CN113247318B - 一种非合作目标翻滚运动起旋模拟系统及方法 - Google Patents

一种非合作目标翻滚运动起旋模拟系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种非合作目标翻滚运动起旋模拟系统及方法，解决了现有非合作目标模型在喷气姿控的过程中质心位置会发生改变及需要频繁的卸载控制力矩陀螺的角动量的问题，属于航天器姿态地面模拟控制领域。本发明包括：旋转磁场源固定在控制末端上，位于翻滚非合作目标的上方；翻滚非合作目标的表面采用蜂窝铝板外壳；旋转磁场源能在翻滚非合作目标的蜂窝铝板外壳上感生电磁力矩；转磁场源与翻滚非合作目标表面的倾斜角β在范围10‑20°内控制系统根据η控制末端转速ωs的值：当|η|＜45°，ωs＝A，当|η|≥45°，ωs＝0；η表示矢量Ht×ωs×Ht与Ht×n×Ht之间的夹角，Ht表示翻滚非合作目标的自旋轴矢量，n表示翻滚非合作目标的角动量矢量。

Description

一种非合作目标翻滚运动起旋模拟系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于非接触电磁力驱动的非合作目标翻滚运动起旋模拟系统及方法，属于航天器姿态地面模拟控制领域。
背景技术
失效航天器等非合作目标占据了大量宝贵的轨道资源，对其进行主动清除迫在眉睫。非合作目标清除的一个难点在于其无规律的翻滚运动，翻滚运动成因复杂，有非合作目标失效前的残余角动量、燃料晃动、能量耗散等众多原因。在对非合作目标进行主动清除时，地面模拟实验是一个必不可少的环节，首先需要对非合作目标的三维翻滚运动进行地面模拟。
一种常见的方法是基于三自由度气浮球轴承设计非合作目标翻滚运动模拟系统，在非合作目标翻滚运动模拟系统上安装气瓶、控制力矩陀螺等姿态控制系统，利用非合作目标翻滚运动模拟系统上的姿态控制系统驱动非合作目标实现翻滚运动的起旋模拟。然而喷气姿态控制系统存在的问题是起旋模拟过程中，气瓶内的气体不断消耗，造成了整个模拟系统的总质量、质心位置会发生改变，这会造成平台姿态模拟不准确甚至平台倾覆的可能，所以喷气式起旋模拟系统在模拟过程中对整个系统的质心实时调节功能提出了很高的要求。控制力矩陀螺姿态控制系统存在的问题是起旋模拟过程中，陀螺的角动量一直累积，一旦累计角动量值达到饱和，则需要进行角动量卸载，否则控制力矩陀螺的姿态控制能力就会丧失。若进行多种不同工况下的翻滚运动起旋模拟，控制力拒陀螺持续工作时角动量容易饱和，需要频繁的卸载控制力矩陀螺的角动量。
发明内容
针对现有非合作目标模型在喷气姿控的过程中质心位置会发生改变及需要频繁的卸载控制力矩陀螺的角动量的问题，本发明提供一种非合作目标翻滚运动起旋模拟系统及方法。
本发明的一种非合作目标翻滚运动起旋模拟系统，所述系统包括控制末端、旋转磁场源3、翻滚非合作目标4和控制系统；旋转磁场源3固定在控制末端上，旋转磁场源3位于翻滚非合作目标4的上方；翻滚非合作目标4的表面采用蜂窝铝板外壳41；旋转磁场源3能在翻滚非合作目标4的蜂窝铝板外壳41上感生电磁力矩；
控制系统，用于根据η控制末端转速ωs，实现翻滚非合作目标4翻滚运动的起旋模拟，控制时，η与控制末端转速ωs的值的关系为：
Figure BDA0003136716630000021
其中，η表示矢量Ht×ωs×Ht与Ht×n×Ht之间的夹角，Ht表示翻滚非合作目标4的自旋轴矢量，n表示翻滚非合作目标4的角动量矢量；
所述控制系统，还用于控制旋转磁场源3与翻滚非合作目标4表面的倾斜角β在范围10-20°内。
作为优选，所述翻滚非合作目标4包括蜂窝铝板外壳41、Z向调平机构42、气浮球轴承43、X、Y向调平机构44、控制电路47、陀螺仪48、第一支撑架50和第二支撑架49；
