空間任務可置換的自由基座運動再現跨尺度驗證裝置的制作方法

所屬技術領域

本發明屬于航天器導航、制導與控制系統地面驗證技術領域，具體涉及空間任務可置換的自由基座運動再現跨尺度驗證裝置。

背景技術：

空間任務在實際執行之前，必須先期在地面進行全方位的綜合驗證之后，方可進行試驗，地面驗證階段作為空間任務實施關鍵部分，能驗證空間任務方案的合理性和技術可行性，為空間任務執行方案的在軌驗證提供科學依據。而空間任務地面驗證階段成功與否在很大程度上取決于其采用的驗證手段對任務完成的過程特征是否真實反映。概括地說，這些特征包括：空間任務的執行過程是在軌道運行的過程中完成的，空間任務的執行過程是在微重力環境中完成的，空間任務執行過程是一個多子系統協調優化與控制的過程等等。現有的驗證空間任務的地面實驗系統有(1)時間限制，難以獲得長時間的持續失重效果；(2)空間限制，忽略絕對軌道運動，僅能進行部分子任務或子系統的試驗驗證，導致空間任務的整體試驗驗證非常困難；(3)部分已有的重力補償方法對機電設備的防水、防氣性能要求極高，且由于流體粘性和阻力的影響，也難以滿足復雜任務機動性試驗要求等，因而急需發展一種可靠性高、適應性強、易于實現和維護且時間空間不受限制的空間任務驗證平臺，以完成高保真的空間任務地面測試與驗證工作。

針對空間任務實施方案地面驗證階段，國內外開展研制了基于不同驗證手段的各類儀器系統，其研究內容主要集中在數學仿真、半物理仿真和物理仿真三個方向上,但都不能反映空間合作任務過程的全部特征，具體如下：

1)數學仿真手段無法真實的描述合作任務過程。

2)半物理仿真手段沒有考慮微重力環境，同時只針對合作任務中的某一子系統或者特定功能進行驗證，而每個子系統控制性能滿意并不意味著綜合集成的整體性能也滿足要求。

3)物理仿真手段通過重力補償模擬微重力環境，但是現有的補償技術模擬的微重力環境下無法再現真實軌道運動，只能實現相對軌道運動，而且也只針對合作任務中某一子系統或特定功能進行驗證。基于物理仿真手段避免了實物部件難以精確數學建模的困難，能夠提前發現并解決實際空間運動中可能存在的問題，可以更加直觀的在地面驗證空間任務執行過程。目前我國用于各類執行空間任務飛行器驗證的地面大型試驗設備很少，都是面向任務設計的，可驗證的任務種類單一，缺乏通用性；且無法真實驗證空間合作任務的全過程，缺乏保真性。

技術實現要素：

本發明提出的空間任務可置換的自由基座運動再現跨尺度驗證裝置，既能為執行任務的航天器提供微重力運動環境，又能地面再現其真實軌道運動，從而驗證空間任務的完整過程，解決上述關鍵問題彌補國內外研究現狀中的不足。

本發明的技術方案：

空間任務可置換的自由基座運動再現跨尺度驗證裝置包括自由基座、坐標式機械臂、懸掛重力補償系統與協調控制通訊系統，通過自由基座實現對執行任務的航天器軌道運動模擬，通過懸掛實現航天器的重力補償，通過坐標式機械臂模擬任務執行過程中航天器的位姿調整、在軌服務等動作，從而完成執行空間任務的航天器的軌道與姿態的并行跨尺度驗證。

所述自由基座包括基座車體、基座運動控制單元與基座傳感定位單元，基座運動控制單元由基座伺服電機、基座驅動器和基座運動控制卡組成，基座傳感定位單元由基座攝像頭、基座光電編碼器、基座數據采集卡和基座無線通訊卡組成；基座運動控制卡根據試驗對象軌道運動所需的期望位置與速度，以及基座傳感定位單元融合量測得到的自由基座運動狀態反饋信息，通過基座驅動器控制基座伺服電機運轉，使自由基座跟蹤期望軌跡。

