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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Kompensation der Erdanziehung, insbesondere bei der Entwicklung von Kompaktsatelliten mit beweglichen oder entfaltbaren Strukturen.
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In der Entwicklungs-, Produktions- und Testphase von Kompaktsatelliten mit beweglichen oder entfaltbaren Strukturen ist es notwendig, die Funktionalität von großflächigen Mechanismen nachzuweisen und zu quantifizieren. Unter Kompaktsatelliten werden dabei Himmelsflugkörper mit einem Gewicht von ca. 100 - 500 kg verstanden. Da die durchzuführenden Tests üblicherweise unter Erdgravitationsbedingungen stattfinden, muss entlang der Z-Achse der Bewegung, d.h. in der Wirkachse der Erdgravitation, das Gewicht der betroffenen Komponente kompensiert werden, damit keine durch Verkippung bedingten Reibungseffekte in Gelenken oder Lagern die Messungen beeinflussen.
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Bekannte Systeme und Verfahren zur Gravitationskompensation werden dem individuellen Problem konstruktiv angepasst und unterscheiden sich in vier Wirkprinzipien:
- 1. Freifall-Methode: Mikrogravitationsbedingungen werden während einer kurzen Periode freien Falls erzeugt. Der freie Fall kann dabei beispielsweise in einem Fallturm oder während eines Parabelfluges durchgeführt werden. Das Verfahren ist entsprechend aufwändig sowie in seiner Geometrie und Funktionszeit stark eingeschränkt.
- 2. Auftriebsmethode: Die Kompensation der wirkenden Gewichtskraft eines mechanischen Systems in Z-Richtung erfolgt über Auftriebskörper wie beispielsweise Ballone oder Schwimmer. Auch dieses Verfahren ist aufwändig, insbesondere dabei großen Systemen mit Ballon-Arrays, die getrimmt werden müssen, beziehungsweise in großen Becken gearbeitet werden muss.
- 3. Pneumatische Verfahren: Bei zweidimensionalen Bewegungen in der Horizontalen kann die Gewichtskraftkompensation über einen Luftlagertisch erfolgen. Das Verfahren ist beschränkt auf zweidimensionale Systeme.
- 4. Mechanische Verfahren: Hier werden Kombinationen aus Federn, Dämpfungselementen und Linearführungen angewendet. Die Komplexität der Konstruktion steigt mit der Anzahl der Freiheitsgrade der durch die zu kompensierende Komponente ausgeführte Bewegung und Bewegungsgeschwindigkeit, wodurch auch diese Verfahren sehr aufwändig sind. Darüber hinaus beeinflusst die Anbindung der Vorrichtung zur Gravitationskompensation selbst durch Reibung und Trägheit den Messaufbau.
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Allen vier Verfahren ist gemein, dass eine Kompensation des wirkenden Strömungswiderstands i.d.R. nicht erfolgt.
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Aus
DE 100 63 775 C2 ist ein System zur Kompensation einer auf einen Probanden in einem Versuchsaufbau wirkenden ersten Kraft, aufweisend einen Probanden und eine Einspannvorrichtung zur Lagerung des Probanden bekannt, wobei auf den Probanden eine der auf den Probanden wirkenden ersten Kraft entgegengesetzt gerichtete zweite Kraft in der Größe der ersten Kraft ausgeübt wird.
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Aus den Veröffentlichungen Robotics and Perception Group, University of Zurich: Vision-Based Cable-Suspended Load Transport with Two Quadrotors mit Veröffentlichungsdatum 15.03.2017 und Gassner, M., Cieslewski, T., Scaramuzza, D.: Dynamic collaboration without communication: Vision-based cable-suspended load transport with two quadrotors. In: Konferenzunterlagen zur IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2017, 29.05.-03.06.2017, Singapore, veröffentlicht 29.05.2017, ist der Lufttransport von Lasten, insbesondere von schweren Lasten, mittels mehrerer Drohnen bekannt, wobei hier kein in einer Einspannvorrichtung eingespannter Proband in einem Versuchsaufbau erwähnt wird.
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Darüber hinaus beleuchten auch die europäische Offenlegungsschrift
EP 2 881 324 A1 sowie die Veröffentlichung TEMMEN, Kai: Konzeptionelle Entwicklung eines Schwerkraftkompensationssystems für die Anbindung an eine Bodenentfaltungstestanlage. Bachelorarbeit, Jade-Hochschule Wilhelmshaven und DLR, Institut für Raumfahrtsysteme, 24.02.2015, den technischen Hintergrund.
