CN203612230U - 空间合作目标运动再现的跨尺度控制实验台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种空间合作目标运动再现的跨尺度控制实验台。本实用新型包括四个自由度，上端两自由度运动平台和下端两自由度运动平台。上端两自由度运动平台包括第一限位机构、第一蜗杆、第一编码器、第一伺服电机、第一蜗轮、第二限位机构、第二伺服电机、第三限位机构、第二蜗轮、第二编码器、第二蜗杆、第四限位机构、CCD摄像头、凹形合作目标、第五限位机构。下端两自由度运动平台包括第三伺服电机、第三编码器、主动滑轮、传动皮带、底座、滑道、小车、第四编码器、倒立摆、凸形合作目标、第六限位机构、被动滑轮。本实用新型结构简单、造价低、技术方案可行，是验证空间合作目标的镇定控制、跟踪控制、协调控制的理想实验平台。

Description

空间合作目标运动再现的跨尺度控制实验台

技术领域

本实用新型属于科学仪器行业，具体涉及到一类机电控制设备，尤其是一种空间合作目标运动再现的跨尺度控制实验台。它能够实现空间合作目标的运动再现问题，并且能够用做跨尺度控制方法的验证平台。

背景技术

人类自1957年发射了第一颗人造地球卫星以来，许多国家利用空间飞行器，包括人造地球卫星、月球和行星探测器、天空实验室、空间实验室、航天飞机等，从事空间科学研究。空间飞行器是指为执行确定的任务，在地球大气层外的宇宙空间，基本上按天体力学规律运行的人造物体的总称，目前主要是空间工作站、卫星、宇宙飞船、载人舱体等。它们在飞行过程中仅受微重力影响，处于悬浮状态，并且不断地调整轨道、姿态、飞行速度等以执行任务。但若要执行复杂任务或进行某些特定意义的试验往往需要它们相互协作来完成。其中，较为困难的是怎样对其进行合理的控制进而使其进行空间交会对接以便完成一系列复杂任务及实验等。

空间交会对接是指两个空间飞行器在空间轨道上会合并在结构上连成一个整体的技术，是实现航天站、航天飞机、太空平台和空间运输系统的空间装配、回收、补给、维修、航天员交换及营救等在轨道上服务的先决条件。交会对接是一个复杂的过程，分为四个阶段：远程导引段、近程导引段、最终逼近段、对接停靠段；同时，根据航天员介入的程度和智能控制水平又可分为遥控、手动、制动、自主四种操作控制方式。

能否掌握空间交会对接技术是评价一个国家空间技术发展水平的重要标志，它涉及到各国在军事、国防、通讯、科学的发展水平以及国际地位。我国于2011年11月成功地完成了神舟八号飞船与天宫一号的空间交会对接，代表着我国开始掌握了空间交会对接技术；之后，于2012年6月完成了神舟九号飞船与天宫一号的空间交会对接。目前，中国是继俄罗斯和美国后，世界上第三个完全掌握空间交会对接的国家，初步建立了长期无人在轨运行、短期有人照料的载人空间试验平台，能够开展空间应用、空间科学实验和技术试验。因为空间对接技术有着非常重要意义，所以我国科学家正在深入研究空间合作目标的控制课题。但是，由于空间合作目标的控制问题具有挑战性，故研究仍处于初始阶段。 

研究空间合作目标的控制问题不但需要前沿的控制理论研究，还需要研制一些实验平台对理论方法进行验证。然而，研究空间飞行器控制的微重力平台不适合作为空间合作目标的控制问题的研究平台。例如，落塔实验受塔高限制导致自由落体的时间太短；失重飞机实验仅保证30秒钟左右的的失重时间，成本高，有危险性；中性浮力水槽的平台体积大，造价高，阻力大；磁悬浮实验台对金属球密度要求过高，且研究对象必须是球状金属。因此，这些平台都不能够模拟空间模拟平台的合作过程。事实上，空间合作目标的控制的主要问题是两个合作体的协调控制问题；而空间飞行器的控制问题主要是微重力环境下的姿轨控制问题。所以，研究空间合作目标的控制问题可以不模拟微重力环境，从而简化实验台结构、降低成本、提高环境的可操控性。

针对空间合作目标的协调控制研究领域仍缺乏适当地实验平台，这里公布一种空间合作目标运动再现的跨尺度控制实验台，合作目标自身也具备变轨控制、姿轨同步控制，合作目标在一定程度上模拟了真实情况；而且，对接过程的可控时间长，模拟了空间合作目标的对接过程在实验台上的运动再现。 

