CN111332497A - 一种超稳卫星平台及调姿控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超稳卫星平台，包括载荷模块、调姿模块、柔性电缆，所述载荷模块和所述调姿模块通过所述柔性电缆相连接；所述载荷模块用于承载有效载荷，所述有效载荷对所述卫星平台具有稳定性要求；所述载荷模块上设有第一姿态敏感器、第一调姿线圈组、第一无线收发模块；所述调姿模块用于对所述载荷模块进行姿态调整；所述调姿模块包括调姿平台、机械臂、控制器；所述控制器与所述机械臂相连，所述机械臂与所述调姿平台相连，所述调姿平台通过所述柔性电缆与所述载荷模块相连。本发明能够完成载荷模块和支持模块的大角度相对运动，实现了卫星平台的高精度指向和振动抑制。
Description
技术领域
本发明涉及航天技术领域，特别是涉及一种超稳卫星平台及调姿控制方法。
背景技术
随着高分辨率光学载荷、深空望远镜、星间激光通信等航天活动的不断发展，航天器携带的高性能载荷对指向精度和姿态稳定度的要求越来越高，因此对航天器微振动的隔离技术提出了更高的要求。
目前，卫星的隔振技术根据隔振平台接口的刚度主要分为两类：
1.硬连接隔振。硬连接隔振系统主要包括无源的被动隔振系统和使用驱动器、传感器组成的主动隔振系统，其中驱动器主要包括压电驱动器、音圈驱动器和磁致伸缩驱动器。硬连接隔振具有以下缺点：首先，无源的被动隔振不能有效地隔离低频振动；其次，主动隔振受传感器测量精度以及驱动器定位精度的影响，难以实现高稳定性的振动隔离以及高精度的指向功能；再次，由于受驱动器行程的影响，隔振平台不能实现大角度、大位移的指向；最后，由于主动隔振需要不断的进行振动隔离，因此需要消耗大量的电能，对于在轨卫星来说，电能主要来自太阳能帆板，大量的电能消耗会影响卫星的主要任务。
2.软连接隔振。软连接隔振系统通过非接触驱动器和非接触传感器将卫星分为互不接触的载荷部分和支持部分，因此，能够将支持模块产生的干扰隔离至零频，软连接主要包含DFP(Disturbance-Free Payload，无干扰有效载荷)系统和双体卫星隔振系统。由于非接触传感器获得的测量信息用于驱动支持模块上的执行机构，因此软连接隔振系统的隔振性能不受传感器精度的影响。但是，由于非接触执行器的行程小，因此支持模块的运动需要跟随载荷模块的运动，当载荷模块进行快速机动时，支持模块也要进行快速机动，这就需要在支持模块上安装具有大力矩能力的执行机构，这无疑增加了控制系统的复杂程度以及航天器的能量消耗。
由此，目前急需一种能够解除非接触执行器行程的限制、实现载荷模块和支持模块大角度相对运动的机构。
发明内容
本发明的目的是提供一种超稳卫星平台及调姿控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现载荷模块和支持模块的大角度相对运动。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种超稳卫星平台，包括载荷模块、调姿模块、柔性电缆，所述载荷模块和所述调姿模块通过所述柔性电缆相连接；
所述载荷模块用于承载有效载荷，所述有效载荷对所述卫星平台具有稳定性要求；所述载荷模块上设有第一姿态敏感器、第一调姿线圈组、第一无线收发模块；
所述第一姿态敏感器用于感知所述载荷模块的姿态信息；
所述第一调姿线圈组用于所述载荷模块的姿态微调；
所述第一无线收发模块用于与所述调姿模块进行通讯，将所述第一姿态敏感器所采集的姿态信息通过无线传输模式发送至所述调姿模块；
所述调姿模块用于对所述载荷模块进行姿态调整；所述调姿模块包括调姿平台、机械臂、控制器；所述控制器与所述机械臂相连，所述机械臂与所述调姿平台相连，所述调姿平台通过所述柔性电缆与所述载荷模块相连；
所述调姿平台用于带动所述载荷模块进行姿态调整；
所述机械臂用于驱动所述调姿平台运动；
所述控制器用于对所述六自由度机械臂进行控制；
所述柔性电缆用于所述调姿模块与所述载荷模块之间的能量传输。
优选地，所述调姿平台上设有第二姿态敏感器、电磁铁、非接触位置传感器、第二调姿线圈组；