Z向调平机构42、气浮球轴承43、X、Y向调平机构44、控制电路47和第一支撑架设置在蜂窝铝板外壳41内部，且Z向调平机构42、X、Y向调平机构44和控制电路47和第一支撑架分布固定在蜂窝铝板外壳41上，Z向调平机构42、X、Y向调平机构44各配置有配重块，气浮球轴承43的浮动端与第一支撑架固定连接，陀螺仪48和第二支撑架49设置在蜂窝铝板外壳41外部，第二支撑架49与蜂窝铝板外壳41固定连接，陀螺仪48设置在第二支撑架49上；
所述陀螺仪48，与控制电路47连接，用于检测翻滚非合作目标4的姿态，并发送给控制电路；
控制电路，用于实时获取翻滚非合作目标4的姿态与水平状态的偏差，根据该偏差计算Z向调平机构42、X、Y向调平机构44上配重块的位移量，并控制Z向调平机构42、X、Y向调平机构44安装所述位移量移动相应配重块，对翻滚非合作目标4的质心进行调整，直至陀螺仪48检测的偏差为0。
本发明还提供一种非合作目标翻滚运动起旋的模拟方法，所述方法包括：
S1、移动工业机器人1控制旋转磁场源3位于翻滚非合作目标4的正上方，倾斜旋转磁场源3与翻滚非合作目标4表面的倾斜角β，β的范围控制在10-20°内；
S2、在翻滚非合作目标4的章动周期内的半个周期开启旋转磁场源3，控制旋转磁场源3以转速ωs旋转，ωs的值根据η进行控制，直至实现翻滚非合作目标4翻滚运动的起旋模拟：
Figure BDA0003136716630000031
其中，η表示矢量Ht×ωs×Ht与Ht×n×Ht之间的夹角，Ht表示翻滚非合作目标4的自旋轴矢量，n表示翻滚非合作目标4的角动量矢量；
S3、获取翻滚非合作目标4的章动角及三轴角速度信息，获取翻滚非合作目标4的起旋转速，当翻滚非合作目标4的起旋转速及章动角达到设定值时停止旋转磁场源3的旋转。
本发明的有益效果：本发明的系统以非接触电磁力为动力源，以非合作目标上包覆的导电铝蜂窝板为力矩传递介质，实现非接触控制力矩的传递，所需控制力矩来源于外部电磁力矩，因此无需安装控制力矩陀螺。基于该系统构造的三自由度气浮非合作目标模型无需搭载姿控系统，质心位置始终保持不变，无需二次调整。本发明减小了三自由度气浮非合作目标模型的有效载荷，仅在目标外表面安装铝蜂窝板即可实现非接触电磁力矩的传递，减小了模型调平难度，减小了模型设计难度。
附图说明
图1为本发明非合作目标翻滚运动起旋模拟系统示意图；
图2为本发明控制末端转速矢量ωs与翻滚非合作目标4的角动量矢量n及翻滚非合作目标4的自旋轴矢量Ht三者之间的角度关系示意图；
图3为电磁起旋力矩Te与翻滚非合作目标4的自旋轴矢量Ht两者之间的关系示意图；
图4为本发明所针对的铝蜂窝板包覆的非合作目标模型示意图；
图5为本发明实施过程中翻滚非合作目标4起旋后三轴角速度示意图；
图6为本发明实施过程中翻滚非合作目标4自旋轴与竖直方向夹角示意图。
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式的一种非合作目标翻滚运动起旋模拟系统，包括控制末端、旋转磁场源3、翻滚非合作目标4和控制系统；旋转磁场源3固定在控制末端上，旋转磁场源3位于翻滚非合作目标4的上方；翻滚非合作目标4的表面采用蜂窝铝板外壳41；旋转磁场源3能在翻滚非合作目标4的蜂窝铝板外壳41上感生电磁力矩；
控制系统，用于根据η控制末端转速ωs，实现翻滚非合作目标4翻滚运动的起旋模拟，控制时，η与控制末端转速ωs的值的关系为：
Figure BDA0003136716630000041
其中，η表示矢量Ht×ωs×Ht与Ht×n×Ht之间的夹角，Ht表示翻滚非合作目标4的自旋轴矢量，n表示翻滚非合作目标4的角动量矢量；
控制系统，还用于控制旋转磁场源3与翻滚非合作目标4表面的倾斜角β在范围10-20°内。
本实施方式利用旋转磁场在翻滚非合作目标4表面铝蜂窝板上感生的电磁力矩对目标姿态实施通断控制，ωs＝300代表通，ωs＝0代表断，实现翻滚非合作目标4的起旋模拟。由于目标姿态改变所需力矩来源于外部旋转磁场，因此翻滚非合作目标4上无需携带姿态控制系统。该模拟系统减少了三自由度气浮非合作目标的载荷数量，能够在地面快速高效的模拟非合作目标的翻滚运动。