发明内容

本实用新型针对空间合作目标的控制理论方法缺乏一类有效的实验验证平台的现状，公布一种空间合作目标运动再现的跨尺度控制实验台。该平台是一类机电控制设备，能够再现空间合作目标的对接过程，进而为先进控制理论方法的研究提供了一类实验台上。

本实用新型包括四个自由度，上端两自由度运动平台和下端两自由度运动平台。

上端两自由度运动平台包括第一限位机构、第一蜗杆、第一编码器、第一伺服电机、第一蜗轮、第二限位机构、第二伺服电机、第三限位机构、第二蜗轮、第二编码器、第二蜗杆、第四限位机构、CCD摄像头、凹形合作目标、第五限位机构。

第一限位机构固定在第一蜗杆一端，第一蜗杆与第一蜗轮形成一套蜗轮蜗杆机构；第一蜗轮的上下两端分别与第一伺服电机和第一编码器同轴联接。第二限位机构固定在第一蜗杆另一端，即：第一限位机构与第二限位机构分别布置在第一蜗轮的两侧。第二伺服电机与第一蜗杆形成一对轴承轴套机构；其中，第一蜗杆在滑动配合段是光滑的轴承，第二伺服电机的联接段是一个轴套。第一限位机构与第二伺服电机分别在第二限位机构的两侧。第二蜗轮的左右两端分别与第二伺服电机和第二编码器同轴联接。第三限位机构固定在第二蜗杆一端。第二蜗杆与第二蜗轮形成一套蜗轮蜗杆机构。第三限位机构固定在第二蜗杆另一端，即：第三限位机构与第四限位机构分别布置在第二蜗轮的两侧。凹形合作目标与第四限位机构的底部联接。凹形合作目标凹槽内嵌CCD摄像头。 凹槽的两侧凸缘上嵌有第五限位机构和第六限位机构。支架的一端与第一编码器同轴联接，支架另一端垂直固定在底座上。

下端两自由度运动平台包括第三伺服电机、第三编码器、主动滑轮、传动皮带、底座、滑道、小车、第四编码器、倒立摆、凸形合作目标、第六限位机构、被动滑轮。

底座的平台表面的两端分别固定了被动滑轮和主动滑轮。传动皮带附着在被动滑轮和主动滑轮的滑轮上，形成皮带滑轮机构（滚动摩擦副）。传动皮带的两端分别固定在小车的两端。主动滑轮与第三编码器和第三伺服电机同轴联接。滑道一端固定在支架上，滑道平行于底座，且不与传动皮带产生干涉。第四编码器固定在小车顶面，倒立摆一端与小车顶面的可自由转动的转轴联接，且与第四编码器同轴联接。倒立摆另一端与凸形合作目标联接。

上端两自由度运动平台的自由运动功能如下：在第一伺服电机的驱动下，第一蜗轮产生旋转运动，并由蜗轮蜗杆机构带动第一蜗杆产生水平直线运动。第一限位机构与第二限位机构对第一蜗杆的运动行程进行限位，防止脱落。第一编码器记录第一蜗轮的旋转角度，从而对第一蜗杆的运动行程进行实时测量。在第二伺服电机的驱动下，第二蜗轮产生旋转运动，并由蜗轮蜗杆机构带动第二蜗杆产生垂直直线运动。第三限位机构与第四限位机构对第二蜗杆的运动行程进行限位，防止脱落。第二编码器记录第二蜗轮的旋转角度，从而对第二蜗的运动行程进行实时测量。  

下端两自由度运动平台的自由运动功能如下：在第三伺服电机的驱动下，主动滑轮产生旋转运动，经皮带滑轮机构，带动传动皮带产生水平直线运动。第三编码器记录主动滑轮的旋转角度，从而对传动皮带的运动行程进行实时测量。在第二伺服电机的驱动下，第二蜗轮产生旋转运动，并由蜗轮蜗杆机构带动第二蜗杆产生垂直直线运动。第三限位机构与第四限位机构对第二蜗杆的运动行程进行限位，防止脱落。第二编码器记录第二蜗轮的旋转角度，从而对第二蜗的运动行程进行实时测量。倒立摆能够绕小车顶面的转轴自由转动，第四编码器记录倒立摆的旋转角度。由于凸形合作目标固定在倒立摆上端，随倒立摆同时转动。