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Die im Stand der Technik bekannten Systeme sind nicht selbstregelnd, wobei die offenbarten Regelungen nur einachsig aktiv regeln können, wobei der Flugkörper in den restlichen Achsen sowohl Trägheits- als auch Luftwiderstandeinflüssen ausgesetzt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein System und ein Verfahren zur Kompensation einer auf einen Probanden in einem Versuchsaufbau einwirkenden Kraft, beispielsweise der Erdanziehung, anzugeben, das insbesondere bei der Entwicklung von Kompaktsatelliten mit beweglichen oder entfaltbaren Strukturen anwendbar ist, und das weniger aufwändig und flexibler als die bekannten Systeme und Verfahren ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Systems ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-5. Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 7-10.
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Ein erfindungsgemäßes System zur Kompensation einer auf einen Probanden in einem Versuchsaufbau wirkenden ersten Kraft weist einen Probanden und eine Einspannvorrichtung zur Lagerung des Probanden auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass das System weiterhin mindestens einen selbstregelnden Flugkörper, der mindestens einen Sensor aufweist, umfasst, wobei der mindestens eine selbstregelnde Flugkörper mit dem Probanden wirkverbunden ist und wobei auf den Probanden über den mindestens einen selbstregelnden Flugkörper eine der auf den Probanden wirkenden ersten Kraft entgegengesetzt gerichtete zweite Kraft in der Größe der ersten Kraft ausgeübt wird.
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Unter selbstregelnden Flugkörpern werden beispielsweise Drohnen, Auftriebskörper wie Zeppeline, Hubschraubern, etc., verstanden. Solche Systeme lassen sich für die Kompensation komplexer Bewegungen in einem nach oben offenen Gewichtsbereich anwenden. Die zu kompensierende auf einen Probanden in einem Versuchsaufbau wirkende erste Kraft kann beispielsweise die Gravitationskraft sein, wenn sich der Versuchsaufbau im Gravitationsfeld der Erde befindet.
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Probanden können beispielsweise Kompaktsatelliten, insbesondere solche mit beweglichen und/oder entfaltbaren Strukturen, wie beispielsweise Antennen oder Solarsegel, sein. Als Probanden kommen aber auch beweglichen und/oder entfaltbaren Strukturen allein in Betracht.
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Durch die Verwendung selbstregelnder Flugkörper ist das System sehr flexibel. Für weite Größen- und Gewichtsfelder verschiedener Probanden muss keinerlei oder nur eine geringe Anpassung des Versuchsaufbaus vorgenommen werden. Hierdurch wird auch der Aufwand für den Versuchsaufbau und die Umrüstung eines Versuchsaufbaus auf einen anderen Probanden minimiert.
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Der Einsatz des Systems ist auch bei beengten Platzverhältnissen möglich. In-Line Messungen während der Integrations- und Testphase sind mit geringer Vorbereitung möglich. Der Proband kann dabei üblicherweise in seiner Einspannung verbleiben und muss nicht umgespannt werden. Weitere Vorteile des erfinderischen Systems sind der geringer Trägheitseinfluss auf die Messergebnisse und die vollständige mechanische Entkopplung von Proband und Gravitationskraftkompensationssystem.
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Weiterhin werden Integrationsprozesse durch den Ausgleich des Gravitationslastvektors unterstützt. In den Probanden zu integrierende Bauteile können dynamisch positioniert und geführt werden, ohne dafür eine Hebeeinrichtung zu benötigen. Dies erleichtert beispielsweise die Integration sperriger Bauteile wie Solar Arrays. Personalaufwand wird eingespart.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Sensor ein dreiachsiger Kraftsensor. Durch die Bewegung von beweglichen und/oder entfaltbaren Strukturen als Anbauteil an den eigentlichen Probanden entstehen Trägheitskräfte, die ebenfalls kompensiert werden können. Der Regelkreis des Flugkörpers kann einerseits über den Inputparameter der Gewichtskraft des Probanden die Zugkraft in der Achse der angreifenden Gravitationskraft über die Regelung beispielsweise der Motordrehzahl des selbstregelnden Flugkörpers konstant halten und anderseits die durch die Trägheitskräfte entstehende Last in der Horizontalebene durch Nachführen der Position des selbstregelnden Flugkörpers minimieren. Durch diese drei Regelungsparameter kann eine unbekannte dreidimensionale Bewegung abgeflogen werden. Die Trägheit der Bewegung ist dabei von der Dynamik des Regelungsalgorithmus abhängig.
