CN111157199A - 柔性电缆刚度测定试验方法、系统及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种柔性电缆刚度测定试验方法，包括：模拟失重步骤：模拟失重环境，使运动舱在平面内进行运动；激励步骤：以设定的幅值对运动舱进行周期性激励；运动监测步骤：测量运动舱相对固定舱的转角和位移；分离步骤：将测量后的激励运动和非激励运动分离，得到非激励运动；稳态控制步骤：根据非激励运动，控制运动舱在运动期间不与固定舱发生碰撞，得到稳态控制指令；执行步骤：根据周期性激励和稳态控制指令控制力和力矩，将力和力矩分配到每一路作动器；计算步骤：采集固定舱电缆端的力和力矩，根据周期性激励的幅值，计算得到柔性电缆刚度系数矩阵。本发明为后续双超卫星型号舱间电缆的选用和干扰分析提供参考依据和计算模型。

Description

柔性电缆刚度测定试验方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及复合控制技术领域，具体地，涉及一种柔性电缆刚度测定试验方法、系统及介质。
背景技术
未来先进航天器对姿态指向精度与稳定度的要求比目前水平高两个量级。传统采用载荷与平台固连式设计，两者动力学特性深度耦合，导致载荷双超指标难以实现，尽管采用主被动微振动抑制等方法取得了一定效果，但受限固连式设计的缺陷，双超指标难以实现。
“双超”卫星平台打破传统固连设计，采用非接触、高精度、无时延位移传感器实现仅安装安静部件的载荷(舱)与安装活动部件的平台(舱)分离，彻底消除微振动影响。改变传统以卫星平台为主的控制逻辑，首次采用“载荷舱主动，平台舱从动，两舱相对位置协同解耦控制”的全新方法，可实现载荷舱的双超精度。
目前，星内无线供电与信息传递技术目前尚不成熟，两舱之间需要通过舱间电缆实现能源和信息的交互。因此，需要评估舱间电缆对平台舱双超控制指标的影响。该影响的大小由舱间电缆的刚度决定。
专利文献CN110285940A(申请号：201910646654.4)公开了一种刚度测量系统，包括：自调平法向加载装置、直线驱动力加载装置、滑块装置、光纤位移测量装置和视频图像采集装置，其中，滑块装置由上到下包括：上固定块、滑块试样和下固定块，其中，自调平法向加载装置，包括法向压力检测组件和法向压力组件，法向压力组件与下固定块连接，其中，直线驱动力加载装置包括切向压力组件和切向压力检测组件，切向压力组件与滑块试样的侧面固定连接，光纤位移测量装置测量接触界面的相对位移，视频图像采集装置采集接触界面的光斑图像。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种柔性电缆刚度测定试验方法、系统及介质。
根据本发明提供的柔性电缆刚度测定试验方法，包括：
模拟失重步骤：模拟失重环境，使运动舱在平面内进行运动；
激励步骤：以设定的幅值对运动舱进行周期性激励；
运动监测步骤：测量运动舱相对固定舱的转角和位移；
分离步骤：将测量后的激励运动和非激励运动分离，得到非激励运动；
稳态控制步骤：根据非激励运动，控制运动舱在运动期间不与固定舱发生碰撞，得到稳态控制指令；
执行步骤：根据周期性激励和稳态控制指令控制力和力矩，将力和力矩分配到每一路作动器；
计算步骤：采集固定舱电缆端的力和力矩，根据周期性激励的幅值，计算得到柔性电缆刚度系数矩阵。
优选地，所述模拟失重步骤包括：使用气浮设备抵消运动舱的重力，运动舱在失重后，在平面内进行二维平动和一维转动。
优选地，所述激励步骤包括：
设TJL为周期性激励力矩，FJL为周期性激励力，则有：
Figure BDA0002320178680000021