所述第二姿态敏感器用于感知所述调姿平台的姿态信息；
所述电磁铁通过通电和断电完成所述调姿平台与所述载荷模块之间的连接和分离；
所述非接触位置传感器用于感知所述调姿平台与所述载荷模块之间的相对位置信息；
所述第二调姿线圈组与所述第一调姿线圈组的数量、位置相对应；通过向所述第一调姿线圈组和第二调姿线圈组通电，利用所述第一调姿线圈组和所述第二调姿线圈组之间的磁力对所述载荷模块的姿态进行微调。
优选地，所述机械臂采用六自由度机械臂，所述六自由度机械臂上设有若干个超声电机，所述超声电机用于对所述六自由度机械臂进行驱动。
优选地，所述控制器包括第二无线收发模块、控制模块，所述控制模块与所述六自由度机械臂相连；
所述第二无线收发模块用于与所述第一无线收发模块进行通讯，接收所述第一姿态敏感器所采集的姿态信息；
所述控制模块用于驱动所述六自由度机械臂，通过所述六自由度机械臂带动所述调姿平台运动。
一种超稳卫星平台调姿控制方法，包括如下步骤：
步骤S1、连接调姿平台与载荷模块；
控制器根据调姿平台的姿态信息、载荷模块的姿态信息以及调姿平台与载荷模块的相对位置信息，驱动六自由度机械臂，使调姿平台运动至与载荷模块相平行的位置，且减小调姿平台与载荷模块之间的间距；然后，向调姿平台上的电磁铁通电，使调姿平台与载荷模块通过电磁铁连接到一起；
步骤S2、通过调姿平台带动载荷模块进行位姿调整；
控制器根据载荷模块的姿态信息以及载荷模块的新位姿信息驱动六自由度机械臂，使调姿平台带动载荷模块运动至新位姿；
步骤S3、分离调姿平台与载荷模块，并对载荷模块的姿态进行微调；
电磁铁断电，使调姿平台与载荷模块分离；向载荷模块上的第一调姿线圈组和调姿平台上的第二调姿线圈组通电，通过第一调姿线圈组和第二调姿线圈组之间的磁力，对载荷模块的姿态进行微调；然后，控制器根据调姿平台的姿态信息、载荷模块的姿态信息以及调姿平台与载荷模块的相对位置信息，驱动六自由度机械臂，使调姿平台运动至与载荷模块相平行的位置，且增大调姿平台与载荷模块之间的间距。
优选地，所述步骤S1中，在向调姿平台上的电磁铁通电之前，向六自由度机械臂上的每个超声波电机通入同相电流，使所述六自由度机械臂处于超声悬浮状态。
本发明公开了以下技术效果：
1.本发明通过姿态敏感器采集调姿平台和载荷模块的姿态信息、通过非接触位置传感器采集调姿平台与载荷模块之间的相对位置信息，实现对调姿平台和载荷模块位姿的准确检测；通过电磁铁的通断电实现调姿平台和载荷模块的连接和分离，在电磁铁通电的情况下，通过电磁铁将调姿平台与载荷模块连接在一起，由六自由度机械臂驱动调姿平台运动，并通过调姿平台的运动带动载荷模块进行姿态调整，实现了载荷模块的大角度姿态调整；同时，通过两组调姿线圈对载荷模块进行姿态微调，实现了卫星平台的高精度指向和振动抑制。
2.本发明在调姿平台与载荷模块连接的过程中，向六自由度机械臂上的超声电机通同相电，使超声电机处于超声悬浮状态，有效减小了调姿平台和载荷模块进行连接过程中造成的冲击振动，进一步增强了卫星平台的振动抑制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明超稳卫星平台结构示意图；
图2为本发明实施例中载荷模块与第一调姿线圈组结构示意图；
其中，1为载荷模块，2为第一调姿线圈组。
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做出创造性劳动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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1所示，本实施例提供一种超稳卫星平台，包括载荷模块、调姿模块、柔性电缆，所述载荷模块和所述调姿模块通过所述柔性电缆相连接；所述载荷模块与所述调姿模块互不接触。
所述载荷模块用于承载有效载荷，所述有效载荷对所述卫星平台具有高稳定性要求；所述载荷模块上设有第一姿态敏感器、第一调姿线圈组、第一无线收发模块；
