CN112146910B - 模拟装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种模拟装置，其包括：全方位移动平台、Stewart平台、连接杆、航天器模型和驱动器；Stewart平台设置于全方位移动平台的上方；连接杆的下端固定于Stewart平台的上方，上端固定连接于驱动器；航天器模型连接于驱动器，航天器模型具有通过航天器模型的质心的自转轴且能够在驱动器的作用下绕自转轴转动，连接杆的延长线通过航天器模型的质心且与航天器模型的自转轴成预定角度；其中，Stewart平台和全方位移动平台用于带动连接杆运动以控制航天器模型的自转轴绕质心做定点运动。全方位移动平台和Stewart平台的协同作用，有效地模拟了太空环境中的失效的航天器的运动状态，使得本公开的模拟装置仅需较小的运动空间便能够满足航天器模型的最大工作空间需求。

Description

模拟装置

技术领域

本公开涉及航天飞行器模拟技术领域，尤其涉及一种模拟装置。

背景技术

随着空间技术的发展，空间轨道上分布着愈来愈多的航天飞行器。同时，因为到达设计工作年限或者突发事故而失去动力的飞行器也越来越多，这些航天器分布在空间轨道上，严重影响了其余航天飞行器的正常工作，同时对宇宙空间造成了污染。

为了更好地处理这些航天器，需要对其运动状态进行研究，但是直接对在轨运行过程中的航天器进行观测和研究，其成本和风险都非常高，所以在地面进行模拟仿真是很有必要的。

目前，于2019年7月26日公开的中国专利申请CN110057556A提出了一种模拟空间航天器定点转动的装置。该装置的试验件承载装置和竖直放置的支撑轴通过滑动轴承相连，被支撑轴尖端通过轴承支撑的试验件承载装置可实现绕定点三轴姿态运动。由于试验件只和轴承接触，因此对试验件的重量提出了限制。该装置要求定点运动过程完全通过试验件自身的规划控制来实现，整个运动控制过程较为复杂；此外，该装置在实验前，需要根据不同试验件的重量，在试验件上增加配重，从而调节试验件的质心，使其能够配平到轴承上，增加了实验准备时间，且实验过程复杂。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本公开的目的在于提供一种模拟装置，其能够对太空中的航天器在失去动力后的定点运动进行有效地模拟，且仅需较小的运动空间便能够满足航天器模型的最大工作空间需求；此外，其无需在实验前调节质心，且能够简化实验操作。

为了实现上述目的，在第一方面，本公开提供了一种模拟装置，其包括：全方位移动平台、Stewart平台、连接杆、航天器模型和驱动器；Stewart平台设置于全方位移动平台的上方；连接杆的下端固定于Stewart平台的上方，上端固定连接于驱动器；航天器模型连接于驱动器，航天器模型具有通过航天器模型的质心的自转轴且能够在驱动器的作用下绕自转轴转动，连接杆的延长线通过航天器模型的质心且与航天器模型的自转轴成预定角度；其中，Stewart平台和全方位移动平台用于带动连接杆运动以控制航天器模型的自转轴绕质心做定点运动。

在一实施例中，航天器模型包括第一部分和第二部分，驱动器包括连接部以及位于连接部轴向两侧的第一输出轴和第二输出轴，第一输出轴连接于第一部分，第二输出轴连接于第二部分，第一输出轴的轴线与第二输出轴的轴线处于同一直线上以构成航天器模型的自转轴，且第一输出轴和第二输出轴以相同的转速同向转动，连接杆的上端固定于连接部。

在一实施例中，驱动器的连接部设置于航天器模型的质心位置。

在一实施例中，航天器模型的自转轴与连接杆之间的预定角度为45°。

在一实施例中，Stewart平台包括下平台、电动缸、球铰链、上平台和虎克铰；下平台固定于全方位移动平台的上表面；电动缸的下端通过球铰链连接于下平台上，电动缸的上端通过虎克铰连接于上平台；连接杆的下端固定于上平台。

在一实施例中，模拟装置还包括控制器，全方位移动平台和Stewart平台受控连接于控制器。

本公开的有益效果如下：在根据本公开的模拟装置中，全方位移动平台与Stewart平台协同运动，有效地模拟了太空环境中的失效的航天器的运动状态，且本公开的模拟装置仅需较小的运动空间便能够满足航天器模型的最大工作空间需求；此外，本公开的模拟装置无需在实验前调节质心，简化了实验操作，再者，且模拟装置由于采用全方位移动平台与Stewart平台组合的结构设计，使得整体机构占用空间小，结构紧凑。

