下表面，矢量主动跟随平台可在平板1的下表面移动，气浮被动跟随平台32设置在矢量主动跟随平台上；

升降机构固定在气浮被动跟随平台32上，升降机构的自由伸缩端与微重力模拟器连接；

全局测量系统，用于实时测量微重力模拟器的位置；

矢量主动跟随平台，用于根据全局测量系统测量的微重力模拟器位置，带动气浮被动跟随平台32运动至该位置，实现微重力模拟器位置的初步跟随；

气浮被动跟随平台32，用于根据矢量主动跟随平台的位置，带动微重力模拟器运动，实现微重力模拟器位置的精确位置跟随；

所述气浮被动跟随平台32在实现微重力模拟器位置的精确位置跟随时，保证升降机构位于矢量主动跟随平台的中心位置，且使升降机构的自由伸缩端铅垂。

本实施方式的平板1和桁架2组成龙门架，为模拟系统提供可靠支撑，多个伺服悬吊式微重力模拟器3在平板1的下表面交错运动，本实施方式的矢量主动跟随平台实现主动粗跟随，直线二维的气浮被动跟随平台实现被动精确跟随，能够实现多目标运动间的不干涉，主动粗跟随和被动精跟随的移动方式，减小了附加惯量。

优选实施例中，平板1为铁基平板，所述矢量主动跟随平台包括驱动装置311、麦克纳姆平移小车312和电磁吸附装置313；

驱动装置311和电磁吸附装置313的连接端面固定在麦克纳姆平移小车312上，电磁吸附装置313的吸附端面吸附在铁基平板的下表面；

麦克纳姆平移小车的驱动轮314与铁基平板的下表面接触，驱动装置311驱动麦克纳姆平移小车312在铁基平板的下表面运动。

为保证12m×12m×8m运动范围，本实施方式的龙门架的尺寸约为15m×15m×10m；本实施方式的矢量主动跟随平台为是低干涉倒置二维伺服跟随系统，其中高精度铁基平板是低干涉倒置二维伺服跟随系统的工作面，与电磁铁吸附装置吸合连接，要求具有较高的平面度、水平度和刚度；

本实施方式的龙门架同时具备扶梯及工作平台，方便人员上下龙门架，对模拟系统进行装配及后期维护等，龙门架同时配备护栏、安全吊索等，用来保护维护人员的人身安全。低干涉倒置二维伺服跟随系统

本实施方式的麦克纳姆平移小车312，用于大面积粗精度的二维平动。麦克纳姆平移小车312的工作面为高精度铁基平板的下表面，通过电磁吸附装置产生磁力制造反重力场，使麦克纳姆轮与铁基平板下表面接触，通过控制麦克纳姆轮的转动，实现多星编队过程中的低干涉二维伺服平移。

如图3所示，本实施方式的气浮被动跟随平台32由二轴正交的气浮导轨321及气浮轴承322和非接触距离传感器组成，非接触距离传感器安装在气浮导轨321的两端，非接触距离传感器能够测量气浮轴承322相对于气浮导轨321的位置，利用模糊控制方法，控制麦克纳姆平移小车312的运动速度，使气浮轴承322相对于气浮导轨321的位置始终保持在相对中间的位置，进而保障了实验系统水平方向的大行程，同时麦克纳姆平移小车312的结构能尽可能的保证较低的干涉度。

当升降机构的吊绳被拉偏时，拉力在水平方向产生分量，气浮轴承322的动摩擦很小，极小的力就能带动气浮轴承322运动，因为气浮被动跟随平台32是被动式，因此能实现小范围高精度高响应速度的二维伺服跟踪，保证升降机构的吊绳的铅垂；根据距离传感器测得的气浮轴承322相对于气浮导轨321的位置，控制矢量主动跟随平台运动速度，使气浮轴承322始终位于气浮导轨321中间的位置，两套系统配合，实现大范围、高精度且多吊点不干涉的二维平移伺服跟踪系统。

优选实施例中，本实施方式的升降机构包括卷扬机331和绳332；

卷扬机331固定在气浮被动跟随平台32上，绳332的顶端固定在卷扬机331上，绳332的底端与恒力系统34的顶端连接。

本实施方式根据力敏感器测得的拉力值，采用模糊控制的方法，改变卷扬机331电机的运动速度，实现竖直方向大扬程但低恒力精度的升降。

优选实施例中，本实施方式微重力模拟器包括恒力系统34、万向轴承35和星模拟器36；

升降机构的底端与恒力系统34的顶端连接，恒力系统34通过万向轴承35与星模拟器36连接。

本实施方式的恒力系统34主要由刀式凸轮恒力弹簧、音圈电机、音圈电机驱动器和高精度拉力敏感器所组成，恒力弹簧输出恒定的拉力，音圈电机对拉力进行进一步补偿，用于实现小范围但高精度的恒力输出；通过与升降机构配合，实现大范围、高精度的恒力伺服系统。