所述第一姿态敏感器用于感知所述载荷模块的姿态信息；
所述第一调姿线圈组用于所述载荷的姿态微调；本实施例在所述载荷模块的四个角的位置分别设有一个第一调姿线圈，具体如图2所示。
所述第一无线收发模块用于与所述调姿模块进行通讯，将所述第一姿态敏感器所采集的姿态信息通过无线传输模式发送至所述调姿模块；
所述调姿模块用于对所述载荷模块进行姿态调整；所述调姿模块包括调姿平台、机械臂、控制器；所述控制器与所述机械臂相连，所述机械臂与所述调姿平台相连，所述调姿平台通过所述柔性电缆与所述载荷模块相连。
所述调姿平台用于带动所述载荷模块进行姿态调整；所述调姿平台上设有第二姿态敏感器、电磁铁、非接触位置传感器、第二调姿线圈组；
所述第二姿态敏感器用于感知所述调姿平台的姿态信息；
所述电磁铁通过通电和断电完成所述调姿平台与所述载荷模块的之间的连接和分离；
所述非接触位置传感器用于感知所述调姿平台与所述载荷模块之间的相对位置信息；
所述第二调姿线圈组与所述第一调姿线圈组的数量、位置相对应；通过向所述第一调姿线圈组和第二调姿线圈组通电，使所述第一调姿线圈组和第二调姿线圈组产生磁力，所述磁力为推力或拉力，利用所述第一调姿线圈组和第二调姿线圈组之间的磁力对所述载荷模块的姿态进行微调，实现所述卫星平台的高精度指向和振动抑制。
所述机械臂用于驱动所述调姿平台运动；所述机械臂采用六自由度机械臂，所述六自由度机械臂上设有若干个超声电机，所述超声电机用于驱动所述六自由度机械臂。
所述控制器用于对所述六自由度机械臂进行控制；所述控制器包括第二无线收发模块、控制模块，所述控制模块与所述六自由度机械臂相连；
所述第二无线收发模块用于与所述第一无线收发模块进行通讯，接收所述第一姿态敏感器所采集的姿态信息；
所述控制模块用于驱动所述六自由度机械臂，通过所述六自由度机械臂带动所述调姿平台运动。
所述柔性电缆用于所述调姿模块与所述载荷模块之间的能量传输。
在轨卫星的有效载荷如深空望远镜在太空中需要进行指向、姿态调整，本实施例提供一种调姿控制方法，包括如下步骤：
步骤S1、连接调姿平台与载荷模块。
第一姿态敏感器感知和采集载荷模块的姿态信息，并通过第一无线收发模块和第二无线收发模块将载荷模块的姿态信息传送至控制器，第二姿态敏感器感知和采集调姿模块的姿态信息，非接触位置传感器感知和采集载荷模块与调姿模块之间的相对位置信息；控制模块根据第一姿态敏感器、第二姿态敏感器和非接触位置传感器所采集的信息驱动六自由度机械臂，使调姿平台运动至与载荷模块相平行、且调姿平台与载荷模块之间的间距小于1mm的位置。
由于超声电机具有断电自锁能力，因此，六自由度机械臂在不通电的情况下无法自由运动。通过控制模块向六自由度机械臂上的每个超声电机通入同相电流，在同相电流的作用下，超声电机转子处于超声悬浮状态，因此六自由度机械臂处于自由运动状态，此时向电磁铁通电，调姿平台和载荷模块能够以最小的冲击通过电磁铁相连。
步骤S2、通过六自由度机械臂带动载荷模块进行位姿调整。
控制模块通过第一姿态敏感器所采集的信息以及载荷模块的新位姿信息驱动六自由度机械臂，使调姿平台带动载荷模块运动至新位姿；其中新位姿信息由卫星上有效载荷的任务指令来确定，例如，调整载荷模块，使卫星指向新的星体。通过六自由度机械臂驱动调姿平台来带动载荷模块运动调姿，实现了载荷模块大角度的姿态调整，避免了使用大功率反作用轮进行大角度姿态，而且，由于超声电机响应快，实现了对载荷模块姿态调整的快速响应。
步骤S3、分离调姿平台与载荷模块，并对载荷模块的姿态进行微调。
载荷模块运动至新位姿后，电磁铁断电，使调姿平台与载荷模块分离，控制模块通过第一姿态敏感器所采集的信息，向第一调姿线圈组和第二调姿线圈组通入合适大小和方向的电流，利用第一调姿线圈组和第二调姿线圈组之间的磁力驱动载荷模块进行微小位移，完成对载荷模块的姿态进行微调，有效提高了对载荷模块姿态调整的精度。然后，控制模块根据第一姿态敏感器、第二姿态敏感器和非接触位置传感器所采集的信息驱动六自由度机械臂，使调姿平台运动至与载荷模块平行、且调姿平台与载荷模块之间的间距大于1mm的位置。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种超稳卫星平台，其特征在于，包括载荷模块、调姿模块、柔性电缆，所述载荷模块和所述调姿模块通过所述柔性电缆相连接；