附图说明

图1是根据本公开的模拟装置的示意图。

图2是图1中的Stewart平台的上平台处于水平状态的示意图。

图3是图2中的Stewart平台的上平台逆时针转动一定角度的示意图。

图4是图2中的Stewart平台的上平台顺时针转动一定角度的示意图。

图5是图1中的航天器模型与连接杆的放大的示意图。

图6是根据本公开的模拟装置处于第一姿态下的示意图。

图7是根据本公开的模拟装置处于第二姿态下的示意图。

图8是根据本公开的模拟装置处于第三姿态下的示意图。

图9是根据本公开的模拟装置处于第四姿态下的示意图。

图10是航天器模型的自转轴转动范围的示意图。

图11是航天器模型的自转轴在失去动力的状态下绕质心的运动轨迹的一实施例的示意图。

图12是航天器模型的自转轴在失去动力的状态下绕质心的运动轨迹的另一实施例的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1 全方位移动平台 41 第一部分

2 Stewart平台 42 第二部分

21 下平台 43 天线

22 电动缸 5 驱动器

23 球铰链 51 第一输出轴

24 上平台 52 第二输出轴

25 虎克铰 53 连接部

3 连接杆 P 质心

4 航天器模型 Lo 自转轴

具体实施方式

下面参照附图详细说明根据本公开的模拟装置。

本公开的模拟装置可以用于仿真空间环境中的航天器在失去动力后的空间定点运动。如图1所示，根据本公开的模拟装置包括全方位移动平台1、Stewart平台2、连接杆3、航天器模型4和驱动器5。

全方位移动平台1为全向移动AGV，例如基于多组麦克纳姆轮的全向移动小车或者基于多组舵轮的全向移动小车。全方位移动平台1能够在水平面上平动以及绕竖直方向转动。

Stewart平台2固定设置于全方位移动平台1的上方，从而随全方位移动平台1一起运动。Stewart平台2包括下平台21、电动缸22、球铰链23、上平台24和虎克铰25。下平台21固定于全方位移动平台1的上表面；电动缸22的下端通过球铰链23连接于下平台21上，电动缸22的上端通过虎克铰25连接于上平台24。通过电动缸22、球铰链23和虎克铰25的协同作用，Stewart平台2的上平台24在空间中可相对于下平台21实现三个方向的平动和三个方向的转动，进而使上平台24相对下平台21的位姿发生变化，例如如图2至图4所示。当上平台24由图2所示的状态变化到图3所示的状态时，图2中的右侧的电动缸22的伸缩杆伸长，左侧的电动缸22的伸缩杆缩短，且与相应的电动缸22连接的球铰链23和虎克铰25转动一定的角度，此时上平台24将绕垂直于纸面的方向逆时针旋转，最终上平台24由最初的图2所示的状态变化到图3所示的状态。同理，当上平台24需要由图2所示的状态变化到图4所示的状态时，图2中的左侧的电动缸22的伸缩杆伸长，右侧的电动缸22的伸缩杆缩短，且与相应的电动缸22连接的球铰链23和虎克铰25转动一定的角度，此时上平台24将绕垂直于纸面的方向顺时针旋转，最终上平台24由最初的图2所示的状态变化到图4所示的状态。在一实施例中，Stewart平台2的电动缸22为六根，对应地，球铰链23和虎克铰25的数量也分别为6个。Stewart平台2运动灵活，微动精度高，能够精确地调节上平台24的位置姿态。

连接杆3的下端固定于Stewart平台2的上方，具体地，连接杆3的下端固定于上平台24上。连接杆3的上端固定于驱动器5上，由此，连接杆3能够随着上平台24同步运动，同时带动驱动器5一起运动。

如图5所示，航天器模型4连接于驱动器5，航天器模型4具有通过航天器模型4的质心P的自转轴Lo且能够在驱动器5的作用下绕自转轴Lo转动，连接杆3的延长线通过航天器模型4的质心P且与航天器模型4的自转轴Lo成预定角度a。其中，上文所述的Stewart平台2和全方位移动平台1用于带动连接杆3运动以控制航天器模型4的自转轴Lo绕质心P做定点运动。由于连接杆3与驱动器5固定连接，且连接杆3的轴线延长线与航天器模型4的自转轴Lo相交于航天器模型4的质心P，使得连接杆3的末端直接控制航天器模型4的质心P，由此能够容易地控制自转轴Lo始终绕质心P运动以及质心P位置的恒定，相比于连接杆3的轴线延长线不通过质心P的设计方案而言，简化了Stewart平台2和全方位移动平台1在仿真过程中的计算过程，同时降低了计算难度。