其中，TA为周期性激励力矩幅值，ωT为周期性激励力矩频率，φT为周期性激励力矩相位；FA为周期性激励力幅值，ωF为周期性激励力频率，φF为周期性激励力相位；所述周期性激励力矩和周期性激励力均包含三个方向的作用，每次测定依次分时施加六个激励作用。
优选地，所述运动监测步骤包括：
使用3个位移传感器测量解算得到二维平动和一维转动信息，计算式如下：
Figure BDA0002320178680000022
改写为矩阵形式，为：
Figure BDA0002320178680000031
其中，d1,d2,d3为3个位移传感器的测量结果，Px,Py,θz分别为待解算的二维平动信息和一维转动信息，D1为位移传感器1测量敏感轴轴线与运动舱坐标系X轴的垂直距离，D2为位移传感器2测量敏感轴轴线与运动舱坐标系X轴的垂直距离，D3为位移传感器3测量敏感轴轴线与运动舱坐标系Y轴的垂直距离，Mcx和Mcy分别为运动舱的X、Y向质心偏心。
优选地，所述稳态控制步骤包括：
根据周期性激励计算激励作用引起的位移传感器读数变化，与位移传感器的实际测量结果作差，对差值进行补偿，控制运动舱。
优选地，所述执行步骤包括：
将指令力和力矩分配到每一路作动器，计算如下：
Figure BDA0002320178680000032
其中，
Figure BDA0002320178680000033
为二维指令控制力和一维指令控制力矩，
Figure BDA0002320178680000034
为三路磁浮作动器输出力，L1为磁浮作动器1作用力轴线与运动舱坐标系X轴的垂直距离，L2为磁浮作动器2作用力轴线与运动舱坐标系X轴的垂直距离，L3为磁浮作动器3作用力轴线与运动舱坐标系Y轴的垂直距离，改写为矩阵形式，为：
Figure BDA0002320178680000035
优选地，所述计算步骤包括：
给平台舱施加运动激励，并在载荷舱的线缆连接处测量作用力和力矩，每次施加一个方向的运动激励，根据力和力矩测量解锁得到6×6刚度系数矩阵，如下：
Figure BDA0002320178680000041
其中，[x y z]T为平台舱三轴平动，[φx φy φz]T为平台舱三轴转动，[FX FY FZ]T为载荷舱线缆连接点的三轴作用力，[MX MY MZ]T为载荷舱线缆连接点的三轴作用力矩，kij为刚度系数，左上的3×3矩阵系数单位为N/m，右上的3×3矩阵系数单位为N/rad，左下的3×3矩阵系数单位为Nm/m，右下的3×3矩阵系数单位为Nm/rad。
优选地，得到6×6刚度系数矩阵前，需要实现平台舱六自由度运动，包括：
步骤8.1：根据预设的安装布局实现X、Y轴的平动和绕Z轴的转动；
步骤8.2：将电缆安装方向调整90°，根据预设的安装布局实现Z轴的平动和绕Y轴的转动；
步骤8.3：绕X轴的转动进行单边垫高，垫高后根据陀螺测得旋转的角度。
根据本发明提供的柔性电缆刚度测定试验系统，包括：
模拟失重模块：模拟失重环境，使运动舱在平面内进行运动；
激励模块：以设定的幅值对运动舱进行周期性激励；
运动监测模块：测量运动舱相对固定舱的转角和位移；
分离模块：将测量后的激励运动和非激励运动分离，得到非激励运动；
稳态控制模块：根据非激励运动，控制运动舱在运动期间不与固定舱发生碰撞，得到稳态控制指令；
执行模块：根据周期性激励和稳态控制指令控制力和力矩，将力和力矩分配到每一路作动器；
计算模块：采集固定舱电缆端的力和力矩，根据周期性激励的幅值，计算得到柔性电缆刚度系数矩阵。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明为后续双超卫星型号舱间电缆的选用和干扰分析提供参考依据和计算模型；
2、本发明有利于实现载荷舱的双超精度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为一种新型舱间电缆刚度测定试验系统示意图；
图2为舱间电缆刚度测定试验方案示意图；
