CN109625345B - 一种多维动态微重力环境模拟方法及系统 - Google Patents

一种多维动态微重力环境模拟方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多维动态微重力环境模拟方法及系统，该系统包含：升降架体、翻转工作台、重力平衡机械臂和辅助支撑部件；其中，升降架体的顶端固定设置重力平衡机械臂；翻转工作台滑动设置在升降架体上，可沿竖直方向滑动，且可相对升降架体翻转，用于为空间运动载荷提供安装固定接口；辅助支撑部件一端转动设置在翻转工作台上，另一端与空间运动载荷固定连接；重力平衡机械臂与空间运动载荷通过吊绳连接，其用于构建微重力环境。本发明的方法及系统实现了对多维动态微重力更加稳定、可靠和安全的模拟。

Description

一种多维动态微重力环境模拟方法及系统
技术领域
本发明涉及一种微重力环境模拟系统，具体涉及一种多维动态微重力环境模拟方法及系统。
背景技术
地面微重力模拟是随着航天技术的发展而出现的新研究领域，相比于数字仿真和理论评估，通过微重力模拟所得到的试验数据真实性、可靠性更强，具有不可替代的优势。因此，为保证航天器在轨运行的可靠性，微重力地面模拟试验是一项必不可少的工作。
在空间安全领域，随着多功能、多频段、远距离等多功能复用载荷的不断呈现，载荷结构难免会出现大型空间运动载荷。而大型空间运动载荷的大重量、大尺寸、高成本、极小子样也为地面闭环试验带来一系列需要关注的问题。
大型空间运动载荷的大重量、大尺寸的特点使得在地面闭环试验中，载荷机构驱动能力不足以在存在重力情况下驱动载荷运动。同时，为了模拟其大运动范围，与载荷自身测试不同，地面闭环系统试验需要将载荷固定到高空(2m以上)进行试验。另外，空间载荷一般造价高昂，同时投产只有一台，若发生损坏，将直接影响整个工程任务的进度。
目前，在微重力环境的系统构建时多强调系统专有特性—微重力环境的完成，如某重力平衡机械臂，而未站在系统的角度，对系统的通用特性，如可靠性、安全性等进行设计。然而，空间产品的地面试验中尤其注意对产品安全的保护，因此相应的微重力环境模拟系统必须开展针对性的设计。
发明内容
本发明提供一种用于大型空间运动载荷的多维动态微重力环境模拟方法及系统，该系统解决了现有系统未考虑系统的安全性的问题，能够站在微重力环境模拟系统角度，能够实现更加安全可靠的完成多维动态微重力环境模拟的任务。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于大型空间运动载荷的多维动态微重力环境模拟系统，该系统包含：升降架体、翻转工作台、重力平衡机械臂和辅助支撑部件。
其中，所述的升降架体的顶端固定设置重力平衡机械臂；所述翻转工作台滑动设置在所述升降架体上，可沿竖直方向滑动，且可相对升降架体翻转，用于为空间运动载荷提供安装固定接口；所述辅助支撑部件一端转动设置在所述的翻转工作台上，另一端与空间运动载荷固定连接；所述重力平衡机械臂与空间运动载荷通过吊绳连接，其用于构建微重力环境。
在处于闭环试验状态时，所述的辅助支撑部件转动以收起在所述升降架体的一侧。
在处于闭环试验间歇状态时，所述的辅助支撑部件转动至与所述升降架体垂直，以支撑空间运动载荷。
优选地，所述的升降架体为拼接式升降架体。
优选地，所述的重力平衡机械臂为悬挂式重力平衡机械臂。
优选地，所述的重力平衡机械臂还包含：多自由度运动跟随机构、吊绳角度测量仪、吊绳长度调整机构、吊绳张力测量仪和控制机构。
其中，所述多自由度运动跟随机构固定设置在所述升降架体的顶部，该多自由度运动跟随机构的自由度数量及空间尺寸与空间运动载荷的机构一致，且在该多自由度运动跟随机构上设置吊绳吊点，该吊绳吊点用于固定吊绳且使吊绳通过空间运动载荷的质心。
所述吊绳角度测量仪与所述多自由度运动跟随机构通过总线连接，用于测量跟随运动过程中的吊绳倾角，并根据吊绳倾角驱动多自由度运动跟随机构，完成跟随控制，控制策略采用分段步进PI控制策略。
