CN111896162A - 空间失控翻滚卫星单自由度非接触式消旋模拟测试平台及方法 - Google Patents

空间失控翻滚卫星单自由度非接触式消旋模拟测试平台及方法 Download PDF

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翟晨萌
刘正雄
孟中杰
张夷斋
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Abstract

本发明涉及一种空间失控翻滚卫星单自由度非接触式消旋模拟测试平台及方法，平台包括：大理石隔振台、工业机器人底座、单自由度气浮轴承、单自由度气浮轴承转子、主台面、目标卫星主体、喷管、右侧太阳帆板、左侧太阳帆板、工业机器人、电磁消旋末端执行器、三轴力传感器和计算机。利用三轴力传感器直接测量消旋力的相互作用力，通过转换关系求得电磁消旋力，计算机进行显示存储，实现三维电磁消旋力的测量。该平台适合安装不同质量及尺寸的目标卫星模型，模拟目标卫星在不同角速度下的消旋情况。本测试平台利用气浮原理实现近似无摩擦的相对运动，不会干扰外部磁场，适合静电消旋、电磁消旋力的测量。

Description

空间失控翻滚卫星单自由度非接触式消旋模拟测试平台及 方法
技术领域
本发明涉及一种空间失控翻滚卫星单自由度非接触式消旋模拟测试平台及方法，属于空间翻滚目标非接触消旋控制力测试技术领域。
背景技术
随着人类太空探索及各类航天任务的增多，在轨遗留的大量太空垃圾对空间环境及在轨航天器的安全构成严重威胁。对空间碎片的主动移除已成为各大航天机构的研究热点。由于自身姿态控制系统失效，空间碎片在空间摄动力影响下会出现翻滚运动，因此在抓捕前对其进行消旋是必不可少的阶段。
为保证翻滚空间碎片消旋过程中的安全性，非接触的消旋方式成为首选。通常可借助星间库仑力、电磁力、气体脉冲、激光和粒子束轰击方法对翻滚目标进行消旋。但对这些消旋方式在进行地面验证时，实验都会遇到非接触消旋力难以精确测量的问题。通常这类消旋力都在百mN左右。以失效卫星这类空间碎片为例，其质量通常在几十到几百千克，失效卫星上没有安装力传感器，一般采用视觉识别，服务星对卫星的角速度进行测量，通过角速度求导，对卫星所受消旋力进行估算，容易受到干扰，且误差较大。对于这类大载荷、小推力的工况进行测量需要采用新的测试系统进行测量。
在传感器难以直接测量非接触力的情况下，采取间接法测量相互作用力。中国专利号ZL201210316957中提出了一种磁悬浮的方法利用高温超导体将目标悬浮起来，然后测量作用于目标上的微小力。但是当应用于翻滚目标静电消旋和电磁消旋力的测量时，高温超导体本身磁场会对静电及电磁消旋产生干扰，造成消旋力失真，而采用气浮的方式可以很好的避免这一现象，让测量平台对各类消旋方式具有通用性。通常气浮系统摩擦系数可达到10-5数量级，辅助相应的测试系统，可以经济方便地实现电、磁环境下无干扰的消旋力的测量。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种空间失控翻滚卫星单自由度非接触式消旋模拟测试平台及方法。
技术方案
一种空间失控翻滚卫星单自由度非接触式消旋模拟测试平台，其特征在于包括大理石隔振台、工业机器人底座、单自由度气浮轴承、单自由度气浮轴承转子、主台面、目标卫星模型、工业机器人、电磁消旋末端执行器、三轴力传感器和计算机；三轴力传感器的底面与工业机器人底座中心位置固连，工业机器人安装在三轴力传感器的顶面上，三轴力传感器测量工业机器人上X、Y、Z三轴的力，工业机器人的末端与电磁消旋末端执行器固连；工业机器人和单自由度气浮轴承相互独立，单自由度气浮轴承固定大理石隔振台上，单自由度气浮轴承转子在单自由度气浮轴承上方；主台面与单自由度气浮轴承转子固连，主台面上安装有目标卫星模型，三轴力传感器和计算机连接进行数据传输。
