CN115793499A - 三自由度半物理仿真系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度半物理仿真系统及其工作方法，三轴气浮台安装在支撑架上；气浮支撑座提供高压气体润滑使得气浮半球在气浮支撑座的球窝中自由翻滚和转动；姿态控制系统安装在试验平台上，试验平台放置在转接板上，转接板安放在气浮半球上方；限位保护装置具有限位圆环，限位圆环在转接板的下方且环绕气浮半球，通过限位圆环的动作来避免试验平台偏转超出设定角度；自动调平装置位于试验平台侧下方，调平装置控制盒安装在试验平台上，自动调平装置通过电机控制器（41）来控制伺服电机（42）转动，并带动滑块（43）上的砝码（44）移动，达到配平的目的，同时调平装置控制盒内有倾角仪，来检测试验平台摆动的角度。

Description

三自由度半物理仿真系统及其工作方法

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，以及这种三自由度半物理仿真系统的工作方法。

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。

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。

通过对文献和专利检索，找到与三轴气浮台半物理仿真系统相关的专利申请；例如：申请号为：202011418855 .8，发明名称：一种三轴气浮台质心预调平衡装置及其使用方法，公开了，其包括：气浮支撑件，其包括球轴承；悬浮于球轴承上的气浮球，其上设有仪表平台；质心预调平衡机构，其包括：设于气浮支撑件上的限位装置，当仪表平台发生倾斜时，限位装置限制仪表平台进一步倾斜；以及设于仪表平台上的质心调节装置，质心调节装置通过调整自身质量，以调整仪表平台的质心位置；该三轴气浮台质心预调平衡装置利用质量块对质心进行粗略的调节，无法完成精细的调平，不能达到实验要求。

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，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，其包括：支撑架、三轴气浮台、限位保护装置、试验平台、转接板、自动调平系统、姿态控制系统；

所述三轴气浮台安装在支撑架上；所述三轴气浮台包括气浮支撑座、气浮半球，气浮支撑座提供高压气体润滑使得气浮半球在气浮支撑座的球窝中自由翻滚和转动；所述姿态控制系统安装在试验平台上，试验平台放置在转接板上，转接板安放在气浮半球上方；限位保护装置具有限位圆环，限位圆环在转接板的下方且环绕气浮半球，通过限位圆环的动作来避免试验平台偏转超出设定角度；自动调平系统包括自动调平装置和调平装置控制盒，所述自动调平装置位于试验平台侧下方，所述调平装置控制盒安装在试验平台上，自动调平装置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，来检测试验平台摆动的角度。

本发明的自动调平系统包括自动调平装置和调平装置控制盒，所述自动调平装置位于试验平台侧下方，所述调平装置控制盒安装在试验平台上，自动调平装置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，来检测试验平台摆动的角度，因此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工作方法，其包括以下步骤：

（1）把气浮支撑座安装固定在支撑架上，接上供气气源；

（2）安装限位保护装置，防止转动倾倒；

（3）气浮半球通过转接板安装在试验平台下方，再装上调平装置和姿态控制系统，整个系统的转动部分安装完成；

（4）启动供气气源，气浮支撑座有空气吹出，把气浮半球对准气浮支撑座凹槽安装，气浮半球、试验平台、调平装置、姿态控制系统悬浮在气浮支撑座上；

（5）安装完后，完成初步试验平台的大致调平，启动自动调平装置，完成系统配平后，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、俯仰以及转动，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；

（6）试验完成后，停止反作用飞轮，并关闭电池盒，控制顶杆向上突起，直到顶杆顶住试验平台，并移动一段距离，使得位于试验平台下方的气浮半球与气浮支撑座分离，防止在关闭气浮支撑座气源时与气浮半球的球面直接接触，造成损伤。

还提供了一种三自由度半物理仿真系统的工作方法，其包括以下步骤：

（I）将需要进行三轴试验的装置放置于气浮台上，设定 4个平衡臂滑轨都调节到轨道的中间0刻度位置，在滑块上加装100g重量的砝码；

（II）等量增加四个平衡臂上砝码，直到气浮平台进入第一状态：不倒翁状态、气浮台重心位于球体的下方、此时拨动气浮台能在拨动的方向来回摆动；然后调节气浮平台上的配重块，将显示的横滚角与俯仰角的范围调节到±2°以内；等量减少四个平衡臂上砝码，直到气浮平台无法维持第一状态；

