一種五自由度氣浮式運動模擬器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于氣浮原理的模擬衛(wèi)星等航天器空間活動的五自由度運動模擬器，屬于空間飛行器半實物仿真領域。
【背景技術】
[0002]空間攔截用五自由度氣浮模擬器是躲避機動半實物仿真系統(tǒng)的核心組成部分，其核心功能是根據(jù)躲避機動總控系統(tǒng)控制命令，實現(xiàn)EKV對躲避級氣浮模擬器(進攻方)的跟蹤運動。
[0003]近年來，在引進國外先進氣浮仿真試驗系統(tǒng)的基礎上，國內(nèi)一些重點院校及研究機構對氣浮仿真試驗系統(tǒng)的一些性能和用途進行過研究，但主要應用于空間交會對接等相對速度較低的領域，并未在氣浮平臺上開展高速目標對抗試驗。
[0004]另外，目前的五自由度氣浮式運動模擬器的平動平臺(TP平臺)采用固定立柱實現(xiàn)，高度不可調(diào)節(jié)，增加了其與其他模擬器對接的難度；姿態(tài)平臺的姿態(tài)控制通過噴嘴實現(xiàn)，精度不高，響應速度慢，不適用于高速運動場合；定位采用負載的視覺系統(tǒng)，精度不高且結構復雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術解決問題是:克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種五自由度氣浮式運動模擬器，實現(xiàn)在地面環(huán)境下對衛(wèi)星等航天器軌道及姿態(tài)空間運動的有效模擬。
[0006]本發(fā)明的技術解決方案是:一種五自由度氣浮式運動模擬器，包括平動平臺和姿態(tài)平臺；
[0007]所述平動平臺包括球面氣浮軸承、防側翻機械限位裝置、升降柱、第一氣壓管路、第一控制器、三個平面氣浮軸承、平動平臺安裝面板以及平動平臺鋰電池；所述平動平臺安裝面板為圓形；三個平面氣浮軸承均布在平動平臺安裝面板下表面，用于支撐平動平臺；升降柱、第一氣壓管路和第一控制器均安裝在平動平臺安裝面板上表面，且升降柱位于平動平臺安裝面板的中心位置；所述升降柱為可伸縮升降柱；防側翻機械限位裝置安裝在升降柱上，用于限制姿態(tài)平臺的傾斜角度；球面氣浮軸承安裝在升降柱的頂端；
[0008]所述第一氣壓管路在第一控制器的控制下為球面氣浮軸承和三個平面氣浮軸承供氣；所述第一控制器接收地面控制系統(tǒng)的啟動指令和高度調(diào)節(jié)指令，根據(jù)地面控制系統(tǒng)的啟動指令控制第一氣壓管路的接通和關斷，根據(jù)高度調(diào)節(jié)指令控制升降柱的升降；第一控制器還用于采集第一氣壓管路的壓力并輸出給地面控制系統(tǒng)；
[0009]平動平臺鋰電池安裝在平動平臺安裝面板上表面，用于為平動平臺供電；
[0010]所述姿態(tài)平臺包括姿態(tài)平臺安裝面板、2N個氣瓶、第二氣壓管路、iGPS、四組冷氣噴嘴、慣性導航系統(tǒng)、第二控制器、三個飛輪、質(zhì)心調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及姿態(tài)平臺鋰電池；N為不為O的自然數(shù)；
[0011]所述姿態(tài)平臺安裝面板為圓形，中心位置開有用于連接球面氣浮軸承的孔；2N個氣瓶對稱布置在姿態(tài)平臺安裝面板上，且氣瓶嘴均朝向姿態(tài)平臺安裝面板的圓心；四組冷氣噴嘴均勻布置在姿態(tài)平臺安裝面板上，每組冷氣噴嘴包括四個冷氣噴嘴，分別沿本體坐標系的X軸、Y軸、Z軸正向、Z軸負向安裝；三個飛輪沿本體坐標系的X、Y、Z軸安裝在姿態(tài)平臺安裝面板上；
[0012]第二氣壓管路、iGPS、慣性導航系統(tǒng)、第二控制器以及質(zhì)心調(diào)節(jié)系統(tǒng)均安裝在姿態(tài)平臺安裝面板上，所述第二氣壓管路在第二控制器的控制下為四組冷氣噴嘴供氣；iGPS用于精確測量五自由度氣浮式運動模擬器空間坐標位置并輸出給第二控制器；慣性導航系統(tǒng)用于實時采集姿態(tài)平臺的角速度和轉矩并反饋給第二控制器；質(zhì)心調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)姿態(tài)平臺的質(zhì)心與球面氣浮軸承的球心重合；
[0013]第二控制器接收地面控制系統(tǒng)的位置移動指令，根據(jù)該指令和iGPS實時輸出的模擬器空間位置坐標，控制第二氣壓管路的接通和關斷，實現(xiàn)五自由度氣浮式運動模擬器沿平動平臺X、Y軸方向移動；第二控制器接收地面控制系統(tǒng)的姿態(tài)旋轉指令，根據(jù)該指令以及慣性導航系統(tǒng)反饋的姿態(tài)平臺角速度和轉矩，控制第二氣壓管路的接通和關斷以及飛輪的角速度和轉矩，實現(xiàn)五自由度氣浮式運動模擬器姿態(tài)平臺沿本體坐標系X、Y、Z軸旋轉；第二控制器還用于將姿態(tài)平臺的角速度和轉矩以及第二氣壓管路的壓力輸出給地面控制系統(tǒng)；