所述吊绳长度调整机构和吊绳张力测量仪设置在所述吊绳吊点下方的吊绳上，采用力外环—位置内环的传统控制策略，实现吊绳上的恒张力。
所述控制部件与所述多自由度运动跟随机构、吊绳角度测量仪、吊绳长度调整机构和吊绳张力测量仪均通过总线连接，其用于接收所述吊绳角度测量仪和吊绳张力测量仪测量的数据，并运行重力平衡机构臂的分段步进PI控制策略，实现对多自由度运动跟随机构和吊绳长度调整机构的驱动控制。
优选地，所述升降架体上设有滑块，该滑块可沿升降架体竖直方向滑动，且该滑块上与所述翻转工作台的一端转动连接，所述翻转工作台的另一端设有转轮，该转轮可沿升降架体竖直方向滑动。
优选地，该系统还包含：安装台，其设置在所述升降架体的底端，其平面与升降架体垂直，用于支撑所述翻转工作台和空间运动载荷。
优选地，所述的辅助支撑部件包含：支撑框架和支撑螺杆；其中，所述支撑框架的一端与所述翻转工作台转动连接，另一端通过所述支撑螺杆与所述空间运动载荷固定连接。
本发明还提供了一种用于大型空间运动载荷的多维动态微重力环境模拟方法，该方法基于所述的用于大型空间运动载荷的多维动态微重力环境模拟系统，其包含：
通过重力平衡机械臂构建微重力环境；
在进行闭环试验进行时，将辅助支撑部件收起在升降架体的一侧，不影响系统试验；当试验结束后,通过支撑螺杆将辅助支撑部件支撑在运动载荷的合理部位，抵消重力平衡机械臂悬吊后运动载荷的残余重量，残余重量抵消的程度根据重力平衡机械臂上的吊绳张力测量仪判别，当吊绳张力测量仪显示的悬吊力和天线重量在m牛以内时，认为完全抵消，变量m取值取决于空间载荷机构的静摩擦力矩；
重力平衡机械臂中的控制部件与接收吊绳角度测量仪和吊绳张力测量仪测量的数据，并运行分段步进PI控制策略，实现对多自由度运动跟随机构和吊绳长度调整机构的驱动控制，并基于吊绳长度调整机构和吊绳张力测量仪设置采用力外环—位置内环的传统控制策略，实现吊绳上的恒力F控制和运动跟随控制；
建立重力平衡机械臂与空间运动载荷间的故障信息共享与协同控制机制：重力平衡机械臂与空间运动载荷均具有故障自检能力；当二者均自检正常时，微重力环境模拟系统正常运行；若任意一方自检后存在故障，则通过故障信息共享和协同控制机制，实现空间运动载荷与重力平衡机械臂的同时紧急制动，确保空间运动载荷的安全。
优选地，所述的分段步进PI控制策略，在不同动态工况下，分段设置不同的PI控制参数，且在不同动态工况下，均设置控制执行间距；当吊绳倾斜每增加一定执行间距时，该执行间距为吊绳倾角n，则启动控制；其中，角度值n取决于空间运动载荷中的驱动机构的驱动力矩M，M>F*(1-cos(n))；吊绳数量*各吊绳恒力值F与运动载荷重力相等。
优选地，当重力平衡机械臂与空间运动载荷任意一方自检后存在故障时，故障本方立即执行停止运动或跟随的动作，同时根据通过重力平衡机械臂与空间运动载荷间的软硬件通信协议，将故障信息传输给对方，并由对方立即执行停止跟随或运动的动作从而进行故障信息共享和协同控制机制，实现空间运动载荷与重力平衡机械臂的同时紧急制动，确保空间运动载荷的安全。
本发明提供的用于大型空间运动载荷的多维动态微重力环境模拟方法及系统，解决了现有系统未考虑系统的安全性的问题，具有以下优点：
(1)本发明的方法为保证大型空间载荷在运动过程中的安全，设计微重力环境模拟系统与大型空间载荷间的故障信息共享机制，实现重力平衡机械臂与空间运动载荷的协同控制，避免任何一方故障时对载荷的破坏，提升了多维动态微重力环境模拟系统的可靠性；
(2)本发明的方法在动态跟踪过程中，使用分段步进PI控制策略，对重力平衡效果和跟踪稳定性进行折衷考虑，并且得到了适宜慢速空间运动载荷的更稳定的动态微重力环境；
(3)本发明的系统通过辅助支撑装置，在试验间歇时可以用于对大型空间载荷进行支撑，避免在微重力环境模拟系统断电时，发生大型空间载荷的机构受重力损坏情况。
附图说明
图1为本发明用于大型空间运动载荷的多维动态微重力环境模拟系统的结构示意图。
图2为本发明的翻转工作台的结构示意图。