（III）开启自动调平系统、系统根据姿态不断的调整平衡臂上的四个滑块的位置，直到横滚角与俯仰角的范围调节到±0.05°以内；

（IV）同时减少4个平衡臂底端砝码与平衡臂滑块的砝码，砝码重量由大到小、继续步骤（III），如果无法实现±0.05°，则调整减少的砝码重量，直到完成平衡；

（V）最终减少的砝码重量为1g,且无法完成自动调平，则将减少的砝码加入，继续步骤（III）；

（VI）设定将平衡滑块同时往上移动一定的距离，继续步骤（III）；

（VII）继续步骤（VI），直到4个滑块有一个或多个处于限制位置，则此时完成调平。

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整体结构示意图。

图2示出了图1的俯视图。

图3示出了图1的主视图。

图4示出了图1的仰视图。

图5示出了根据本发明的三自由度半物理仿真系统的工作方法的流程图。

图6示出了根据本发明的自动调平的方法的流程图。

具体实施方式

如图1-4所示，这种三自由度半物理仿真系统，其包括：支撑架、三轴气浮台、限位保护装置、试验平台1、转接板2、自动调平系统、姿态控制系统；

所述三轴气浮台安装在支撑架上；所述三轴气浮台包括气浮支撑座、气浮半球3，气浮支撑座提供高压气体润滑使得气浮半球在气浮支撑座的球窝中自由翻滚和转动；所述姿态控制系统安装在试验平台上，试验平台放置在转接板上，转接板安放在气浮半球上方；限位保护装置具有限位圆环，限位圆环在转接板的下方且环绕气浮半球，通过限位圆环的动作来避免试验平台偏转超出设定角度；自动调平系统包括自动调平装置4和调平装置控制盒5，所述自动调平装置位于试验平台侧下方，所述调平装置控制盒安装在试验平台上，自动调平装置通过电机控制器41来控制伺服电机42转动，并带动滑块43上的砝码44移动，达到配平的目的，同时调平装置控制盒内有倾角仪，来检测试验平台摆动的角度。

本发明的自动调平系统包括自动调平装置和调平装置控制盒，所述自动调平装置位于试验平台侧下方，所述调平装置控制盒安装在试验平台上，自动调平装置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，来检测试验平台摆动的角度，因此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，所述支撑架包括支撑腿柱、支撑平板；所述支撑腿柱安装在支撑平板下方，采用可调节支撑腿柱，来调整支撑架的高度。气浮支撑座放置在支撑平板上，通过调整支撑架的高度就能够调节气浮半球的高度，从而调节试验平台及其上的姿态控制系统的高度。

优选地，所述限位保护装置为机械限位保护装置，限位圆环包括被三个顶杆等分的三个环形部分，每个环形部分固定，顶杆被控制突起和缩回来限制试验平台的运动。当试验平台正常工作时，顶杆被控制缩回，当姿态控制系统进行大角度转动时顶杆和环形部分能够避免偏转角度过大；当试验平台结束工作时，顶杆被控制突起来避免气浮半球碰到气浮支撑座的内部表面。

优选地，所述环形部分通过支杆固定到支撑平板上。这样与顶杆一起配合使用，即使顶杆上升，环形部分也牢固地固定在支撑平板上，防止万一顶杆失效，还能够起到限位作用。

优选地，所述限位保护装置为自动升降限位支架。采用自动升降限位支架比顶杆这类手动装置更加方便，而且因为无需近距离操作，所以不存在不小心碰到气浮半球、气浮支撑座内表面的情况。

优选地，所述限位保护装置为气动限位保护装置，限位圆环上带圆弧凸环，下方连着4根升降支撑杆，每根升降杆上下导向，滑动于直线轴承上，直线轴承固定在支撑架平台上；其中2根升降支撑杆的下方连接轴承座，传动轴穿过滚针轴承，以轴承挡块限位固定轴承内圈，另2根升降支撑杆下方悬空；所述装置的气缸支撑底板两侧用气缸底板连接板连接固定于支撑架平台上；气缸用前后两个气缸安装支架固定在气缸支撑底板上，气缸的伸出杆的一端连接在凸轮连接杆上，凸轮连接杆的两端连接凸轮；所述凸轮呈前高后低状，2根升降杆连接的2个滚针轴承滚动于凸轮的异形工作面上。

