CN115793498A - 三自由度半物理仿真系统的调平装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种三自由度半物理仿真系统的调平装置及其工作方法，不需要反复进行调节，能够实现三轴气浮台自动调平，调节范围广，速度快。其包括四套调平单元（1），每套调平单元包括：导轨（2）、斜装支架（3）、伺服电机（4）、编码器（5）、滑杆（6）、滑块（7）、第一U型支架（8）、螺母（11）、螺杆（12）、砝码（13）、电机控制器。
Description
技术领域
本发明涉及航天器地面半物理仿真的技术领域，尤其涉及一种三自由度半物理仿真系统的调平装置，以及这种三自由度半物理仿真系统的调平装置的工作方法。
背景技术
姿态控制分系统主要由姿态调整执行机构（飞轮和磁力矩器）、姿态敏感器（太敏、星敏、陀螺仪、磁强计等）以及相应的姿态处理器组成；通过姿态敏感器获取当前空间飞行器的位置信息，再通过控制处理器控制姿态调整执行机构运动到目标位置；姿态控制分系统是确保空间飞行器在轨寿命和任务效能的核心关键组件，在在轨飞行之前，进行充分的地面试验验证对于整个任务的成败至关重要。而空间飞行器的工作环境是无重力环境，为了能够在地面实现微重力、低摩擦的试验环境，需在地面搭建空间飞行器半实物仿真试验平台，实现空间三自由度的空间运动。三轴气浮台是空间三自由度的空间运动的合适设备。
在进行模拟时，当三轴气浮台的质心和气浮球的球心不重合时，会产生重力干扰力矩。为了保证地面全物理仿真试验的有效性，需要保证三轴气浮台的干扰力矩满足任务仿真试验要求，因此，需要在实验前进行质心调平衡工作，以减小三轴气浮台的质心和气浮球的球心的偏量，由此消除重力干扰力矩影响。
通过对文献和专利的检索，找到与三轴气浮台的质心调整相关的专利申请及文献。例如：申请号为CN202110156207.8，发明名称：三轴气浮台质心调平衡的方法及系统，公开了一种三轴气浮台质心调平衡的系统，包括：第一调平衡模块：将三轴气浮台处于水平状态进行飞轮轮控，根据第一姿态测量仪所测姿态进行水平方向调平衡；第二调平衡模块：利用飞轮轮控将三轴气浮台倾斜偏置角度，根据第二姿态测量仪所测姿态进行竖直方向调平衡；其平衡方式主要依靠飞轮进行调整。但飞轮的调节范围有限（达到额定转速后不再输出力矩，无法抵消干扰力矩），需要反复进行调节，不能一次到位，难以快速调节。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种三自由度半物理仿真系统的调平装置，其不需要反复进行调节，能够实现三轴气浮台自动调平，调节范围广，速度快。
本发明的技术方案是：这种三自由度半物理仿真系统的调平装置，其包括四套调平单元，每套调平单元包括：导轨、斜装支架、伺服电机、编码器、滑杆、滑块、第一U型支架、螺母、螺杆、砝码、电机控制器；
导轨通过斜装支架安装在试验平台下方，伺服电机、编码器分别安装在导轨的上、下端，滑杆与伺服电机相连，滑块安装在滑杆上，在伺服电机带动下沿滑杆移动，第一U型支架固定在滑块上，螺杆贯穿第一U型支架的两端并通过螺母固定在第一U型支架上，砝码安装在螺杆上来配重，电机控制器控制伺服电机转动；
四个调平单元围绕圆周均匀分布在试验平台的侧下方， 调平装置控制盒安装在试验平台上并通过电机控制器来控制伺服电机转动，并带动滑块上的砝码移动，达到配平的目的，同时调平装置控制盒内有倾角仪，用于检测试验平台摆动的角度。
本发明的导轨通过斜装支架安装在试验平台下方，伺服电机、编码器分别安装在导轨的上、下端，滑杆与伺服电机相连，滑块安装在滑杆上，在伺服电机带动下沿滑杆移动，第一U型支架固定在滑块上，螺杆贯穿第一U型支架的两端并通过螺母固定在第一U型支架上，砝码安装在螺杆上来配重，电机控制器控制伺服电机转动；四个调平单元围绕圆周均匀分布在试验平台的侧下方， 调平装置控制盒安装在试验平台上并通过电机控制器来控制伺服电机转动，并带动滑块上的砝码移动，达到配平的目的，同时调平装置控制盒内有倾角仪，用于检测试验平台摆动的角度；因此其不需要反复进行调节，能够实现三轴气浮台自动调平，调节范围广，速度快。
还提供了一种三自由度半物理仿真系统的调平装置的工作方法，其包括以下步骤：