图3为本发明的辅助支撑部件的结构示意图。
图4为本发明的重力平衡机械臂的结构示意图。
图5为本发明的重力平衡机械臂与空间运动载荷间的故障信息共享与协同控制机制示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
一种用于大型空间运动载荷的多维动态微重力环境模拟系统，如图1所示，为本发明用于大型空间运动载荷的多维动态微重力环境模拟系统的结构示意图，该系统包含：升降架体1、翻转工作台2、安装台、重力平衡机械臂3和辅助支撑部件4。
该升降架体1为拼接式升降架体，其可根据需要的高度进行装配，为重力平衡机械臂3和空间运动载荷提供安装面。
升降架体1的顶端固定设置重力平衡机械臂3，升降架体1上还设有滑块，该滑块可沿升降架体1竖直方向滑动。如图2所示，为本发明的翻转工作台的结构示意图，翻转工作台2的一端与滑块转动连接，另一端设有转轮，该转轮可沿升降架体1竖直方向滑动，以保证其可沿升降架体1滑动，还可相对升降架体1翻转，以为空间运动载荷提供安装固定接口。辅助支撑部件4一端转动设置在翻转工作台2上，另一端与空间运动载荷固定连接。重力平衡机械臂3与空间运动载荷通过吊绳连接，其用于构建微重力环境。
在处于闭环试验状态时，辅助支撑部件4转动以收起在升降架体1的一侧，不影响系统试验。在处于闭环试验间歇状态时，辅助支撑部件4转动至与所述升降架体1垂直，以支撑空间运动载荷，抵消重力平衡机械臂3悬吊后的残余重量，残余重量抵消的程度可以从重力平衡机械臂3中吊绳张力测量仪33上得以判别，当其显示的悬吊力和天线重量在m牛以内时，即认为完全抵消，变量m取值取决于空间载荷机构的静摩擦力矩。辅助支撑部件4对空间运动载荷的支撑，避免在微重力环境模拟系统断电时，发生大型空间载荷的机构因长期受重力作用而造成疲劳损伤的问题，提升微重力环境模拟系统的可靠性。
具体地，如图3所示，为本发明的辅助支撑部件的结构示意图，辅助支撑部件4包含：支撑框架41和支撑螺杆42；其中，支撑框架41的一端与翻转工作台2转动连接，另一端通过支撑螺杆42与空间运动载荷固定连接，以支撑空间运动载荷。
重力平衡机械臂3用于构建微重力环境，其为悬挂式重力平衡机械臂。该悬挂式重力平衡机械臂用于实现吊绳上的恒力F控制和运动跟随控制。吊绳数量*各吊绳恒力值F与运动载荷重力相等，运动跟随控制采取分段步进PI控制策略。
如图4所示，为本发明的重力平衡机械臂的结构示意图，该重力平衡机械臂3包含：多自由度运动跟随机构31、吊绳角度测量仪32、吊绳长度调整机构34、吊绳张力测量仪33和控制机构。其中，多自由度运动跟随机构31(包含电机组件，通过电机组件带动运作)固定设置在升降架体1的顶部，该多自由度运动跟随机构31的自由度数量及空间尺寸与空间运动载荷的机构一致，且在该多自由度运动跟随机构31上设置吊绳吊点，该吊绳吊点用于固定吊绳且使吊绳通过空间运动载荷的质心。吊绳角度测量仪32与多自由度运动跟随机构31通过总线连接，用于测量跟随运动过程中的吊绳倾角，并根据吊绳倾角驱动多自由度运动跟随机构31，完成跟随控制，控制策略采用分段步进PI控制策略。吊绳长度调整机构34和吊绳张力测量仪33设置在吊绳吊点下方的吊绳上，采用力外环—位置内环的传统控制策略，实现吊绳上的恒张力。控制部件与多自由度运动跟随机构31、吊绳角度测量仪32、吊绳长度调整机构34和吊绳张力测量仪33均通过总线连接，其用于接收吊绳角度测量仪32和吊绳张力测量仪33测量的数据，并运行重力平衡机构臂3的分段步进PI控制策略，实现对多自由度运动跟随机构31和吊绳长度调整机构34的驱动控制。
分段步进PI控制策略，即是在高动态和低动态情况下，分段设置不同的PI控制参数。同时，在一个动态工况下，设置控制执行间距。当吊绳倾斜每增加一定角度值n(相对铅垂状态的吊绳倾角)时，启动控制。角度值n取得于空间运动载荷的机构驱动力矩M，M>F*cos(n)。通过此分段步进PI控制策略，在工程上实现了稳定的运动跟随控制，同时保证了重力平衡效果在容许范围内。