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In einer alternativen Ausführungsform weist das System mindestens zwei Sensoren auf, wobei ein erster Sensor ein optischer Sensor und ein zweiter Sensor ein Kraftsensor ist. Die Regelung der Bahnverfolgung des Probanden wird hierbei über ein optisches System, beispielsweise eine Kamera, erreicht. Analog zur zuvor beschriebenen alternativen Regelung erfolgt die Regelung der Auftriebskraft des selbstregelnden Flugkörpers über einen Kraftsensor, der in diesem Fall nur noch einachsig ausgeführt sein muss. Die Regelung des Flugpfads erfolgt beispielsweise über die Verfolgung einer optischen Markierung im Massenschwerpunkt des Probanden. Bei einer Auslenkung des Probanden in der Horizontalen erfasst die Kamera die Auslenkung und ermöglicht so dem Regler, der Bewegung aktiv zu folgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das System eine Mehrzahl an selbstregelnden Flugkörpern auf, wobei die Mehrzahl selbstregelnder Flugkörper einen Schwarm bilden und wobei sich die einzelnen selbstregelnden Flugkörper des Schwarms abstandskonstant und synchron bewegen. Durch die Vervielfachung der selbstregelnden Flugkörper kann die Gravitationskompensation skaliert werden. Ist die Masse des Probanden für einen selbstregelnden Flugkörper zu groß, so kann durch die Verwendung weiterer selbstregelnder Flugkörper eine entsprechend hohe Kompensationskraft aufgebracht werden. Die Flexibilität des Systems wird damit weiter erhöht. Die abstandskonstante und synchrone Bewegung der Mehrzahl der selbstregelnden Flugkörper vereinfacht die Regelung.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des System weist das System eine Mehrzahl an Flugkörpern auf, wobei die Mehrzahl der Flugkörper einen Schwarm bilden und wobei sich die einzelnen Flugkörper des Schwarms abstandskonstant und synchron bewegen, wobei nur einer der Mehrzahl der Flugkörper ein selbstregelnder Flugkörper mit mindestens einem Sensor ist und die anderen Flugkörper des Schwarms von dem einen selbstregelnden Flugkörper geführt werden. Durch die Verwendung nur eines komplexen selbstregelnden Flugkörpers und weiterer, einfacherer Flugkörper, die von dem als Führungsflugkörper dienenden selbstregelnden Flugkörper mit geregelt werden, verringern sich die Kosten und damit der Aufwand für das System.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation einer auf einen Probanden in einem Versuchsaufbau wirkenden ersten Kraft, wobei der Proband in einer Einspannung gelagert ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Proband mit mindestens einem selbstregelnden Flugkörper wirkverbunden wird, über mindestens einen Sensor die zu kompensierende erste auf den Probanden wirkende Kraft bestimmt wird und anschließend der mindestens eine selbstregelnde Flugkörper so geregelt wird, dass er eine der auf den Probanden wirkenden ersten Kraft entgegengesetzt gerichtete zweite Kraft in der Größe der ersten Kraft ausübt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Proband mit einer Mehrzahl von Flugkörpern wirkverbunden, wobei mindestens einer der Flugkörper ein selbstregelnder Flugkörper und mindestens ein anderer er der Mehrzahl der Flugkörper ein weiterer Flugkörper ist, wobei der mindestens eine selbstregelnder Flugkörper sich selbst und den mindestens einen weiteren Flugkörper so regelt, dass er eine der auf den Probanden wirkenden ersten Kraft entgegengesetzt gerichtete zweite Kraft in der Größe der ersten Kraft ausübt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens eine Sensor ein dreiachsiger Kraftsensor, wobei über den dreiachsigen Kraftsensor die auf den Probanden wirkende erste Kraft in drei Kraftvektoren in jede der drei Achsrichtungen erfasst wird und der mindestens eine selbstregelnde Flugkörper jede der drei Komponenten der ersten Kraft durch Aufbringen von entsprechenden Gegenkräften durch Regelung seiner Auftriebskraft und seiner Position kompensiert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die auf den Probanden wirkende erste Kraft in drei Kraftvektoren in jeder der drei Raumrichtungen erfasst, wobei die Größe eines Kraftvektors über einen einachsigen Kraftsensor erfasst wird und auf die Kraftvektoren in den beiden verbleibenden Raumrichtungen über einen optischen Sensor, der die Position des Massenschwerpunkts des Probanden in einer Ebene erfasst, geschlossen wird, und der mindestens eine selbstregelnde Flugkörper jede der drei Komponenten der ersten Kraft durch Aufbringen von entsprechenden Gegenkräften durch Regelung seiner Auftriebskraft und seiner Position kompensiert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Proband mit einer Mehrzahl selbstregelnder Flugkörper wirkverbunden, wobei die Mehrzahl selbstregelnder Flugkörper so geregelt wird, dass sie eine der auf den Probanden wirkenden ersten Kraft entgegengesetzt gerichtete zweite Kraft in der Größe der ersten Kraft ausüben.