（1）打开气站给气浮支撑座供气，使得气浮半球悬浮在气浮支撑座的球窝中，根据试验平台的偏摆方向，在试验平台偏摆朝上方位的配重延长板上增加砝码，当试验平台不再与限位保护装置接触，且呈现一定的周期性摆动时，则试验平台大致配平，且中心位于气浮半球球心的下方；
（2）启动调平装置控制盒，通过电机控制器控制伺服电机，带动滑块及上方砝码沿导轨斜向上或斜向下移动，从而实现试验平台水平方向和竖直方向的微调节，通过一定时间，调平装置控制盒不断向电机控制器发出向中心位置调整的指令，使得4个方向的滑块移动使试验平台摆动幅度逐渐减小，实现基本平衡；配平过程中判断质心位置方式为，当质心位于球心中轴线上方，则试验平台会倒向一侧，当质心位于球心中轴线下方时，试验平台摆动幅度越小，质心越靠近球心；此时，试验平台的干扰力最小，达到微重力、低摩擦的试验环境；
（3）完成配平后，关闭配平装置控制盒，通过姿态控制控制反作用飞轮转动，带动试验平台翻滚，实现反作用飞轮的姿态控制，达到模拟反作用飞轮在太空中工作时的效果。
附图说明
图1示出了根据本发明的三自由度半物理仿真系统的调平装置的整体结构示意图。
图2示出了图1的三自由度半物理仿真系统的调平装置的调平单元的放大结构示意图。
具体实施方式
如图1-2所示，这种三自由度半物理仿真系统的调平装置，其包括四套调平单元1，每套调平单元包括：导轨2、斜装支架3、伺服电机4、编码器5、滑杆6、滑块7、第一U型支架8、螺母11、螺杆12、砝码13、电机控制器；
导轨通过斜装支架安装在试验平台下方，伺服电机、编码器分别安装在导轨的上、下端，滑杆与伺服电机相连，滑块安装在滑杆上，在伺服电机带动下沿滑杆移动，第一U型支架固定在滑块上，螺杆贯穿第一U型支架的两端并通过螺母固定在第一U型支架上，砝码安装在螺杆上来配重，电机控制器控制伺服电机转动；
四个调平单元围绕圆周均匀分布在试验平台的侧下方， 调平装置控制盒安装在试验平台上并通过电机控制器来控制伺服电机转动，并带动滑块上的砝码移动，达到配平的目的，同时调平装置控制盒内有倾角仪，用于检测试验平台摆动的角度。
如图1所示，试验平台左边向上翘起5°。本发明的导轨通过斜装支架安装在试验平台15下方，伺服电机、编码器分别安装在导轨的上、下端，滑杆与伺服电机相连，滑块安装在滑杆上，在伺服电机带动下沿滑杆移动，第一U型支架固定在滑块上，螺杆贯穿第一U型支架的两端并通过螺母固定在第一U型支架上，砝码安装在螺杆上来配重，电机控制器控制伺服电机转动；四个调平单元围绕圆周均匀分布在试验平台的侧下方， 调平装置控制盒安装在试验平台上并通过电机控制器来控制伺服电机转动，并带动滑块上的砝码移动，达到配平的目的，同时调平装置控制盒内有倾角仪，用于检测试验平台摆动的角度；因此其不需要反复进行调节，能够实现三轴气浮台自动调平，调节范围广，速度快。
优选地，如图2所示，所述滑块为两个，第一U型支架通过螺钉固定在两个滑块上。这样能够更加牢靠地固定第一U型支架，让其在滑块沿滑杆动作过程中始终平稳地跟随滑块一起运动。
优选地，如图2所示，两个滑块中上面的一个表面带标志线14。这样能够清楚地显示砝码所在的位置。
优选地，如图2所示，在所述导轨的下方设置配重延长板10。这样设计是为了更好地调整试验平台的平衡。
优选地，如图2所示，该调平单元还包括第二U型支架9，其固定在配重延长板，螺杆贯穿第二U型支架的两端并通过螺母固定在第二U型支架上，砝码安装在螺杆上来配重。加入第二U型支架，能够在与第一U型支架不同的位置调整平衡。
优选地，如图2所示，该调平单元还包括L型转接板，电机控制器通过L型转接板固定到试验平台的下方。
优选地，如图2所示，所述导轨具有刻度。这样设计使平衡的调整清晰可见。
优选地，所述斜装支架与试验平台的夹角为120°、135°、或150°。如图2所示是150°，当然也可以采用其他的角度，例如120°、135°等。
优选地，所述伺服电机为步进电机或直线电机。相对地，直线电机调节速度最快。
还提供了一种三自由度半物理仿真系统的调平装置的工作方法，其包括以下步骤：
（1）打开气站给气浮支撑座供气，使得气浮半球悬浮在气浮支撑座的球窝中，根据试验平台的偏摆方向，在试验平台偏摆朝上方位的配重延长板上增加砝码，当试验平台不再与限位保护装置接触，且呈现一定的周期性摆动时，则试验平台大致配平，且中心位于气浮半球球心的下方；