需要说明的是，本公开的模拟装置在模拟过程中不考虑航天器的公转。太空中失效的航天器失去动力后，不受外力作用，在空间环境中的运动可视为绕自身质心的定点运动，而这一复杂的定点运动可以分解为航天器绕某一通过质心的自转轴进行自转以及所述航天器的自转轴的进动和章动。在根据本公开的模拟装置中，航天器模型4绕通过质心P的自转轴Lo进行自转运动，而全方位移动平台1和Stewart平台2带动连接杆3一起运动既能够保持质心P作为定点始终固定不动，又能够直接驱动航天器模型4进行位姿变换，从而模拟航天器模型4的自转轴Lo的进动和章动，由此通过航天器模型4有效地模拟了太空环境中的失效的航天器的运动状态，且在仿真过程中，模拟装置将复杂的定点运动分解为航天器模型4绕通过质心P的自转轴Lo的自转和所述自转轴Lo的运动，将两部分的运动分开进行计算和控制，降低了控制难度；此外，本公开的模拟装置无需在实验前调节质心，简化了实验操作，且模拟装置由于采用全方位移动平台1与Stewart平台2组合的结构设计，使得整体机构占用空间小，结构紧凑；再者，将负责调节航天器模型4位姿的连接杆3与自转轴Lo成预定角度设置，实现了航天器模型4的自转轴Lo由平行于水平面转动到垂直于水平面的位姿变化过程，从而能够有效地模拟真实的太空中的航天器的自转轴处于任意角度的需求。且全方位移动平台1与Stewart平台2协同运动，使得本公开的模拟装置仅需较小的运动空间便能够满足航天器模型的最大工作空间需求。

在一实施例中，如图5所示，航天器模型4包括第一部分41和第二部分42。驱动器5包括连接部53以及位于连接部53轴向两侧的第一输出轴51和第二输出轴52。需要注意的是，在设置驱动器5的位置前需先确定航天器模型4的质心P位置，然后将驱动器5的连接部53设置于航天器模型4的质心P位置，驱动器5将航天器模型4分解成位于连接部53轴向两侧的第一部分41和第二部分42。连接杆3的上端固定于连接部53，且连接杆3的延长线通过质心P。

具体地，第一输出轴51连接于第一部分41，第二输出轴52连接于第二部分42，第一输出轴51的轴线与第二输出轴52的轴线处于同一直线上以构成航天器模型4的自转轴Lo，且第一输出轴51和第二输出轴52以相同的转速同向转动。第一部分41和第二部分42分别绕通过质心P的自转轴Lo以相同的速度同向转动，实现了通过航天器模型4来模拟太空中的航天器绕某一通过质心的轴自转的情形。

在一实施例中，如图5所示，航天器模型4的自转轴Lo与连接杆3之间的预定角度a为45°。预定角度a设置为45°使得上平台24在由图6所示的状态变化到图7所示的状态时、连接杆3只需顺时针转动90°，即可实现航天器模型4的自转轴Lo由水平方向转动到竖直方向，使得自转轴Lo的角度变化更容易计算。需要说明的是，在现实的太空环境中，失去动力的航天器的自转轴与赤道平面(对应模拟环境下的水平面)的夹角会有变化，而上平台24位姿的变化能够调节自转轴Lo与水平面的夹角从0°到90°的变化，从而有效地模拟太空中的失去动力的航天器的自转轴与赤道平面之间出现各种角度的夹角。

模拟装置还包括控制器，全方位移动平台1和Stewart平台2受控连接于控制器(未示出)，控制器控制全方位移动平台1和Stewart平台2具体需要移动的位移，指令全方位移动平台1和Stewart平台2进行相应的运动。

下面举例说明航天器模型4的自转轴Lo在维持以质心P为定点且与水平面的夹角由0°变化到180°的运动过程。

首先需要将自转轴Lo与水平面的夹角由0°变化到180°过程划分为0°变化到90°和90°变化到180°两个变化过程。在0°变化到90°的变化过程中，当自转轴Lo处于0°(参照图6，航天器模型4的天线43朝向左)时，通过计算控制左侧的电动缸22的伸缩杆伸长一定距离，右侧的电动缸22的伸缩杆缩短一定距离，对应的球铰链23和虎克铰25旋转一定角度，从而带动上平台24转动直到自转轴Lo转动到与水平面垂直的位置(如图7所示，航天器模型4的天线43朝向上)，在这一运动过程中，全方位移动平台1需同步向左运动，以保证质心P在自转轴Lo变化过程中质心P始终保持在恒定的位置，从而保证自转轴Lo在转动过程中航天器模型4仍然能够保持定点运动状态。在90°变化到180°的变化过程中，在图7所示的状态下，仅使全方位移动平台1绕此刻的自转轴Lo做旋转180°运动，便能够将模拟装置变化到与图7镜相对称的姿态(参照图8)，在图8所示的姿态下，再次通过计算控制左侧的电动缸22的伸缩杆伸长一定距离，右侧的电动缸22的伸缩杆缩短一定距离，对应的球铰链23和虎克铰25旋转一定角度，带动上平台24转动直到自转轴Lo转动到与水平面的夹角成180°的位置(如图9所示，航天器模型4的天线43朝向右)，同样地，在该变化过程中，全方位移动平台1需持续向左运动，以保证质心P在自转轴Lo变化过程中质心P始终保持在恒定的位置，从而保证自转轴Lo在转动过程中航天器模型4仍然能够保持定点运动状态。上述两个过程实现了航天器模型4的自转轴Lo与水平面的夹角由0°变化到180°过程。如果仅依赖Stewart平台2，航天器模型4的自转轴Lo的运动范围仅为上平台24能够达到的角度变化范围，而全方位移动平台1绕自转轴Lo的旋转(从图7变化到图8的过程)，实现了航天器模型4姿态的对称性，扩大了Stewart平台2的活动范围，使得本公开的模拟装置仅需较小的运动空间便能够满足航天器模型的最大工作空间需求。