上述重力平衡机械臂3与空间运动载荷均具有故障自检能力。若二者均自检正常，则试验系统正常运行；若任一方自检后存在故障，则通过故障信息共享和协同控制机制，实现空间运动载荷与重力平衡机械臂3的同时紧急制动，确保空间运动载荷的安全。
实施例2
一种用于大型空间运动载荷的多维动态微重力环境模拟方法，该方法包含：
通过重力平衡机械臂构建微重力环境；
在进行闭环试验进行时，将辅助支撑部件收起在升降架体的一侧，不影响系统试验；当试验结束后,通过支撑螺杆将辅助支撑部件支撑在运动载荷的合理部位，抵消重力平衡机械臂悬吊后运动载荷的残余重量，残余重量抵消的程度根据重力平衡机械臂上的吊绳张力测量仪判别，当吊绳张力测量仪显示的悬吊力和天线重量在m牛以内时，认为完全抵消，变量m取值取决于空间载荷机构的静摩擦力矩；
重力平衡机械臂中的控制部件与接收吊绳角度测量仪和吊绳张力测量仪测量的数据，并运行分段步进PI控制策略，实现对多自由度运动跟随机构和吊绳长度调整机构的驱动控制，并基于吊绳长度调整机构和吊绳张力测量仪设置采用力外环—位置内环的传统控制策略，实现吊绳上的恒力F控制和运动跟随控制；
如图5所示，为本发明的重力平衡机械臂与空间运动载荷间的故障信息共享与协同控制机制示意图，建立重力平衡机械臂与空间运动载荷间的故障信息共享与协同控制机制：重力平衡机械臂与空间运动载荷均具有故障自检能力(重力平衡机械臂自检：实时检测与空间运动载荷的通信正常与否、实时检测内部通讯、实时检测力控制偏差是否超限、电机组件自带自检信息等；空间运动载荷自检：实时检测与重力平衡机械臂的通信、实时检测表征运动状态字是否异常变化等)；当二者均自检正常时，微重力环境模拟系统正常运行；若任意一方自检后存在故障，则通过故障信息共享和协同控制机制，实现空间运动载荷与重力平衡机械臂的同时紧急制动，确保空间运动载荷的安全。
上述分段步进PI控制策略，在不同动态工况下，分段设置不同的PI控制参数，且在不同动态工况下，均设置控制执行间距；当吊绳倾斜每增加一定执行间距时，该执行间距为吊绳倾角n，则启动控制；其中，角度值n取决于空间运动载荷中的驱动机构的驱动力矩M，M>F*(1-cos(n))；吊绳数量*各吊绳恒力值F与运动载荷重力相等。
当重力平衡机械臂与空间运动载荷任意一方自检后存在故障时，故障本方立即执行停止运动或跟随的动作，同时根据通过重力平衡机械臂与空间运动载荷间的软硬件通信协议，将故障信息传输给对方，并由对方立即执行停止跟随或运动的动作从而进行故障信息共享和协同控制机制，实现空间运动载荷与重力平衡机械臂的同时紧急制动，确保空间运动载荷的安全。
综上所述，本发明的用于大型空间运动载荷的多维动态微重力环境模拟方法及系统，能够站在微重力环境模拟系统角度，能够实现更加安全可靠的完成多维动态微重力环境模拟的任务。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种多维动态微重力环境模拟系统，其特征在于，该系统包含：升降架体、翻转工作台、重力平衡机械臂和辅助支撑部件；
其中，所述的升降架体的顶端固定设置重力平衡机械臂；所述翻转工作台滑动设置在所述升降架体上，可沿竖直方向滑动，且可相对升降架体翻转，用于为空间运动载荷提供安装固定接口；所述辅助支撑部件一端转动设置在所述的翻转工作台上，另一端与空间运动载荷固定连接；所述重力平衡机械臂与空间运动载荷通过吊绳连接，其用于构建微重力环境；
在处于闭环试验状态时，所述的辅助支撑部件转动以收起在所述升降架体的一侧；
在处于闭环试验间歇状态时，所述的辅助支撑部件转动至与所述升降架体垂直，以支撑空间运动载荷；
其中，所述升降架体上还设有滑块，该滑块可沿升降架体竖直方向滑动，且该滑块上与所述翻转工作台的一端转动连接，所述翻转工作台的另一端设有转轮，该转轮可沿升降架体竖直方向滑动。
2.根据权利要求1所述的多维动态微重力环境模拟系统，其特征在于，所述的升降架体为拼接式升降架体。