所述单自由度气浮轴承的直径Φ为298mm，轴向承载为2300N。
所述目标卫星模型由目标卫星本体、喷管、右侧太阳帆板和左侧太阳帆板构成，目标卫星主体为立方体结构，右侧太阳帆板和左侧太阳帆板安装在目标卫星主体左右两侧，喷管安装在目标卫星主体的前后，目标卫星本体的外壳为铝合金结构。
所述三轴力传感器为GR301三轴力传感器，最小单位为1mN，三轴互扰误差0.5％。
所述工业机器人为库卡六自由度工业机器人。
一种三维电磁消旋力测量方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在测量开始前利用水平尺对大理石隔振台进行调平；
步骤2：模拟卫星失控自旋，对单自由度气浮轴承供气，使单自由度气浮轴承转子浮起；目标卫星模型的喷管喷气，受到力矩作用开始自旋，自旋角速度达到设定值，模拟失控翻滚卫星在空间的运动状态；
步骤3：工业机器人将电磁消旋末端执行器移动到预定消旋位置，启动电磁消旋末端执行器，采用间接法测量其相互作用力，三轴力传感器直接测量工业机器人上X、Y、Z三轴的力，通过相互作用力转换关系，对应为卫星所受的消旋力，通过有线形式传输到计算机；此时工业机器人坐标系O1X1Y1Z1的O1X1方向受的力Fx1、O1Y1方向受的力Fy1和O1Z1方向受的力Fz1可分别通三轴力传感器测得，模拟卫星坐标系O2X2Y2Z2的O2X2方向受的电磁消旋力Fx2＝-Fx1，O2Y2方向受的电磁消旋力Fy2＝-Fy1，O2Z2方向受的电磁消旋力Fz2＝-Fz1；
步骤4：计算机对三轴力传感器的数据进行处理并显示存储，当模拟卫星自旋角速度减小到0时，即消旋过程完成，模拟卫星喷嘴喷气停止喷气，对三轴力传感器的数据进行分析，绘制出消旋过程中消旋力的变化曲线。
有益效果
本发明提出的一种空间失控翻滚卫星单自由度非接触式消旋模拟测试平台及方法，与现有技术相比具有以下优点：
一、本发明借助气浮轴承利用三轴力传感器即可实现大质量目标消旋力的精确测量，计算机显示存储模拟卫星所受的消旋力，可以对整个消旋过程中消旋力的变化加以分析。
二、对电磁环境无干扰，与超导磁悬浮测力装置相比，本测试平台依靠压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成的气膜，从而实现近似无摩擦的相对运动，不会干扰外部磁场，适合静电消旋、电磁消旋力的测量。
三、模拟卫星自旋力矩由喷管的推力提供，实验中通过对喷管推力调节，可模拟不同转速下的消旋仿真情况，更加贴近实际仿真情形。
附图说明
图1为一种空间失控翻滚卫星单自由度非接触式消旋模拟测试平台的主视图
图2为一种空间失控翻滚卫星单自由度非接触式消旋模拟测试平台的俯视图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，本实施例所涉及的一种空间失控翻滚卫星单自由度非接触式消旋模拟测试平台，包括：大理石隔振台1、工业机器人底座2、单自由度气浮轴承3、单自由度气浮轴承转子4、主台面5、目标卫星主体6、喷管7、右侧太阳帆板8、左侧太阳帆板9、工业机器人10、电磁消旋末端执行器11、三轴力传感器12和计算机13。
其中，单自由度气浮轴承3固定大理石隔振台1上，工业机器人10安装在三轴力传感器12的顶面上。工业机器人10的末端与电磁消旋末端执行器11固连。单自由度气浮轴承转子4在单自由度气浮轴承3上方，单自由度气浮轴承转子4可以近似无摩擦的相对运动。主台面5与单自由度气浮轴承转子4固连，主台面5上安装有目标卫星主体6，目标卫星模型由目标卫星本体6、喷管7、右侧太阳帆板8和左侧太阳帆板9构成。三轴力传感器12和计算机13有线连接，进行数据传输。