优选地，所述圆弧凸环的内凹位安装硅胶垫圈。这样能够使试验平台触碰到限位圈时接触的是柔软的硅胶垫圈，减少损伤。

优选地，凸轮下方接触于凸轮滑条。从而减小凸轮与气缸支撑底板的摩擦，延长凸轮的使用寿命。

如图5所示，还提供了一种三自由度半物理仿真系统的工作方法，其包括以下步骤：

（1）把气浮支撑座安装固定在支撑架上，接上供气气源；

（2）安装限位保护装置，防止转动倾倒；

（3）气浮半球通过转接板安装在试验平台下方，再装上调平装置和姿态控制系统，整个系统的转动部分安装完成；

（4）启动供气气源，气浮支撑座有空气吹出，把气浮半球对准气浮支撑座凹槽安装，气浮半球、试验平台、调平装置、姿态控制系统悬浮在气浮支撑座上；

（5）安装完后，完成初步试验平台的大致调平，启动自动调平装置，完成系统配平后，关闭配平装置控制盒，通过姿态控制控制反作用飞轮6转动，带动试验平台翻滚、俯仰以及转动，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；

（6）试验完成后，停止反作用飞轮，并关闭电池盒7，控制顶杆向上突起，直到顶杆顶住试验平台，并移动一段距离，使得位于试验平台下方的气浮半球与气浮支撑座分离，防止在关闭气浮支撑座气源时与气浮半球的球面直接接触，造成损伤。

如图6所示，还提供了一种三自由度半物理仿真系统的工作方法，其包括以下步骤：

（I）将需要进行三轴试验的装置放置于气浮台上，设定 4个平衡臂滑轨都调节到轨道的中间0刻度位置，在滑块上加装100g重量的砝码；

（II）等量增加四个平衡臂上砝码，直到气浮平台进入第一状态：不倒翁状态、气浮台重心位于球体的下方、此时拨动气浮台能在拨动的方向来回摆动；然后调节气浮平台上的配重块，将显示的横滚角与俯仰角的范围调节到±2°以内；等量减少四个平衡臂上砝码，直到气浮平台无法维持第一状态；

（III）开启自动调平系统、系统根据姿态不断的调整平衡臂上的四个滑块的位置，直到横滚角与俯仰角的范围调节到±0.05°以内；

（IV）同时减少4个平衡臂底端砝码与平衡臂滑块的砝码，砝码重量由大到小、继续步骤（III），如果无法实现±0.05°，则调整减少的砝码重量，直到完成平衡；

（V）最终减少的砝码重量为1g,且无法完成自动调平，则将减少的砝码加入，继续步骤（III）；

（VI）设定将平衡滑块同时往上移动一定的距离，继续步骤（III）；

（VII）继续步骤（VI），直到4个滑块有一个或多个处于限制位置，则此时完成调平。

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，其特征在于：其包括：支撑架、三轴气浮台、限位保护装置、试验平台（1）、转接板（2）、自动调平系统、姿态控制系统；

所述三轴气浮台安装在支撑架上；所述三轴气浮台包括气浮支撑座、气浮半球（3），气浮支撑座提供高压气体润滑使得气浮半球在气浮支撑座的球窝中自由翻滚和转动；所述姿态控制系统安装在试验平台上，试验平台放置在转接板上，转接板安放在气浮半球上方；限位保护装置具有限位圆环，限位圆环在转接板的下方且环绕气浮半球，通过限位圆环的动作来避免试验平台偏转超出设定角度；自动调平系统包括自动调平装置（4）和调平装置控制盒（5），所述自动调平装置位于试验平台侧下方，所述调平装置控制盒安装在试验平台上，自动调平装置通过电机控制器（41）来控制伺服电机（42）转动，并带动滑块（43）上的砝码（44）移动，达到配平的目的，同时调平装置控制盒内有倾角仪，来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，其特征在于：所述支撑架包括支撑腿柱、支撑平板；所述支撑腿柱安装在支撑平板下方，采用可调节支撑腿柱，来调整支撑架的高度。