图3为舱间位移传感器安装示意图；
图4为舱间磁浮作动器安装示意图；
图5为线缆的单边安装示意图；
图6为线缆的双边对称安装示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供一种新型柔性电缆刚度测定试验方法。如图1所示，包括：通过气浮系统抵消运动舱的重力，模拟失重环境；设计非接触激励系统产生激励作用，给运动舱持续激励；建立运动监测系统，测量运动舱相对固定舱的转角和位移；设计稳态控制系统，保证运动舱运动期间不与固定舱发生碰撞；建立非接触式执行系统，根据分配矩阵指令力和力矩分配到每一路作动器；解算得到柔性电缆刚度系数矩阵。
更为具体地，本发明提供的方法的实施内容包括7个部分，分别为：通过气浮系统抵消运动舱的重力，模拟失重环境，实现平面内二自由度平动和一自由度转动；设计非接触式激励系统，以设定的幅值产生周期性激励作用，给运动舱持续激励；建立运动监测系统，测量运动舱相对固定舱的转角和位移，如图3所示，为舱间位移传感器安装示意图；结合运动舱动力学模型，将测量信息中的激励运动和非激励运动分离，将非激励运动作为稳定控制系统的输入；设计稳态控制系统，输出稳态控制指令，保证运动舱运动期间不与固定舱发生碰撞；建立非接触式执行系统，执行激励作用和稳态控制器联合输入的指令控制力和力矩，根据分配矩阵指令力和力矩分配到每一路作动器，如图4所示，为舱间磁浮作动器安装示意图；采集固定舱电缆端的力和力矩，结合周期性激励运动特征，解算得到柔性电缆刚度系数矩阵。
本发明提出一种舱间电缆测定试验方案如图2所示。试验中默认线缆构型为C型，刚度测定专项试验包含供电电缆刚度测定、光纤刚度测定和混合刚度测定，具体试验项目如下表(柔性线缆刚度试验项目表)所示：
Figure BDA0002320178680000061
Figure BDA0002320178680000071
如线缆的单边安装(图5)和双边对称安装(图6)示意图所示。双边安装时，力和力矩以两个线端的合力(力矩)作为计算输入，得到刚度系数为整体线缆的刚度。
位移传感器和磁浮作动器安装位置信息如下：
D<sub>1</sub> D<sub>2</sub> D<sub>3</sub> L<sub>1</sub> L<sub>2</sub> L<sub>3</sub>
0.3 0.3 0.6 0.4 0.4 0.5
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种柔性电缆刚度测定试验方法，其特征在于，包括：
模拟失重步骤：模拟失重环境，使运动舱在平面内进行运动；
激励步骤：以设定的幅值对运动舱进行周期性激励；
运动监测步骤：测量运动舱相对固定舱的转角和位移；
分离步骤：将测量后的激励运动和非激励运动分离，得到非激励运动；
稳态控制步骤：根据非激励运动，控制运动舱在运动期间不与固定舱发生碰撞，得到稳态控制指令；
执行步骤：根据周期性激励和稳态控制指令控制力和力矩，将力和力矩分配到每一路作动器；
计算步骤：采集固定舱电缆端的力和力矩，根据周期性激励的幅值，计算得到柔性电缆刚度系数矩阵。
2.根据权利要求1所述的柔性电缆刚度测定试验方法，其特征在于，所述模拟失重步骤包括：使用气浮设备抵消运动舱的重力，运动舱在失重后，在平面内进行二维平动和一维转动。
3.根据权利要求1所述的柔性电缆刚度测定试验方法，其特征在于，所述激励步骤包括：
设TJL为周期性激励力矩，FJL为周期性激励力，则有：
Figure FDA0002320178670000011
其中，TA为周期性激励力矩幅值，ωT为周期性激励力矩频率，φT为周期性激励力矩相位；FA为周期性激励力幅值，ωF为周期性激励力频率，φF为周期性激励力相位；所述周期性激励力矩和周期性激励力均包含三个方向的作用，每次测定依次分时施加六个激励作用。