采用式(1)的通断策略控制下，翻滚非合作目标4的章动角会逐步发散形成翻滚运动状态，证明过程如下：
根据翻滚非合作目标4章动角的定义，有：
Figure BDA0003136716630000042
其中θ代表目标章动角，Itx、Ity、Itz代表目标航天器在本体坐标系三个坐标轴上的主惯量分量，ωtx、ωty、ωtz分别代表目标角速度在本体系三个坐标轴方向的分量。令
Figure BDA0003136716630000043
对上式两边取微分可得
Figure BDA0003136716630000044
假设目标航天器为对称体，即Itx＝Ity，且令Htz＝Itzωtz，Ht//＝[Htx,Hty,0]T。令电磁起旋力矩Te＝[Tex,Tey,Tez]T为作用在目标航天器上的电磁力矩，根据目标姿态动力学方程，有
Figure BDA0003136716630000051
令Te//＝[Tex,Tey,0]T，将式(4)代入式(3)得到
Figure BDA0003136716630000052
当HtxTex+HtyTey-TezHtztan2θ＞0，也即HtxTex+HtyTey＞TezHtz tan2θ时，对于章动角小于45°的目标，sin2θ>0，此时有
Figure BDA0003136716630000053
成立。因此目标章动发散的条件可以表示为：
Ht//Te//＞TezHtztan2θ
(6)
假设电磁起旋力矩Te与目标角动量矢量Ht共面，由于电磁起旋力矩Tez与ωtz同向tanθ＝Ht///Htz，代入上式可得章动发散条件可以化为
|Te//|＞|Tez|tanθ (7)
因此当|η|＜45°时，可以近似认为电磁起旋力矩Te与目标角动量矢量Ht以及目标自旋轴矢量方向n共面。对于所述所述由8块立方体永磁体组合而成，单个永磁体边长为40mm，永磁体排布方向呈轴向Halbach式阵列排布的旋转磁场源。该磁场源与目标表面成一定倾斜角β取10-20°范围时，在目标上感生的电磁起旋力矩分量满足式(7)，即该力矩矢量位于图3所示阴影区域，此时目标章动发散条件成立，可以形成翻滚运动状态。
如图1所示，本实施方式的控制末端采用工业机器人1的末端电主轴2实现，工业机器人1为库卡六自由度工业机器人，末端电主轴2转速为0至500r/min。
本实施方式的旋转磁场源3由8块立方体永磁体组合而成，永磁体排布方向呈轴向Halbach式阵列排布。单个永磁体边长为40mm。
本实施方式的翻滚非合作目标4包括蜂窝铝板外壳41、Z向调平机构42、气浮球轴承43、X、Y向调平机构44、控制电路47、陀螺仪48、第一支撑架50和第二支撑架49；
Z向调平机构42、气浮球轴承43、X、Y向调平机构44、控制电路47和第一支撑架设置在蜂窝铝板外壳41内部，且Z向调平机构42、X、Y向调平机构44和控制电路47和第一支撑架分布固定在蜂窝铝板外壳41上，Z向调平机构42、X、Y向调平机构44各配置有配重块，气浮球轴承43的浮动端与第一支撑架固定连接；
因此该翻滚非合作目标模拟的平台整体均与气浮球轴承形成固定连接，气浮球轴承通气浮起后，整个平台可实现近似无摩擦的旋转及翻滚运动模拟。
陀螺仪48和第二支撑架49设置在蜂窝铝板外壳41外部，第二支撑架49与蜂窝铝板外壳41固定连接，陀螺仪48设置在第二支撑架49上；
在通断控制实施之前，翻滚非合作目标模拟平台的主要任务是调整系统质心位置与气浮球球心位置重合，防止质心位置偏差带来的干扰力矩影响姿态模拟的准确性。质心调整是这样实现的：
陀螺仪48，与控制电路47连接，检测翻滚非合作目标4的姿态，并发送给控制电路；