所述载荷模块用于承载有效载荷，所述有效载荷对所述卫星平台具有稳定性要求；所述载荷模块上设有第一姿态敏感器、第一调姿线圈组、第一无线收发模块；
所述第一姿态敏感器用于感知所述载荷模块的姿态信息；
所述第一调姿线圈组用于所述载荷模块的姿态微调；
所述第一无线收发模块用于与所述调姿模块进行通讯，将所述第一姿态敏感器所采集的姿态信息通过无线传输模式发送至所述调姿模块；
所述调姿模块用于对所述载荷模块进行姿态调整；所述调姿模块包括调姿平台、机械臂、控制器；所述控制器与所述机械臂相连，所述机械臂与所述调姿平台相连，所述调姿平台通过所述柔性电缆与所述载荷模块相连；
所述调姿平台用于带动所述载荷模块进行姿态调整；
所述机械臂用于驱动所述调姿平台运动；
所述控制器用于对所述六自由度机械臂进行控制；
所述柔性电缆用于所述调姿模块与所述载荷模块之间的能量传输。
2.根据权利要求1所述的超稳卫星平台，其特征在于，所述调姿平台上设有第二姿态敏感器、电磁铁、非接触位置传感器、第二调姿线圈组；
所述第二姿态敏感器用于感知所述调姿平台的姿态信息；
所述电磁铁通过通电和断电完成所述调姿平台与所述载荷模块之间的连接和分离；
所述非接触位置传感器用于感知所述调姿平台与所述载荷模块之间的相对位置信息；
所述第二调姿线圈组与所述第一调姿线圈组的数量、位置相对应；通过向所述第一调姿线圈组和第二调姿线圈组通电，利用所述第一调姿线圈组和所述第二调姿线圈组之间的磁力对所述载荷模块的姿态进行微调。
3.根据权利要求1所述的超稳卫星平台，其特征在于，所述机械臂采用六自由度机械臂，所述六自由度机械臂上设有若干个超声电机，所述超声电机用于对所述六自由度机械臂进行驱动。
4.根据权利要求3所述的超稳卫星平台，其特征在于，所述控制器包括第二无线收发模块、控制模块，所述控制模块与所述六自由度机械臂相连；
所述第二无线收发模块用于与所述第一无线收发模块进行通讯，接收所述第一姿态敏感器所采集的姿态信息；
所述控制模块用于驱动所述六自由度机械臂，通过所述六自由度机械臂带动所述调姿平台运动。
5.一种超稳卫星平台调姿控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、连接调姿平台与载荷模块；
控制器根据调姿平台的姿态信息、载荷模块的姿态信息以及调姿平台与载荷模块的相对位置信息，驱动六自由度机械臂，使调姿平台运动至与载荷模块相平行的位置，且减小调姿平台与载荷模块之间的间距；然后，向调姿平台上的电磁铁通电，使调姿平台与载荷模块通过电磁铁连接到一起；
步骤S2、通过调姿平台带动载荷模块进行位姿调整；
控制器根据载荷模块的姿态信息以及载荷模块的新位姿信息驱动六自由度机械臂，使调姿平台带动载荷模块运动至新位姿；
步骤S3、分离调姿平台与载荷模块，并对载荷模块的姿态进行微调；
电磁铁断电，使调姿平台与载荷模块分离；向载荷模块上的第一调姿线圈组和调姿平台上的第二调姿线圈组通电，通过第一调姿线圈组和第二调姿线圈组之间的磁力，对载荷模块的姿态进行微调；然后，控制器根据调姿平台的姿态信息、载荷模块的姿态信息以及调姿平台与载荷模块的相对位置信息，驱动六自由度机械臂，使调姿平台运动至与载荷模块相平行的位置，且增大调姿平台与载荷模块之间的间距。
6.根据权利要求5所述的调姿控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，在向调姿平台上的电磁铁通电之前，向六自由度机械臂上的每个超声波电机通入同相电流，使所述六自由度机械臂处于超声悬浮状态。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111332497B (zh) | 2022-04-22 |
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