 上端两自由度运动平台的主要功能是带动凹形合作目标产生垂直平面内的自由平动。上端两自由度运动平台的平面内自由平动的控制，定义为变轨控制。例如：它反映了空间飞行器的变轨控制，从而将空间飞行器的变轨运动再现为凹形合作目标的平动控制问题。 

下端两自由度运动平台的主要功能是带动凸形合作目标产生垂直平面内的水平方向的平动和平面内绕铰接点的转动。凸形合作目标在平面内的转角（姿态）控制和平动（轨道）控制是该目标体的姿轨同步控制。例如：它反映了空间飞行器的姿轨同步控制问题，从而将空间飞行器的姿轨运动再现为凹形合作目标的姿轨同步控制问题。

 该平台主要用途：第一，上端两自由度运动平台的平面内自由平动（变轨控制）控制；第二，下端两自由度运动平台的姿态（转角）和轨道(平移)的姿轨同步控制；第三，用于凹形合作目标和凸形合作目标的协调控制，例如：凹形和凸形两个合作目标的对接过程。

 这里，对凹形合作目标和凸形合作目标的协调控制问题做进一步说明。凸形合作目标在一定的姿轨同步控制作用下，使得凸台朝上，并停留在一定的水平位置。凹形合作目标形成相对平面运动，并在凸形合作目标上方下落，与凹形合作目标进行对接。最终，在第五限位机构和第六限位机构的作用下，停止向下运动，完成凹形合作目标和凸形合作目标的对接任务。

跨尺度控制问题的提出。对接过程存在跨尺度控制问题，采用小车的直线运动的动态特性来调节倒立摆的角度控制目标是典型的跨尺度控制问题。凹形合作目标和凸形合作目标存在快慢差异，也是跨尺度控制问题。另外，平台自身是一个机电系统，第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机的电磁转换过程也是跨尺度控制问题。

运动再现的说明。针对空间合作目标的具体应用问题，该平台能够定性地描述一个做变轨运动的合作目标和一个姿轨同步控制的合作目标的对接过程。对接前凹形合作目标在一个轨道内运行，对接后凹形合作目标已经在另一个轨道内运行，形成变轨控制。对接前凸形合作目标在一个轨道内运行且姿态不对，对接后凸形合作目标与凹形合作目标已经在同一个轨道内运行，并且对姿态进行调整，形成变轨控制。 

本实用新型的有益说明：

凹形合作目标与凸形合作目标的对接过程能够反映空间合作目标的几个控制步骤，如：变轨控制、姿轨同步控制、与两个合作目标的协调控制。

凸形合作目标是欠驱动、不稳定、非线性系统的系统，控制难度大，两个合作目标的协调控制对凸形合作目标的控制精度、鲁棒性、跟踪准确度等性能有很高的要求。

凹形合作目标采用摄像头进行对凸形合作目标的局部定位，符合空间合作目标的实际情况。

该实验台结构简单、造价低、技术方案可行，是验证空间合作目标的镇定控制、跟踪控制、协调控制的理想实验平台。

附图说明

图1本实用新型结构示意图。

图2 本实用新型运动再现过程示意图。

图中，第一限位机构1、第一蜗杆2、第一编码器3、第一伺服电机4、第一蜗轮5、第二限位机构6、第二伺服电机7、第三限位机构8、第二蜗轮9、第二编码器10、第二蜗杆11、第四限位机构12、CCD摄像头13、凹形合作目标14、第五限位机构15、第三伺服电机16、第三编码器17、主动滑轮18、传动皮带19、底座20、滑道21、小车22、第四编码器23、倒立摆24、凸形合作目标25、第六限位机构26、被动滑轮27、支架28。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

 如图1所述，空间合作目标运动再现的跨尺度控制实验台，包括四个自由度，上端两自由度运动平台和下端两自由度运动平台。

上端两自由度运动平台包括第一限位机构1、第一蜗杆2、第一编码器3、第一伺服电机4、第一蜗轮5、第二限位机构6、第二伺服电机7、第三限位机构8、第二蜗轮9、第二编码器10、第二蜗杆11、第四限位机构12、CCD摄像头13、凹形合作目标14、第五限位机构15。