3.根据权利要求2所述的三自由度半物理仿真系统，其特征在于：所述限位保护装置为机械限位保护装置，限位圆环包括被三个顶杆等分的三个环形部分，每个环形部分固定，顶杆被控制突起和缩回来限制试验平台的运动。

4.根据权利要求3所述的三自由度半物理仿真系统，其特征在于：所述环形部分通过支杆固定到支撑平板上。

5.根据权利要求2所述的三自由度半物理仿真系统，其特征在于：所述限位保护装置为自动升降限位支架。

6.根据权利要求2所述的三自由度半物理仿真系统，其特征在于：所述限位保护装置为气动限位保护装置，限位圆环上带圆弧凸环，下方连着4根升降支撑杆，每根升降杆上下导向，滑动于直线轴承上，直线轴承固定在支撑架平台上；其中2根升降支撑杆的下方连接轴承座，传动轴穿过滚针轴承，以轴承挡块限位固定轴承内圈，另2根升降支撑杆下方悬空；所述装置的气缸支撑底板两侧用气缸底板连接板连接固定于支撑架平台上；气缸用前后两个气缸安装支架固定在气缸支撑底板上，气缸的伸出杆的一端连接在凸轮连接杆上，凸轮连接杆的两端连接凸轮；所述凸轮呈前高后低状，2根升降杆连接的2个滚针轴承滚动于凸轮的异形工作面上。

7.根据权利要求6所述的三自由度半物理仿真系统，其特征在于：所述圆弧凸环的内凹位安装硅胶垫圈。

8.根据权利要求7所述的三自由度半物理仿真系统，其特征在于：凸轮下方接触于凸轮滑条。

9.根据权利要求1所述的三自由度半物理仿真系统的工作方法，其特征在于：其包括以下步骤：

（1）把气浮支撑座安装固定在支撑架上，接上供气气源；

（2）安装限位保护装置，防止转动倾倒；

（3）气浮半球通过转接板安装在试验平台下方，再装上调平装置和姿态控制系统，整个系统的转动部分安装完成；

（4）启动供气气源，气浮支撑座有空气吹出，把气浮半球对准气浮支撑座凹槽安装，气浮半球、试验平台、调平装置、姿态控制系统悬浮在气浮支撑座上；

（5）安装完后，完成初步试验平台的大致调平，启动自动调平装置，完成系统配平后，关闭配平装置控制盒，通过姿态控制控制反作用飞轮（6）转动，带动试验平台翻滚、俯仰以及转动，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；

（6）试验完成后，停止反作用飞轮，并关闭电池盒（7），控制顶杆向上突起，直到顶杆顶住试验平台，并移动一段距离，使得位于试验平台下方的气浮半球与气浮支撑座分离，防止在关闭气浮支撑座气源时与气浮半球的球面直接接触，造成损伤。

10.根据权利要求1所述的三自由度半物理仿真系统的工作方法，其特征在于：其包括以下步骤：

（I）将需要进行三轴试验的装置放置于气浮台上，设定 4个平衡臂滑轨都调节到轨道的中间0刻度位置，在滑块上加装100g重量的砝码；

（II）等量增加四个平衡臂上砝码，直到气浮平台进入第一状态：不倒翁状态、气浮台重心位于球体的下方、此时拨动气浮台能在拨动的方向来回摆动；然后调节气浮平台上的配重块，将显示的横滚角与俯仰角的范围调节到±2°以内；等量减少四个平衡臂上砝码，直到气浮平台无法维持第一状态；

（III）开启自动调平系统、系统根据姿态不断的调整平衡臂上的四个滑块的位置，直到横滚角与俯仰角的范围调节到±0.05°以内；

（IV）同时减少4个平衡臂底端砝码与平衡臂滑块的砝码，砝码重量由大到小、继续步骤（III），如果无法实现±0.05°，则调整减少的砝码重量，直到完成平衡；

（V）最终减少的砝码重量为1g,且无法完成自动调平，则将减少的砝码加入，继续步骤（III）；

（VI）设定将平衡滑块同时往上移动一定的距离，继续步骤（III）；

（VII）继续步骤（VI），直到4个滑块有一个或多个处于限制位置，则此时完成调平。

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