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Bei zweidimensionalen Bewegungen kann auf die Kraftvektorsteuerung verzichtet werden. Die Regelung erfolgt hierbei aktiv über die Flughöhe des selbstregelnden Flugkörpers.
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Durch eine aktiv vorlaufende Regelung des selbstregelnden Flugkörpers ist es auch möglich, den geschwindigkeitsabhängigen Strömungswiderstand eines Probanden durch eine zusätzliche Zugkraft in Bewegungsrichtung auszugleichen. Dabei kann der Regelungsalgorithmus des Flugkörpers kompensiert in der Z-Achse die äquivalente Gewichtskraft des Probanden kompensieren. Weitere, auf den Versuchsaufbau wirkende Kräfte, wie zum Beispiel die Luftreibung, können aktiv manipuliert und somit das Geschwindigkeitsprofil der realen Bewegung unter Einsatzbedingungen (Vakuum, Stellkräfte durch Lageregelung etc.) angenähert werden.
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Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
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Von den Abbildungen zeigt:
- 1 Prinzipbild einer ersten Ausführungsform des Systems in einer Seitenansicht
- 2 Prinzipbild der ersten Ausführungsform des Systems in einer Draufsicht
- 3 Prinzipbild einer zweiten Ausführungsform des Systems in einer Draufsicht
- 4 Prinzipbild einer zweiten Ausführungsform des Systems in einer Draufsicht
- 5 Prinzipbild der Kräfteverteilung an einer Ausführungsform des Systems
- 6 Prinzipbild der Kräfteverteilung an einer Ausführungsform des Systems nach Regelungseingriff
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1 zeigt ein Prinzipbild einer ersten Ausführungsform des Systems 100 in einer Seitenansicht. Das System 100 weist einen Probanden 101 in Form eines Solarsegels 101 und eine Einspannvorrichtung 110 zur Lagerung des Probanden 101 auf. Weiterhin weist das System 100 einen selbstregelnden Flugkörper 150 in Form einer Multicopter-Drohne auf, die einen optischen Sensor 159 in Form einer Kamera aufweist. Die Drohne 150 ist mit dem Solarsegel 101 wirkverbunden. Über die Drohne 150 wird eine der auf das Solarsegel 101 wirkenden Gravitationskraft entgegengesetzt gerichtete zweite Kraft in der Größe der Gravitationskraft ausgeübt, so dass die Gravitationskraft kompensiert wird.
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2 zeigt ein Prinzipbild der ersten Ausführungsform des Systems 100 in einer Draufsicht. Die Drohne greift in der Achse des Massenschwerpunkts des Solarsegels 101 an. Das Solarsegel 101 ist in einem nichtlinearen Festkörpergelenk 110 eingespannt und um diese Einspannung 110 schwenkbar, wobei der Schwenkpfad nicht linear ist. Die Drohne 150 vollführt während des Schwenkens des Solarsegels 101 eine nicht lineare Flugkurve.
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3 zeigt ein Prinzipbild einer zweiten Ausführungsform des Systems 100 in einer Draufsicht. Ein Proband 101 in Form eines auffaltbaren Solarsegels 101 ist in einer Einspannung 110 eingespannt. Drei Drohnen 150, 151, 152 greifen an verschiedenen Stellen des Solarsegels 101 an.