第一限位机构1固定在第一蜗杆2一端，第一蜗杆2与第一蜗轮5形成一套蜗轮蜗杆机构；第一蜗轮5的上下两端分别与第一伺服电机4和第一编码器3同轴联接。第二限位机构6固定在第一蜗杆2另一端，即：第一限位机构1与第二限位机构6分别布置在第一蜗轮5的两侧。第二伺服电机7与第一蜗杆2形成一对轴承轴套机构；其中，第一蜗杆2在滑动配合段是光滑的轴承，第二伺服电机7的联接段是一个轴套。第一限位机构1与第二伺服电机7分别在第二限位机构6的两侧。第二蜗轮9的左右两端分别与第二伺服电机7和第二编码器10同轴联接。第三限位机构8固定在第二蜗杆11一端。第二蜗杆11与第二蜗轮9形成一套蜗轮蜗杆机构。第三限位机构12固定在第二蜗杆11另一端，即：第三限位机构8与第四限位机构12分别布置在第二蜗轮9的两侧。凹形合作目标14与第四限位机构12的底部联接。凹形合作目标14凹槽内嵌CCD摄像头13。 凹槽的两侧凸缘上嵌有第五限位机构15和第六限位机构26。支架28的一端与第一编码器3同轴联接，支架28另一端垂直固定在底座20上。

下端两自由度运动平台包括第三伺服电机16、第三编码器17、主动滑轮18、传动皮带19、底座20、滑道21、小车22、第四编码器23、倒立摆24、凸形合作目标25、第六限位机构26、被动滑轮27。

底座20的平台表面的两端分别固定了被动滑轮27和主动滑轮18。传动皮带19附着在被动滑轮27和主动滑轮18的滑轮上，形成皮带滑轮机构（滚动摩擦副）。传动皮带19的两端分别固定在小车22的两端。主动滑轮18与第三编码器17和第三伺服电机16同轴联接。滑道21一端固定在支架28上，滑道21平行于底座20，且不与传动皮带19产生干涉。第四编码器23固定在小车22顶面，倒立摆24一端与小车22顶面的可自由转动的转轴联接，且与第四编码器23同轴联接。倒立摆24另一端与凸形合作目标25联接。

上端两自由度运动平台的自由运动功能如下：在第一伺服电机4的驱动下，第一蜗轮5产生旋转运动，并由蜗轮蜗杆机构带动第一蜗杆2产生水平直线运动。第一限位机构1与第二限位机构6对第一蜗杆2的运动行程进行限位，防止脱落。第一编码器3记录第一蜗轮5的旋转角度，从而对第一蜗杆2的运动行程进行实时测量。在第二伺服电机7的驱动下，第二蜗轮9产生旋转运动，并由蜗轮蜗杆机构带动第二蜗杆11产生垂直直线运动。第三限位机构8与第四限位机构12对第二蜗杆11的运动行程进行限位，防止脱落。第二编码器10记录第二蜗轮9的旋转角度，从而对第二蜗11的运动行程进行实时测量。  

下端两自由度运动平台的自由运动功能如下：在第三伺服电机16的驱动下，主动滑轮18产生旋转运动，经皮带滑轮机构，带动传动皮带19产生水平直线运动。第三编码器17记录主动滑轮18的旋转角度，从而对传动皮带19的运动行程进行实时测量。在第二伺服电机7的驱动下，第二蜗轮9产生旋转运动，并由蜗轮蜗杆机构带动第二蜗杆11产生垂直直线运动。第三限位机构8与第四限位机构12对第二蜗杆11的运动行程进行限位，防止脱落。第二编码器10记录第二蜗轮9的旋转角度，从而对第二蜗11的运动行程进行实时测量。倒立摆24能够绕小车22顶面的转轴自由转动，第四编码器23记录倒立摆24的旋转角度。由于凸形合作目标25固定在倒立摆24上端，随倒立摆24同时转动。

 上端两自由度运动平台的主要功能是带动凹形合作目标14产生垂直平面内的自由平动。上端两自由度运动平台的平面内自由平动的控制，定义为变轨控制。例如：它反映了空间飞行器的变轨控制，从而将空间飞行器的变轨运动再现为凹形合作目标14的平动控制问题。 

下端两自由度运动平台的主要功能是带动凸形合作目标25产生垂直平面内的水平方向的平动和平面内绕铰接点的转动。凸形合作目标25在平面内的转角（姿态）控制和平动（轨道）控制是该目标体的姿轨同步控制。例如：它反映了空间飞行器的姿轨同步控制问题，从而将空间飞行器的姿轨运动再现为凹形合作目标14的姿轨同步控制问题。