所述坐標式機械臂包括坐標模塊、旋轉模塊與機械臂驅動控制單元，機械臂驅動控制單元由機械臂伺服電機、機械臂驅動器、機械臂控制卡構成，坐標模塊由水平和豎向運動的三組線性模組構成，在機械臂驅動單元的控制下可帶動試驗對象模擬其在空間的運動，旋轉模塊由構成俯仰、偏航及滾轉三個轉動自由度的機構構成，在機械臂驅動單元的控制下可帶動試驗對象模擬其在空間的姿態調整運動。

所述懸掛重力補償系統包括支撐架、無約束懸掛機構、緩沖測量單元、水平隨動機構、豎向主動補償機構及懸掛驅動控制單元，無約束懸掛機構由深溝球軸承及其固定架構成，可保證試驗對象近似無約束的姿態調整運動，緩沖測量單元由緩沖機構、張力傳感器、傾角傳感器及萬向節構成，豎向主動補償機構通過齒輪齒條嚙合進行傳動，緩沖測量單元通過萬向節與豎向主動補償機構的齒條連接，懸掛驅動控制單元由懸掛伺服電機、懸掛驅動器與懸掛控制卡構成，當試驗對象水平運動時，無約束懸掛機構帶動緩沖結構相對豎向主動補償機構擺動，傾角傳感器實時測量緩沖機構與豎向主動補償機構間的擺動角度，傳遞給懸掛控制卡，懸掛控制卡通過懸掛驅動器控制對應的懸掛伺服電機驅動水平隨動機構運動，消除擺角，保證緩沖結構與豎向主動補償機構始終處于同一直線上，當試驗對象豎向運動時，張力傳感器的數值發生變化傳遞給懸掛控制卡，懸掛控制器通過控制懸掛驅動器驅動對應的懸掛伺服電機帶動主動補償機構運動，確保試驗對象處于微重力狀態或空間任務要求的重力狀態。

所述無約束懸掛機構可更換，本發明中給出了無約束懸掛機構一與無約束懸掛機構二，以在盡量減小附加質量的同時適應不同外形的試驗對象。

所述協調控制通訊系統包括協調控制模塊、數據通信模塊、運行狀態監測模塊及實時顯示模塊，實現自由基座、坐標式機械臂及懸掛重力補償系統三個系統多目標控制任務的信息傳遞、狀態監測及系統間的協調優化。

根據上述的機械結構和控制系統，本發明提出的空間任務可置換的自由基座運動再現跨尺度驗證裝置的工作原理為試驗對象固定在懸掛重力補償系統的無約束懸掛機構上，懸掛重力補償系統的傾角傳感器與張力傳感器實時測量懸掛點的運動信息，懸掛控制卡根據該運動信息控制水平方向上的懸掛伺服電機與豎直方向上的伺服電機實現懸掛點三維空間的跟隨運動，提供試驗對象執行空間任務是所處的重力環境，實現空間重力運動環境的再現。坐標式機械臂可驅動試驗對象三自由度轉動以及相對自由基座的三自由度平動，從而實現實驗對象的位姿運動再現。基座傳感定位單元通過濾波融合基座攝像頭采集的圖像信息與基座光電編碼器為自由基座提供實時位置信息，基座運動控制單元通過基于試驗對象的空間軌道動力學方程實時計算期望的軌道位置，利用跨尺度等效原理與相似理論計算出地面自由基座的期望位置，由該期望位置信息與測量處理得到的實際位置信息計算期望輸入，驅使自由基座實現期望的相似運動，從而實現航天器的軌道運動再現。協調控制通訊系統通過整合數據通信模塊的信息協調控制自由基座、坐標式機械臂及懸掛重力補償系統的工作，從而全面再現航天器執行空間任務的整個過程。