3.根据权利要求1所述的多维动态微重力环境模拟系统，其特征在于，所述的重力平衡机械臂为悬挂式重力平衡机械臂。
4.根据权利要求1所述的多维动态微重力环境模拟系统，其特征在于，所述的重力平衡机械臂还包含：多自由度运动跟随机构、吊绳角度测量仪、吊绳长度调整机构、吊绳张力测量仪和控制机构；
其中，所述多自由度运动跟随机构固定设置在所述升降架体的顶部，该多自由度运动跟随机构的自由度数量及空间尺寸与空间运动载荷的机构一致，且在该多自由度运动跟随机构上设置吊绳吊点，该吊绳吊点用于固定吊绳且使吊绳通过空间运动载荷的质心；
所述吊绳角度测量仪与所述多自由度运动跟随机构通过总线连接，用于测量跟随运动过程中的吊绳倾角，并根据吊绳倾角驱动多自由度运动跟随机构，完成跟随控制，控制策略采用分段步进PI控制策略；
所述吊绳长度调整机构和吊绳张力测量仪设置在所述吊绳吊点下方的吊绳上，采用力外环—位置内环的传统控制策略，实现吊绳上的恒张力；
所述控制部件与所述多自由度运动跟随机构、吊绳角度测量仪、吊绳长度调整机构和吊绳张力测量仪均通过总线连接，其用于接收所述吊绳角度测量仪和吊绳张力测量仪测量的数据，并运行重力平衡机构臂的分段步进PI控制策略，实现对多自由度运动跟随机构和吊绳长度调整机构的驱动控制。
5.根据权利要求1所述的多维动态微重力环境模拟系统，其特征在于，该系统还包含：安装台，其设置在所述升降架体的底端，其平面与升降架体垂直，用于支撑所述翻转工作台和空间运动载荷。
6.根据权利要求1所述的多维动态微重力环境模拟系统，其特征在于，所述的辅助支撑部件包含：支撑框架和支撑螺杆；其中，所述支撑框架的一端与所述翻转工作台转动连接，另一端通过所述支撑螺杆与所述空间运动载荷固定连接。
7.一种多维动态微重力环境模拟方法，其特征在于，该方法基于如权利要求1-6中任意一项所述的多维动态微重力环境模拟系统，其包含：
通过重力平衡机械臂构建微重力环境；
在进行闭环试验进行时，将辅助支撑部件收起在升降架体的一侧，不影响系统试验；当试验结束后,通过支撑螺杆将辅助支撑部件支撑在运动载荷的合理部位，抵消重力平衡机械臂悬吊后运动载荷的残余重量，残余重量抵消的程度根据重力平衡机械臂上的吊绳张力测量仪判别，当吊绳张力测量仪显示的悬吊力和天线重量在m牛以内时，认为完全抵消，变量m取值取决于空间载荷机构的静摩擦力矩；
重力平衡机械臂中的控制部件与接收吊绳角度测量仪和吊绳张力测量仪测量的数据，并运行分段步进PI控制策略，实现对多自由度运动跟随机构和吊绳长度调整机构的驱动控制，并基于吊绳长度调整机构和吊绳张力测量仪设置采用力外环—位置内环的传统控制策略，实现吊绳上的恒力F控制和运动跟随控制；
建立重力平衡机械臂与空间运动载荷间的故障信息共享与协同控制机制：重力平衡机械臂与空间运动载荷均具有故障自检能力；当二者均自检正常时，微重力环境模拟系统正常运行；若任意一方自检后存在故障，则通过故障信息共享和协同控制机制，实现空间运动载荷与重力平衡机械臂的同时紧急制动，确保空间运动载荷的安全。
8.根据权利要求7所述的多维动态微重力环境模拟方法，其特征在于，所述的分段步进PI控制策略，在不同动态工况下，分段设置不同的PI控制参数，且在不同动态工况下，均设置控制执行间距；当吊绳倾斜每增加一定执行间距时，该执行间距为吊绳倾角n，则启动控制；其中，角度值n取决于空间运动载荷中的驱动机构的驱动力矩M，M>F*(1-cos(n))；吊绳数量*各吊绳恒力值F与运动载荷重力相等。
9.根据权利要求7所述的多维动态微重力环境模拟方法，其特征在于，当重力平衡机械臂与空间运动载荷任意一方自检后存在故障时，故障本方立即执行停止运动或跟随的动作，同时根据通过重力平衡机械臂与空间运动载荷间的软硬件通信协议，将故障信息传输给对方，并由对方立即执行停止跟随或运动的动作从而进行故障信息共享和协同控制机制，实现空间运动载荷与重力平衡机械臂的同时紧急制动，确保空间运动载荷的安全。
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