[0014]姿態(tài)平臺鋰電池安裝在姿態(tài)平臺安裝面板上表面，用于為姿態(tài)平臺供電；
[0015]平動平臺的X、Y、Z軸是指以平動平臺的中心為原點，Z軸垂直于平動平臺安裝面板向上，X軸、Y軸正交且滿足右手定則；
[0016]所述本體坐標系是指以姿態(tài)平臺的旋轉中心為原點，Z軸垂直于姿態(tài)平臺安裝面板向上，X軸、Y軸正交且滿足右手定則。
[0017]所述姿態(tài)平臺安裝面板包括上面板和下面板，下面板中心位置開有用于連接球面氣浮軸承的孔，2N個氣瓶均勻布置在上面板和下面板之間，第二氣壓管路、iGPS、四組冷氣噴嘴、慣性導航系統(tǒng)、第二控制器、三個飛輪、質(zhì)心調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及鋰電池安裝在上面板或下面板上。
[0018]所述第一氣壓管路包括第一高壓氣瓶組、第一減壓閥、第二減壓閥、第三減壓閥、第一安全閥、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、第一穩(wěn)壓氣容、第二穩(wěn)壓氣容、第一開關閥、第二開關閥和第一截止閥；
[0019]第一高壓氣瓶組與第一減壓閥的輸入端連接，第一減壓閥的輸出端同時與第一壓力傳感器、第二減壓閥的輸入端以及第三減壓閥的輸入端連接，第二減壓閥的輸出端同時與第二壓力傳感器以及第一穩(wěn)壓氣容的一端連接，第一穩(wěn)壓氣容的另一端通過第一開關閥與球面氣浮軸承連接；第三減壓閥的輸出端同時與第三壓力傳感器以及第二穩(wěn)壓氣容的一端連接，第二穩(wěn)壓氣容的另一端通過第二開關閥與三個平面氣浮軸承連接；第一高壓氣瓶組同時與第一安全閥以及第一截止閥連接；
[0020]所述第二減壓閥和第三減壓閥的輸入氣壓相同，第一減壓閥的輸入氣壓高于第二減壓閥和第三減壓閥的輸入氣壓；
[0021]所述第二壓力傳感器和第三壓力傳感器的輸入氣壓相同，第一壓力傳感器的輸入氣壓高于第二壓力傳感器和第三壓力傳感器的輸入氣壓。
[0022]所述第二氣壓管路包括第二高壓氣瓶組、第四減壓閥、第五減壓閥、第四壓力傳感器、第五壓力傳感器、第三穩(wěn)壓氣容、第三開關閥、第二安全閥和第二截止閥；
[0023]第二高壓氣瓶組與第四減壓閥的輸入端連接，第四減壓閥的輸出端同時與第四壓力傳感器以及第五減壓閥的輸入端連接，第五減壓閥的輸出端同時與第五壓力傳感器以及第三穩(wěn)壓氣容的一端連接，第三穩(wěn)壓氣容的另一端與第三開關閥的一端連接，第三開關閥的另一端與四組冷氣噴嘴連接；第二高壓氣瓶組同時與二安全閥以及第二截止閥連接；
[0024]所述第四減壓閥的輸入氣壓高于第五減壓閥的輸入氣壓；
[0025]所述第四壓力傳感器的輸入氣壓高于第五壓力傳感器的輸入氣壓。
[0026]所述防側翻機械限位裝置為一個圓環(huán)狀的平板，可拆卸地安裝在升降柱上端，且圓環(huán)狀平板上還覆蓋一層緩沖材料。
[0027]所述第二控制器實現(xiàn)五自由度氣浮式運動模擬器姿態(tài)平臺沿本體坐標系X、Y、Z軸旋轉的方法為:
[0028](6.1)第二控制器根據(jù)慣性導航系統(tǒng)反饋的姿態(tài)平臺姿態(tài)角速度計算姿態(tài)平臺當前姿態(tài)角，并根據(jù)地面控制系統(tǒng)發(fā)送的姿態(tài)旋轉指令計算姿態(tài)平臺的目標姿態(tài)角，計算姿態(tài)平臺當前姿態(tài)角與姿態(tài)平臺目標姿態(tài)角之間的姿態(tài)角偏差；
[0029](6.2)第二控制器判斷姿態(tài)角偏差是否大于預先設定的閾值，如果大于，則第二控制器通過控制第二氣壓管路的接通和關斷來控制冷氣噴嘴工作，從而對姿態(tài)平臺的姿態(tài)角和轉矩進行控制，使姿態(tài)平臺沿本體坐標系X、Y、Z軸旋轉，當其姿態(tài)角接近目標姿態(tài)角時進入步驟￠.3);如果姿態(tài)角偏差不大于預先設定的閾值，則進入步驟(6.4);
[0030](6.3)第二控制器根據(jù)慣性導航系統(tǒng)反饋的姿態(tài)平臺角速度計算當前姿態(tài)平臺姿態(tài)角，并計算與姿態(tài)平臺目標姿態(tài)角之間的姿態(tài)角偏差，進入步驟(6.4);
[0031](6.4)第二控制器根據(jù)姿態(tài)角偏差以及慣性導航系統(tǒng)反饋的轉矩，分別計算X、Y、Z三個方向上飛輪需要的角速度和轉矩，通過飛輪的角速度和轉矩控制姿態(tài)平臺沿本體坐標系X、Y、Z軸旋轉，直到姿態(tài)平臺的姿態(tài)角達到目標姿態(tài)角。
[0032]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:
[0033](I)本發(fā)明平動平臺采用可伸縮的升降柱實現(xiàn)，使五自由度氣浮式運動模擬器高度可調(diào)節(jié)，從而便于模擬器與其他各種高度的模擬器對接；
[0034](2)本發(fā)明平動平臺還設計了防側翻機械限位裝置，一方面用于在五自由度氣浮