本实施例中，如图1所示，工业机器人10固定在三轴力传感器12顶面上，单自由度气浮轴承3固定在大理石隔振台1上，工业机器人10和单自由度气浮轴承3相互独立，以避免电磁消旋末端执行器11运动时振动对测力过程的影响。单自由度气浮轴承3为静压气浮轴承，安装在大理石隔振台1上。单自由度气浮轴承3，其直径为Φ298mm，轴向承载为2300N。供气方式为小孔节流供气，供气压力为5bar，可承载目标卫星模型质量为50Kg。单自由度气浮轴承转子4及主台面5构成承载模块，用以安装目标卫星主体6。单自由度气浮轴承转子4与单自由度气浮轴承3之间通过外部供入的气体形成承载气膜，可以实现近似无摩擦的转动，为气浮轴承的产品特性。主台面5与单自由度气浮轴承转子4固连，主台面5上有用来安装目标卫星主体6的安装孔及T型槽。
目标卫星主体6外壳为铝合金结构，由目标卫星主体6、喷管7、右侧太阳帆板8和左侧太阳帆板9构成目标卫星模型。目标卫星主体6为立方体结构，右侧太阳帆板8和左侧太阳帆板9安装在目标卫星主体6左右两侧，喷管7安装在目标卫星主体6的前后。目标卫星主体6导电外壳与电磁消旋末端执行器11作用时，会产生作用于目标卫星模型上的电磁消旋力。电磁消旋力会对电磁消旋末端执行器11产生相互作用力，电磁消旋末端执行器11受到电磁消旋力的反作用力，通过工业机器人10机械臂传递到三轴力传感器12上。计算机13读取三轴力传感器12的测量结果，电磁消旋力与所测得的力为相互作用力，大小相同，方向相反，转换后即可求出电磁消旋力。
所选用的三轴力传感器为GR301三轴力传感器，可以很方便地测量出X、Y、Z三轴所受到的力，最小单位为1mN，三轴互扰误差0.5％。
工业机器人10为库卡六自由度工业机器人，工业机器人10安装在三轴力传感器12的顶面上，三轴力传感器12的底面与工业机器人底座2中心位置固连，三轴力传感器12直接测量工业机器人10上X、Y、Z三轴的力。电磁消旋末端执行器11安装在工业机器人10末端。电磁消旋末端执行器11由工业机器人10供电实现驱动。在地面模拟空间电磁消旋过程时，工业机器人10的六自由度机械臂带动电磁消旋末端执行器11运动至距离目标一定位置处模拟初始消旋状态下的相对位姿关系。
本实施例对目标卫星模型6进行电磁消旋过程中的三维电磁消旋力精确测量主要步骤如下：
步骤一、大理石隔振台1调平，在测量开始前利用水平尺对大理石隔振台1进行调平，减小径向斜扭矩对气浮轴承的影响，保证测量时水平误差对测量结果干扰最小；
步骤二、模拟卫星失控自旋，对单自由度气浮轴承3供气，使单自由度气浮轴承转子4浮起。模拟卫星喷管7喷气，受到力矩作用开始自旋，自旋角速度达到设定值，误差为±0.05％，模拟失控翻滚卫星在空间的运动状态；
步骤三、工业机器人10将电磁消旋末端执行器11移动到预定消旋位置，启动电磁消旋末端执行器11，因为消旋力为非接触力，不能直接进行测量，采用间接法测量其相互作用力，三轴力传感器12直接测量工业机器人10上X、Y、Z三轴的力，通过相互作用力转换关系，对应为卫星所受的消旋力，通过有线形式传输到计算机13。此时工业机器人10坐标系O1X1Y1Z1的O1X1方向受的力Fx1、O1Y1方向受的力Fy1和O1Z1方向受的力Fz1可分别通三轴力传感器测得，模拟卫星坐标系O2X2Y2Z2的O2X2方向受的电磁消旋力Fx2＝-Fx1，O2Y2方向受的电磁消旋力Fy2＝-Fy1，O2Z2方向受的电磁消旋力Fz2＝-Fz1；
步骤四、计算机对数据进行处理，对三轴力传感器的数据显示存储，当模拟卫星自旋停止时，即消旋过程完成，模拟卫星喷管停止喷气，对三轴力传感器的数据进行分析，绘制出消旋过程中消旋力的变化曲线；
本实施例中，采用单轴气浮轴承浮起大质量的目标卫星模型，利用高精度三轴力传感器实现了电磁环境下大质量目标上作用的电磁消旋力的精确测量，还可通过计算机观察整个消旋过程中电磁消旋力的变化趋势。测量平台具备测量三自由度电磁消旋力的能力，目标安装转台适于对不同质量及尺寸目标进行测量。实验时调节喷管喷力，可模拟不同转速下的消旋仿真情况，更加符合实际消旋时复杂多样的情况。