控制电路实时获取翻滚非合作目标4的姿态与水平状态的偏差，根据该偏差计算Z向调平机构42、X、Y向调平机构44上配重块的位移量，并控制Z向调平机构42、X、Y向调平机构44安装所述位移量移动相应配重块，对翻滚非合作目标4的质心进行调整，直至陀螺仪48检测的偏差为0，即：陀螺仪48反馈的平台姿态达到水平状态。
本实施方式还包括无线传输模块46，在通断控制实施过程中，由于非合作目标模拟平台结构、质量均不再变化，因此系统质心位置一直保持恒定，此时无需再调整系统质心，通断控制实施过程中X、Y、Z向调平电机无需动作。另外，由于通断控制需要判断目标起旋转速及章动角是否达到设定值，因此通断控制实施过程中非合作目标模拟平台仅有陀螺仪48将平台姿态信息通过无线传输模块46传输至控制系统，其他模块不工作。
本实施方式的蜂窝铝板外壳41包括按顺序叠放的上铝板、蜂窝夹芯层和下铝板，上铝板、下铝板的厚度均为0.5mm，蜂窝夹芯层厚度为25mm。
本实施方式的陀螺仪48安装位置距离蜂窝铝板外壳41底部1m，减小电磁干扰。
本实施方式还包括电源45，用于为Z向调平机构42和X、Y向调平机构44提供工作电压。
本实施方式还提供一种非合作目标翻滚运动起旋的模拟方法，包括：
步骤一、移动工业机器人1控制旋转磁场源3位于翻滚非合作目标4的正上方，倾斜旋转磁场源3与翻滚非合作目标4表面的倾斜角β，β的范围控制在10-20°内；当旋转磁场源3相对于翻滚非合作目标4旋转时，电磁起旋力矩即可施加在翻滚非合作目标4上。当旋转磁场源3主动倾斜时，由于气隙不均匀产生的横向章动力矩分量即可施加在翻滚非合作目标4上，有助于增加翻滚非合作目标4的章动角。
步骤二、在翻滚非合作目标4的章动周期内的半个周期开启旋转磁场源3，控制旋转磁场源3以转速ωs旋转，ωs的值根据η进行控制，直至实现翻滚非合作目标4翻滚运动的起旋模拟：
Figure BDA0003136716630000071
其中，η表示矢量Ht×ωs×Ht与Ht×n×Ht之间的夹角，Ht表示翻滚非合作目标4的自旋轴矢量，n表示翻滚非合作目标4的角动量矢量；
本实施方式让旋转磁场源3以+300r/min或需要设定的目标转速旋转，施加电磁力矩实现起旋。
步骤三、获取翻滚非合作目标4的章动角及三轴角速度信息，获取翻滚非合作目标4的起旋转速，当翻滚非合作目标4的起旋转速及章动角达到设定值时停止旋转磁场源3的旋转。
具体实施例
以非合作目标惯量阵为
Figure BDA0003136716630000072
起旋时旋转磁场源3与翻滚非合作目标4上表面呈15°倾斜角以获取章动力矩。起旋时旋转磁场源3中心位置距离翻滚非合作目标4表面间距为0.1m，旋转磁场源3励磁转速为300r/min，图3所示为非合作目标起旋后三轴角速度示意图，图中可以看出目标在起旋过程中横向角速度ωx及ωz幅值逐步增大，图4所示为非合作目标自旋轴与竖直方向夹角示意图，图中可以看出章动角持续增加，出现明显的章动运动。最终翻滚非合作目标4自旋角速度达到30°/s，峰值章动角达到3°，为典型的自由翻滚运动状态。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种非合作目标翻滚运动起旋模拟系统，其特征在于，所述系统包括控制末端、旋转磁场源(3)、翻滚非合作目标(4)和控制系统；旋转磁场源(3)固定在控制末端上，旋转磁场源(3)位于翻滚非合作目标(4)的上方；翻滚非合作目标(4)的表面采用蜂窝铝板外壳(41)；旋转磁场源(3)能在翻滚非合作目标(4)的蜂窝铝板外壳(41)上感生电磁力矩；
控制系统，用于根据η控制末端转速ωs，实现翻滚非合作目标(4)翻滚运动的起旋模拟，控制时，η与控制末端转速ωs的值的关系为：
Figure FDA0003136716620000011
其中，η表示矢量Ht×ωs×Ht与Ht×n×Ht之间的夹角，Ht表示翻滚非合作目标(4)的自旋轴矢量，n表示翻滚非合作目标(4)的角动量矢量；