图6至图9仅说明了自转轴Lo在垂直于水平面的A平面的转动轨迹，可以想象，自转轴Lo也可以在垂直于水平面的其它平面内转动，因此自转轴Lo可以达到的所有状态的集合在全局空间中构成如图10所示的半球体，半球体的中心为航天器模型4的质心P，由此，全方位移动平台1和航天器模型4的协同作用，使得自转轴Lo能够与水平面的夹角成任意角度，且使得在夹角变化过程中航天器模型4始终维持定点运动，由此，能够有效地模拟太空环境下的失去动力后的航天器的定点运动状态。

本公开的模拟装置的自转轴Lo绕质心P的实际运动轨迹如图11和12所示，需要说明的是，太空中的航天器在未失效(即，有动力)的情况下，航天器的自转轴Lo绕质心P做自转运动；而失去动力的航天器由于受到空间环境各种力的扰动，航天器的自转轴Lo通常绕质心P做如图12所示的运动(即，进动与章动的合成)；当然，根据受力情况的不同，航天器的自转轴Lo也会存在如图11所示的绕质心P做进动的情形，无论哪种运动情形，本公开的模拟装置均能够对其进行有效地模拟，此外，在模拟时，还需要将自转轴Lo的自转运动与自转轴Lo进动或章动进行合成，从而模拟出了航天器定点运动的最终运动学状态。

Claims (6)

1.一种模拟装置，其特征在于，包括：全方位移动平台(1)、Stewart平台(2)、连接杆(3)、航天器模型(4)和驱动器(5)；

Stewart平台(2)设置于全方位移动平台(1)的上方；

连接杆(3)的下端固定于Stewart平台(2)的上方，上端固定连接于驱动器(5)；

航天器模型(4)连接于驱动器(5)，航天器模型(4)具有通过航天器模型(4)的质心(P)的自转轴(Lo)且能够在驱动器(5)的作用下绕自转轴(Lo)转动，连接杆(3)的延长线通过航天器模型(4)的质心(P)且与航天器模型(4)的自转轴(Lo)成预定角度(a)；

其中，Stewart平台(2)和全方位移动平台(1)用于带动连接杆(3)运动以控制航天器模型(4)的自转轴(Lo)绕质心(P)做定点运动。

2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，

航天器模型(4)包括第一部分(41)和第二部分(42)，

驱动器(5)包括连接部(53)以及位于连接部(53)轴向两侧的第一输出轴(51)和第二输出轴(52)，第一输出轴(51)连接于第一部分(41)，第二输出轴(52)连接于第二部分(42)，第一输出轴(51)的轴线与第二输出轴(52)的轴线处于同一直线上以构成航天器模型(4)的自转轴(Lo)，且第一输出轴(51)和第二输出轴(52)以相同的转速同向转动，连接杆(3)的上端固定于连接部(53)。

3.根据权利要求2所述的模拟装置，其特征在于，

驱动器(5)的连接部(53)设置于航天器模型(4)的质心(P)位置。

4.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，航天器模型(4)的自转轴(Lo)与连接杆(3)之间的预定角度(a)为45°。

5.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，

Stewart平台(2)包括下平台(21)、电动缸(22)、球铰链(23)、上平台(24)和虎克铰(25)；

下平台(21)固定于全方位移动平台(1)的上表面；

电动缸(22)的下端通过球铰链(23)连接于下平台(21)上，电动缸(22)的上端通过虎克铰(25)连接于上平台(24)；

连接杆(3)的下端固定于上平台(24)。

6.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，模拟装置还包括控制器，全方位移动平台(1)和Stewart平台(2)受控连接于控制器。

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