（2）启动调平装置控制盒，通过电机控制器控制伺服电机，带动滑块及上方砝码沿导轨斜向上或斜向下移动，从而实现试验平台水平方向和竖直方向的微调节，通过一定时间，调平装置控制盒不断向电机控制器发出向中心位置调整的指令，使得4个方向的滑块移动使试验平台摆动幅度逐渐减小，实现基本平衡；配平过程中判断质心位置方式为，当质心位于球心中轴线上方，则试验平台会倒向一侧，当质心位于球心中轴线下方时，试验平台摆动幅度越小，质心越靠近球心；此时，试验平台的干扰力最小，达到微重力、低摩擦的试验环境；
（3）完成配平后，关闭配平装置控制盒，通过姿态控制控制反作用飞轮转动，带动试验平台翻滚，实现反作用飞轮的姿态控制，达到模拟反作用飞轮在太空中工作时的效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.三自由度半物理仿真系统的调平装置，其特征在于：其包括四套调平单元（1），每套调平单元包括：导轨（2）、斜装支架（3）、伺服电机（4）、编码器（5）、滑杆（6）、滑块（7）、第一U型支架（8）、螺母（11）、螺杆（12）、砝码（13）、电机控制器；
导轨通过斜装支架安装在试验平台（15）下方，伺服电机、编码器分别安装在导轨的上、下端，滑杆与伺服电机相连，滑块安装在滑杆上，在伺服电机带动下沿滑杆移动，第一U型支架固定在滑块上，螺杆贯穿第一U型支架的两端并通过螺母固定在第一U型支架上，砝码安装在螺杆上来配重，电机控制器控制伺服电机转动；
四个调平单元围绕圆周均匀分布在试验平台的侧下方， 调平装置控制盒安装在试验平台上并通过电机控制器来控制伺服电机转动，并带动滑块上的砝码移动，达到配平的目的，同时调平装置控制盒内有倾角仪，用于检测试验平台摆动的角度。
2.根据权利要求1所述的三自由度半物理仿真系统的调平装置，其特征在于：所述滑块为两个，第一U型支架通过螺钉固定在两个滑块上。
3.根据权利要求2所述的三自由度半物理仿真系统的调平装置，其特征在于：两个滑块中上面的一个表面带标志线（14）。
4.根据权利要求3所述的三自由度半物理仿真系统的调平装置，其特征在于：在所述导轨的下方设置配重延长板（10）。
5.根据权利要求4所述的三自由度半物理仿真系统的调平装置，其特征在于：该调平单元还包括第二U型支架（9），其固定在配重延长板，螺杆贯穿第二U型支架的两端并通过螺母固定在第二U型支架上，砝码安装在螺杆上来配重。
6.根据权利要求5所述的三自由度半物理仿真系统的调平装置，其特征在于：该调平单元还包括L型转接板，电机控制器通过L型转接板固定到试验平台的下方。
7.根据权利要求6所述的三自由度半物理仿真系统的调平装置，其特征在于：所述导轨具有刻度。
8.根据权利要求7所述的三自由度半物理仿真系统的调平装置，其特征在于：所述斜装支架与试验平台的夹角为120°、135°、或150°。
9.根据权利要求1所述的三自由度半物理仿真系统的调平装置，其特征在于：所述伺服电机为步进电机或直线电机。
10.根据权利要求7所述的三自由度半物理仿真系统的调平装置的工作方法，其特征在于：其包括以下步骤：
（1）打开气站给气浮支撑座供气，使得气浮半球悬浮在气浮支撑座的球窝中，根据试验平台的偏摆方向，在试验平台偏摆朝上方位的配重延长板上增加砝码，当试验平台不再与限位保护装置接触，且呈现一定的周期性摆动时，则试验平台大致配平，且中心位于气浮半球球心的下方；
（2）启动调平装置控制盒，通过电机控制器控制伺服电机，带动滑块及上方砝码沿导轨斜向上或斜向下移动，从而实现试验平台水平方向和竖直方向的微调节，通过一定时间，调平装置控制盒不断向电机控制器发出向中心位置调整的指令，使得4个方向的滑块移动使试验平台摆动幅度逐渐减小，实现基本平衡；配平过程中判断质心位置方式为，当质心位于球心中轴线上方，则试验平台会倒向一侧，当质心位于球心中轴线下方时，试验平台摆动幅度越小，质心越靠近球心；此时，试验平台的干扰力最小，达到微重力、低摩擦的试验环境；
（3）完成配平后，关闭配平装置控制盒，通过姿态控制控制反作用飞轮转动，带动试验平台翻滚，实现反作用飞轮的姿态控制，达到模拟反作用飞轮在太空中工作时的效果。
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