 该平台主要用途：第一，上端两自由度运动平台的平面内自由平动（变轨控制）控制；第二，下端两自由度运动平台的姿态（转角）和轨道(平移)的姿轨同步控制；第三，用于凹形合作目标14和凸形合作目标25的协调控制，例如：凹形和凸形两个合作目标的对接过程。

 这里，对凹形合作目标14和凸形合作目标25的协调控制问题做进一步说明。凸形合作目标25在一定的姿轨同步控制作用下，使得凸台朝上，并停留在一定的水平位置。凹形合作目标14形成相对平面运动，并在凸形合作目标25上方下落，与凹形合作目标14进行对接。最终，在第五限位机构15和第六限位机构26的作用下，停止向下运动，完成凹形合作目标14和凸形合作目标25的对接任务。

跨尺度控制问题的提出。对接过程存在跨尺度控制问题，采用小车22的直线运动的动态特性来调节倒立摆24的角度控制目标是典型的跨尺度控制问题。凹形合作目标14和凸形合作目标25存在快慢差异，也是跨尺度控制问题。另外，平台自身是一个机电系统，第一伺服电机4、第二伺服电机7、第三伺服电机6的电磁转换过程也是跨尺度控制问题。

运动再现的说明。参考图2，针对空间合作目标的具体应用问题，该平台能够定性地描述一个做变轨运动的合作目标和一个姿轨同步控制的合作目标的对接过程。对接前凹形合作目标在一个轨道内运行，对接后凹形合作目标已经在另一个轨道内运行，形成变轨控制。对接前凸形合作目标在一个轨道内运行且姿态不对，对接后凸形合作目标与凹形合作目标已经在同一个轨道内运行，并且对姿态进行调整，形成变轨控制。 

本实用新型的控制难点：凸形合作目标25是欠驱动、不稳定、非线性系统，自身的镇定与跟踪控制的性能很难保证，进而导致凹形合作目标14和凸形合作目标25的协调控制非常难以解决。因此，该平台是检验先进镇定控制理论、先进跟踪控制理论、以及先进协调控制理论的理想实验平台。

Claims (1)

1.空间合作目标运动再现的跨尺度控制实验台，其特征在于包括四个自由度，上端两自由度运动平台和下端两自由度运动平台，具体的：

上端两自由度运动平台包括第一限位机构、第一蜗杆、第一编码器、第一伺服电机、第一蜗轮、第二限位机构、第二伺服电机、第三限位机构、第二蜗轮、第二编码器、第二蜗杆、第四限位机构、CCD摄像头、凹形合作目标、第五限位机构；

第一限位机构固定在第一蜗杆一端，第一蜗杆与第一蜗轮形成一套蜗轮蜗杆机构；第一蜗轮的上下两端分别与第一伺服电机和第一编码器同轴联接；第二限位机构固定在第一蜗杆另一端，即：第一限位机构与第二限位机构分别布置在第一蜗轮的两侧；第二伺服电机与第一蜗杆形成一对轴承轴套机构；其中，第一蜗杆在滑动配合段是光滑的轴承，第二伺服电机的联接段是一个轴套；第一限位机构与第二伺服电机分别在第二限位机构的两侧；第二蜗轮的左右两端分别与第二伺服电机和第二编码器同轴联接；第三限位机构固定在第二蜗杆一端；第二蜗杆与第二蜗轮形成一套蜗轮蜗杆机构；第三限位机构固定在第二蜗杆另一端，即：第三限位机构与第四限位机构分别布置在第二蜗轮的两侧；凹形合作目标与第四限位机构的底部联接；凹形合作目标凹槽内嵌CCD摄像头； 凹槽的两侧凸缘上嵌有第五限位机构和第六限位机构；支架的一端与第一编码器同轴联接，支架另一端垂直固定在底座上；

下端两自由度运动平台包括第三伺服电机、第三编码器、主动滑轮、传动皮带、底座、滑道、小车、第四编码器、倒立摆、凸形合作目标、第六限位机构、被动滑轮；

底座的平台表面的两端分别固定了被动滑轮和主动滑轮；传动皮带附着在被动滑轮和主动滑轮的滑轮上，形成皮带滑轮机构；传动皮带的两端分别固定在小车的两端；主动滑轮与第三编码器和第三伺服电机同轴联接；滑道一端固定在支架上，滑道平行于底座，且不与传动皮带产生干涉；第四编码器固定在小车顶面，倒立摆一端与小车顶面的可自由转动的转轴联接，且与第四编码器同轴联接；倒立摆另一端与凸形合作目标联接。

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