本实施方式的万向轴承35由三组正交的气浮轴承322所组成，为卫星模拟器创造三轴姿态空间模拟环境，现有的气浮球轴承只能采用支撑的形式，不适用于本实施方式的吊拉工作方式，故不适用，本实施方式的气浮轴承322的摩擦力很小，可认为三轴处于自由状态。

本实施方式的星模拟器36包括:卫星模拟器结构框架、控制单元，惯性测量单元、执行机构和伺服调平装置。

卫星模拟器结构框架用于装载模拟器有效载荷；控制单元为高性能星载计算机，用于采集敏感器数据、接受地面综控系统指令、集成集群协同算法并控制执行机构的输出；执行机构包括喷气推力器及反作用飞轮，喷气推力器共有12组，能提供水平和铅垂方向的推力，反作用飞轮有3个，能提供3个正交方向上的力矩，从而控制星模拟器六个自由度的运动；惯性测量单元为陀螺仪和加速度计，用于测量星模拟器的位置及姿态，同时测量星模拟器的运动速度及角速度；伺服调平装置用于调整星模拟器的质心，使质心落在气浮轴承322旋转中心附近，避免重力产生的力矩干扰模拟器的姿态控制。

本实施方式的全局测量系统采用ET-ONE超高精度定位系统，用于对星模拟器的运动进行全程高精度高频响的非接触测量，评价试验效果。

ET-ONE超高精度定位系统主要由激光基站、定位模块、USB接收模块、配套软件组成。其中最核心部分为定位模块，用于接收激光信号并解算模块相对于基站所在位置，定位模块根据需求可分为高精度版与高速运动版，定位模块之间可组网互相通信告知彼此自己所在位置。USB接收模块通过ZigBee技术将定位模块传过来的位置数据及姿态数据(惯导)输入电脑，通过配套显示软件显示出来，可通过配套软件提供的SDK将定位数据用于定位、校准及控制。ET-ONE定位系统采用激光定位，使用AOA(到达角度)原理计算各个传感器在基站坐标系(以基站为原点)之位置信息。其工作步骤如下所示：

1.激光基站发射同步脉冲，传感器接收同步脉冲，开始计时。

2.激光基站在发射完同步脉冲以后，通过转动的电机，将扇形激光面扫过整个空间，称之为定位扫描，包括XY两个方向。

3.传感器通过同步脉冲与定位扫描之间的时间间隔，计算出传感器相对于基站位置的角度。

4.板载程序使用得到的角度信息、传感器本身相对位置信息，计算出基站坐标系下各传感器位置。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.一种多星悬吊式微重力模拟系统，其特征在于，所述系统包括：平板(1)、桁架(2)、多个伺服悬吊式微重力模拟器(3)和全局测量系统；

每个伺服悬吊式微重力模拟器(3)包括矢量主动跟随平台、气浮被动跟随平台(32)、升降机构和微重力模拟器；

平板(1)设置在桁架(2)上，桁架(2)用于支撑平板(1)，矢量主动跟随平台倒置在平板(1)的下表面，矢量主动跟随平台可在平板(1)的下表面移动，气浮被动跟随平台(32)设置在矢量主动跟随平台上；

升降机构固定在气浮被动跟随平台(32)上，升降机构的自由伸缩端与微重力模拟器连接；全局测量系统，用于实时测量微重力模拟器的位置；

矢量主动跟随平台，用于根据全局测量系统测量的微重力模拟器位置，带动气浮被动跟随平台(32)运动至该位置，实现微重力模拟器位置的初步跟随；

气浮被动跟随平台(32)，用于根据矢量主动跟随平台的位置，带动升降机构运动，实现微重力模拟器位置的精确位置跟随，所述气浮被动跟随平台(32)在实现微重力模拟器位置的精确位置跟随时，保证升降机构位于矢量主动跟随平台的中心位置，且使升降机构的自由伸缩端铅垂。

2.根据权利要求1所述的多星悬吊式微重力模拟系统，其特征在于，

所述平板(1)为铁基平板，所述矢量主动跟随平台包括驱动装置(311)、麦克纳姆平移小车(312)和电磁吸附装置(313)；

驱动装置(311)和电磁吸附装置(313)的连接端面固定在麦克纳姆平移小车(312)上，电磁吸附装置(313)的吸附端面吸附在铁基平板的下表面；

麦克纳姆平移小车的驱动轮(314)与铁基平板的下表面接触，驱动装置(311)驱动麦克纳姆平移小车(312)在铁基平板的下表面运动。

3.根据权利要求2所述的多星悬吊式微重力模拟系统，其特征在于，所述微重力模拟器包括恒力系统(34)、万向轴承(35)和星模拟器(36)；

升降机构的底端与恒力系统(34)的顶端连接，恒力系统(34)通过万向轴承(35)与星模拟器(36)连接。

4.根据权利要求3所述的多星悬吊式微重力模拟系统，其特征在于，所述升降机构包括卷扬机(331)和绳(332)；

卷扬机(331)固定在气浮被动跟随平台(32)上，绳(332)缠绕在卷扬机(331)上，绳(332)的自由伸缩端与恒力系统(34)的顶端连接。