所述控制系统，还用于控制旋转磁场源(3)与翻滚非合作目标(4)表面的倾斜角β在范围10-20°内。
2.根据权利要求1所述的一种非合作目标翻滚运动起旋模拟系统，其特征在于，所述旋转磁场源(3)由8块立方体永磁体组合而成，永磁体排布方向呈轴向Halbach式阵列排布。
3.根据权利要求2所述的一种非合作目标翻滚运动起旋模拟系统，其特征在于，单个永磁体边长为40mm。
4.根据权利要求1所述的一种非合作目标翻滚运动起旋模拟系统，其特征在于，所述翻滚非合作目标(4)包括蜂窝铝板外壳(41)、Z向调平机构(42)、气浮球轴承(43)、X、Y向调平机构(44)、控制电路(47)、陀螺仪(48)、第一支撑架(50)和第二支撑架(49)；
Z向调平机构(42)、气浮球轴承(43)、X、Y向调平机构(44)、控制电路(47)和第一支撑架(50)设置在蜂窝铝板外壳(41)内部，且Z向调平机构(42)、X、Y向调平机构(44)和控制电路(47)和第一支撑架(50)分布固定在蜂窝铝板外壳(41)上，Z向调平机构(42)、X、Y向调平机构(44)各配置有配重块，气浮球轴承(43)的浮动端与第一支撑架固定连接，陀螺仪(48)和第二支撑架(49)设置在蜂窝铝板外壳(41)外部，第二支撑架(49)与蜂窝铝板外壳(41)固定连接，陀螺仪(48)设置在第二支撑架(49)上；
所述陀螺仪(48)，与控制电路(47)连接，用于检测翻滚非合作目标(4)的姿态，并发送给控制电路；
控制电路，用于实时获取翻滚非合作目标(4)的姿态与水平状态的偏差，根据该偏差计算Z向调平机构(42)、X、Y向调平机构(44)上配重块的位移量，并控制Z向调平机构(42)、X、Y向调平机构(44)安装所述位移量移动相应配重块，对翻滚非合作目标(4)的质心进行调整，直至陀螺仪(48)检测的偏差为0。
5.根据权利要求4所述的一种非合作目标翻滚运动起旋模拟系统，其特征在于，所述系统还包括无线传输模块(46)，控制电路(47)将翻滚非合作目标(4)的姿态通过无线传输模块(46)传输至控制系统。
6.根据权利要求4所述的一种非合作目标翻滚运动起旋模拟系统，其特征在于，蜂窝铝板外壳(41)包括按顺序叠放的上铝板、蜂窝夹芯层和下铝板，上铝板、下铝板的厚度均为0.5mm，蜂窝夹芯层厚度为25mm。
7.根据权利要求4所述的一种非合作目标翻滚运动起旋模拟系统，其特征在于，陀螺仪(48)安装位置距离蜂窝铝板外壳(41)底部1m。
8.根据权利要求1所述的一种非合作目标翻滚运动起旋模拟系统，其特征在于，所述控制末端采用工业机器人(1)的末端电主轴2实现，工业机器人(1)为库卡六自由度工业机器人。
9.根据权利要求8所述的一种非合作目标翻滚运动起旋模拟系统，其特征在于，末端电主轴2转速为0至500r/min。
10.一种非合作目标翻滚运动起旋的模拟方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、移动工业机器人(1)控制旋转磁场源(3)位于翻滚非合作目标(4)的正上方，倾斜旋转磁场源(3)与翻滚非合作目标(4)表面的倾斜角β，β的范围控制在10-20°内；
S2、在翻滚非合作目标(4)的章动周期内的半个周期开启旋转磁场源(3)，控制旋转磁场源(3)以转速ωs旋转，ωs的值根据η进行控制，直至实现翻滚非合作目标(4)翻滚运动的起旋模拟：
Figure FDA0003136716620000021
其中，η表示矢量Ht×ωs×Ht与Ht×n×Ht之间的夹角，Ht表示翻滚非合作目标(4)的自旋轴矢量，n表示翻滚非合作目标(4)的角动量矢量；
S3、获取翻滚非合作目标(4)的章动角及三轴角速度信息，获取翻滚非合作目标(4)的起旋转速，当翻滚非合作目标(4)的起旋转速及章动角达到设定值时停止旋转磁场源(3)的旋转。
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