本發明與現有技術相比的有益效果是：

(1)通過懸掛方式補償試驗對象的重力，可降低外界環境的干擾，提供高精度微重力環境；

(2)通過自由基座系統和重力補償系統相結合實現實驗航天器與微重力環境同步運動的方式，提供實驗航天器不受時間和空間約束的微重力環境；

(3)可以完整的再現空間任務過程，可驗證方案每個環節的執行情況，很大程度上提高空間任務地面再現的可信度。

(4)本發明可針對同一任務的不同方案進行驗證，也可針對不同任務進行驗證，不僅適用于單目標，也適合多目標任務的驗證，具有很強的通用性

附圖說明

圖1為本發明裝置的整體圖。

圖2為本發明裝置的正視圖。

圖中標號：

1：自由基座；2：試驗航天器；3：坐標式機械臂；4：懸掛重力補償系統。

圖3為自由基座。

圖中標號：

11：基座車體；12：基座攝像頭。

圖4為坐標式機械臂。

圖中標號：

31：坐標模塊；32：旋轉模塊。

圖5懸掛重力補償系統。

圖中標號：41：支撐架；42：無約束懸掛機構一；43：緩沖測量單元；44：水平隨動機構；45：豎向主動補償機構。

圖6無約束懸掛機構。

圖中標號：

5：試驗衛星；46：無約束懸掛機構二

具體實施方式

結合圖1與圖2，本發明提出的裝置包括自由基座1、坐標式機械臂3、懸掛重力補償系統4與協調控制通訊系統構成，試驗航天器2為本裝置驗證的對象。試驗航天器2與懸掛重力補償系統4及坐標式機械臂3連接，坐標式機械臂3與懸掛重力補償系統4安裝在自由基座1上，并可隨之運動。

結合圖3，基座攝像頭12安裝在自由基座1的基座車體11上，自由基座1的基座運動控制單元，基座傳感定位單元的基座光電編碼器、基座數據采集卡和基座無線通訊卡，坐標式機械臂的3機械臂驅動控制單元的機械臂驅動器、機械臂控制卡，懸掛重力補償系統4的懸掛驅動控制單元懸掛驅動器、懸掛控制卡，及協調控制通訊系統的調控制模塊、數據通信模塊、運行狀態監測模塊安裝于基座車體11的內部。

結合圖4，坐標式機械臂3由坐標模塊31和旋轉模塊32構成，旋轉模塊32安裝在坐標軸模塊31上，旋轉模塊32的末端執行法蘭與試驗航天器2連接。

結合圖5與圖6，懸掛重力補償系統4由支撐架41、無約束懸掛機構一42或無約束懸掛機構二46、緩沖測量單元43、水平隨動機構44、豎向主動補償機構45與懸掛驅動控制單元構成，試驗航天器2懸掛在無約束懸掛機構一42中，無約束懸掛機構一42與緩沖測量單元43一端連接，緩沖測量單元43另一端連接到安裝在水平隨動機構44上的豎向主動補償機構45上，水平隨動機構44與支撐架41連接。可根據試驗對象的特點選擇無約束懸掛結構一42或無約束懸掛結構二46。

以試驗航天器2為例說明本裝置的測試與驗證步驟：

(1)將試驗航天器2安裝到懸掛重力補償系統4上，a、調整試驗航天器2的位置保證等效懸掛點與試驗航天器2的質心重合；b、調整豎向主動補償機構45的位置達到試驗空間的最佳位置(根據需驗證的空間任務確定)；

(2)將坐標式機械臂3與試驗航天器2連接；

(3)確定驗證任務對象的系統參數：a、航天器的軌道姿態動力學方程及任務初始狀態，b、試驗航天器2所受重力數值，c、試驗航天器2的任務序列；

(4)開展測試與驗證工作：a、上電啟動所有系統，b、自由基座1在基座運動控制單元與基座傳感定位單元作用下跟蹤試驗航天器2的標稱軌跡，c、試驗航天器2按任務序列實施軌道與姿態機動，d、坐標式機械臂3帶動試驗航天器2運動模擬試驗航天器2執行任務時的位置及姿態調整運動，e、懸掛重力補償系統4的懸掛點跟蹤試驗航天器2的三維空間運動，f、記錄所有子系統的運行狀態數據，為測試分析提供數據支持；

(5)結束試驗，整理分析試驗結果：a、關閉裝置電源，卸下試驗航天器2，b、根據任務過程中測量記錄的信息，分析任務方案的可行性。