4.根据权利要求2所述的柔性电缆刚度测定试验方法，其特征在于，所述运动监测步骤包括：
使用3个位移传感器测量解算得到二维平动和一维转动信息，计算式如下：
Figure FDA0002320178670000021
改写为矩阵形式，为：
Figure FDA0002320178670000022
其中，d1,d2,d3为3个位移传感器的测量结果，Px,Py,θz分别为待解算的二维平动信息和一维转动信息，D1为位移传感器1测量敏感轴轴线与运动舱坐标系X轴的垂直距离，D2为位移传感器2测量敏感轴轴线与运动舱坐标系X轴的垂直距离，D3为位移传感器3测量敏感轴轴线与运动舱坐标系Y轴的垂直距离，Mcx和Mcy分别为运动舱的X、Y向质心偏心。
5.根据权利要求1所述的柔性电缆刚度测定试验方法，其特征在于，所述稳态控制步骤包括：
根据周期性激励计算激励作用引起的位移传感器读数变化，与位移传感器的实际测量结果作差，对差值进行补偿，控制运动舱。
6.根据权利要求1所述的柔性电缆刚度测定试验方法，其特征在于，所述执行步骤包括：
将指令力和力矩分配到每一路作动器，计算如下：
Figure FDA0002320178670000023
其中，
Figure FDA0002320178670000024
为二维指令控制力和一维指令控制力矩，
Figure FDA0002320178670000025
为三路磁浮作动器输出力，L1为磁浮作动器1作用力轴线与运动舱坐标系X轴的垂直距离，L2为磁浮作动器2作用力轴线与运动舱坐标系X轴的垂直距离，L3为磁浮作动器3作用力轴线与运动舱坐标系Y轴的垂直距离，改写为矩阵形式，为：
Figure FDA0002320178670000031
7.根据权利要求1所述的柔性电缆刚度测定试验方法，其特征在于，所述计算步骤包括：
给平台舱施加运动激励，并在载荷舱的线缆连接处测量作用力和力矩，每次施加一个方向的运动激励，根据力和力矩测量解锁得到6×6刚度系数矩阵，如下：
Figure FDA0002320178670000032
其中，[x y z]T为平台舱三轴平动，[φx φy φz]T为平台舱三轴转动，[FX FY FZ]T为载荷舱线缆连接点的三轴作用力，[MX MY MZ]T为载荷舱线缆连接点的三轴作用力矩，kij为刚度系数，左上的3×3矩阵系数单位为N/m，右上的3×3矩阵系数单位为N/rad，左下的3×3矩阵系数单位为Nm/m，右下的3×3矩阵系数单位为Nm/rad。
8.根据权利要求7所述的柔性电缆刚度测定试验方法，其特征在于，得到6×6刚度系数矩阵前，需要实现平台舱六自由度运动，包括：
步骤8.1：根据预设的安装布局实现X、Y轴的平动和绕Z轴的转动；
步骤8.2：将电缆安装方向调整90°，根据预设的安装布局实现Z轴的平动和绕Y轴的转动；
步骤8.3：绕X轴的转动进行单边垫高，垫高后根据陀螺测得旋转的角度。
9.一种柔性电缆刚度测定试验系统，其特征在于，包括：
模拟失重模块：模拟失重环境，使运动舱在平面内进行运动；
激励模块：以设定的幅值对运动舱进行周期性激励；
运动监测模块：测量运动舱相对固定舱的转角和位移；
分离模块：将测量后的激励运动和非激励运动分离，得到非激励运动；
稳态控制模块：根据非激励运动，控制运动舱在运动期间不与固定舱发生碰撞，得到稳态控制指令；
执行模块：根据周期性激励和稳态控制指令控制力和力矩，将力和力矩分配到每一路作动器；
计算模块：采集固定舱电缆端的力和力矩，根据周期性激励的幅值，计算得到柔性电缆刚度系数矩阵。
10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。
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