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4 zeigt das Prinzipbild der zweiten Ausführungsform des Systems 100 in einer Draufsicht, wobei das Solarsegel 101 in einem ausgefalteten Zustand dargestellt ist. Das Solarsegel 101 besteht aus drei einzelnen Segelmodulen, die jeweils über ein Gelenk miteinander verbunden sind. Eine erste Drohne 150 und eine zweite Drohne 151 greifen jeweils in einem Gelenk des ausgefalteten Solarsegels 101 an und entlasten somit das jeweilige Gelenk von der Gravitationskraft. Eine dritte Drohne 152 greift hingegen in der Achse des Massenschwerpunkts des dritten Moduls des Solarsegels 101 an und entlastet somit den Schwerpunkt des dritten Moduls des Solarsegels 101.
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5 ist ein Prinzipbild der Kräfteverteilung an einer Ausführungsform des Systems 100. Durch die Bewegung von beweglichen und/oder entfaltbaren Strukturen als Anbauteil an den eigentlichen Probanden 101 entstehen Trägheitskräfte, die ebenfalls kompensiert werden können. Der Regelkreis des selbstregelnden Flugkörpers 150, 151, 152 kann einerseits über den Inputparameter der Gewichtskraft des Probanden 101 die Zugkraft in der Achse der angreifenden Gravitationskraft über die Regelung beispielsweise der Motordrehzahl des selbstregelnden Flugkörpers 150, 151, 152 konstant halten und anderseits die durch die Trägheitskräfte entstehende Last in der Horizontalebene durch Nachführen der Position des selbstregelnden Flugkörpers 150, 151, 152 minimieren. Durch diese drei Regelungsparameter kann eine unbekannte dreidimensionale Bewegung abgeflogen werden. Die Trägheit der Bewegung ist dabei von der Dynamik des Regelungsalgorithmus abhängig. In der Figur ist das Kräfteparallelogramm der Nachführung am Beispiel einer Multicopterdrohne 150, 151, 152 dargestellt: Diese erzeugt zunächst in vertikaler Richtung eine Auftriebskraft FL, die die Gravitationskraft Fg des Probanden 101 ausgleicht. Die Kräfte Fx und Fy in horizontaler Richtung, die durch die Trägheitskräfte von sich bewegenden Anbauteilen des Probanden 101 aufgebracht werden, werden durch den Regler in eine Stellgeschwindigkeit vp umgewandelt, wodurch der Lastvektor in x-y-Richtung minimiert wird.
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Durch diese Form der Regelung folgt der drohnenseitige Kraftangriffspunkt dem Schwerpunkt des Probanden, ohne durch eigene Trägheits- und Reibungskräfte auf die Bewegung einzuwirken.
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6 zeigt das Prinzipbild der Kräfteverteilung an einer Ausführungsform des Systems 100 nach Regelungseingriff. Das System 100 reagiert, sobald zusätzlich zur horizontalen Bewegung auch eine vertikale Bewegung auftritt. Der Regelungsalgorithmus des Flugkörpers kompensiert in der Z- Achse die äquivalente Gewichtskraft des Probanden, folgt aber ansonsten der Z-Trajektorie des Massenschwerpunkts des Systems, ohne durch eigene Trägheits- und Reibungskräfte auf die Bewegung einzuwirken.
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Durch die Messung der Stellgeschwindigkeit vp und der Kraftvektoren Fx und f kann, mit Hilfe der bekannten Geometrie und Masseeigenschaften des Probanden, durch aktive Variation des Vektors vp weitere auf den Versuchsaufbau wirkende Kräfte, wie zum Beispiel Luftreibung, manipuliert und somit das Geschwindigkeitsprofil der realen Bewegung unter Einsatzbedingungen (Vakuum, Stellkräfte durch Lageregelung etc.) angenähert werden. Bezugszeichenliste
- 100
- System zur Kompensation einer auf einen Probanden in einem Versuchsaufbau wirkenden ersten Kraft
- 101
- Proband, Solarsegel
- 102
- optischer Marker
- 110
- Einspannung, Festkörpergelenk
- 150
- erster selbstregelnder Flugkörper
- 151
- zweiter selbstregelnder Flugkörper
- 152
- dritter selbstregelnder Flugkörper
- 155
- Flugkörper
- 158
- Kraftsensor
- 159
- optischer Sensor, Kamera
- FL
- Auftriebskraft
- Fg
- Gravitationskraft
- Fx
- Kraft in x-Richtung
- Fy
- Kraft in y-Richtung
- Fz
- Kraft in z-Richtung, Lastvektor
- vp
- Stellgeschwindigkeit