Claims (6)

1.一种空间失控翻滚卫星单自由度非接触式消旋模拟测试平台，其特征在于包括大理石隔振台(1)、工业机器人底座(2)、单自由度气浮轴承(3)、单自由度气浮轴承转子(4)、主台面(5)、目标卫星模型、工业机器人(10)、电磁消旋末端执行器(11)、三轴力传感器(12)和计算机(13)；三轴力传感器(12)的底面与工业机器人底座(2)中心位置固连，工业机器人(10)安装在三轴力传感器(12)的顶面上，三轴力传感器(12)测量工业机器人(10)上X、Y、Z三轴的力，工业机器人(10)的末端与电磁消旋末端执行器(11)固连；工业机器人(10)和单自由度气浮轴承(3)相互独立，单自由度气浮轴承(3)固定大理石隔振台(1)上，单自由度气浮轴承转子(4)在单自由度气浮轴承(3)上方；主台面(5)与单自由度气浮轴承转子(4)固连，主台面(5)上安装有目标卫星模型，三轴力传感器(12)和计算机(13)连接进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种空间失控翻滚卫星单自由度非接触式消旋模拟测试平台，其特征在于所述单自由度气浮轴承(3)的直径Φ为298mm，轴向承载为2300N。
3.根据权利要求1所述的一种空间失控翻滚卫星单自由度非接触式消旋模拟测试平台，其特征在于所述目标卫星模型由目标卫星本体(6)、喷管(7)、右侧太阳帆板(8)和左侧太阳帆板(9)构成，目标卫星主体(6)为立方体结构，右侧太阳帆板(8)和左侧太阳帆板(9)安装在目标卫星主体(6)左右两侧，喷管(7)安装在目标卫星主体(6)的前后，目标卫星本体(6)的外壳为铝合金结构。
4.根据权利要求1所述的一种空间失控翻滚卫星单自由度非接触式消旋模拟测试平台，其特征在于所述三轴力传感器(12)为GR301三轴力传感器，最小单位为1mN，三轴互扰误差0.5％。
5.根据权利要求1所述的一种空间失控翻滚卫星单自由度非接触式消旋模拟测试平台，其特征在于所述工业机器人(10)为库卡六自由度工业机器人。
6.一种采用权利要求1所述的模拟测试平台实现的三维电磁消旋力测量方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在测量开始前利用水平尺对大理石隔振台(1)进行调平；
步骤2：模拟卫星失控自旋，对单自由度气浮轴承(3)供气，使单自由度气浮轴承转子(4)浮起；目标卫星模型的喷管(7)喷气，受到力矩作用开始自旋，自旋角速度达到设定值，模拟失控翻滚卫星在空间的运动状态；
步骤3：工业机器人(10)将电磁消旋末端执行器(11)移动到预定消旋位置，启动电磁消旋末端执行器(11)，采用间接法测量其相互作用力，三轴力传感器(12)直接测量工业机器人(10)上X、Y、Z三轴的力，通过相互作用力转换关系，对应为卫星所受的消旋力，通过有线形式传输到计算机(13)；此时工业机器人(10)坐标系O1X1Y1Z1的O1X1方向受的力Fx1、O1Y1方向受的力Fy1和O1Z1方向受的力Fz1可分别通三轴力传感器测得，模拟卫星坐标系O2X2Y2Z2的O2X2方向受的电磁消旋力Fx2＝-Fx1，O2Y2方向受的电磁消旋力Fy2＝-Fy1，O2Z2方向受的电磁消旋力Fz2＝-Fz1；
步骤4：计算机对三轴力传感器的数据进行处理并显示存储，当模拟卫星自旋角速度减小到0时，即消旋过程完成，模拟卫星喷嘴喷气停止喷气，对三轴力传感器的数据进行分析，绘制出消旋过程中消旋力的变化曲线。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113900374A (zh) * 2021-09-14 2022-01-07 西北工业大学 一种失效翻滚卫星非接触消旋的安全鲁棒预测控制方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105197261A (zh) * 2015-08-24 2015-12-30 哈尔滨工业大学 面向在轨服务的快速翻滚目标消旋细胞帆及其工作方法
CN106494653A (zh) * 2016-10-21 2017-03-15 哈尔滨工业大学 基于气浮台的行星着陆运动模拟系统及方法
CN108168757A (zh) * 2017-12-14 2018-06-15 哈尔滨工业大学 空间翻滚目标电磁消旋微小消旋力测试平台及其测试方法
CN108548684A (zh) * 2018-04-25 2018-09-18 河北工业大学 一种机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105197261A (zh) * 2015-08-24 2015-12-30 哈尔滨工业大学 面向在轨服务的快速翻滚目标消旋细胞帆及其工作方法
CN106494653A (zh) * 2016-10-21 2017-03-15 哈尔滨工业大学 基于气浮台的行星着陆运动模拟系统及方法
CN108168757A (zh) * 2017-12-14 2018-06-15 哈尔滨工业大学 空间翻滚目标电磁消旋微小消旋力测试平台及其测试方法
CN108548684A (zh) * 2018-04-25 2018-09-18 河北工业大学 一种机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113900374A (zh) * 2021-09-14 2022-01-07 西北工业大学 一种失效翻滚卫星非接触消旋的安全鲁棒预测控制方法
CN113900374B (zh) * 2021-09-14 2023-06-09 西北工业大学 一种失效翻滚卫星非接触消旋的安全鲁棒预测控制方法

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