所屬技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航天器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)地面驗(yàn)證技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及空間任務(wù)可置換的自由基座運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)跨尺度驗(yàn)證裝置。

背景技術(shù)：

空間任務(wù)在實(shí)際執(zhí)行之前，必須先期在地面進(jìn)行全方位的綜合驗(yàn)證之后，方可進(jìn)行試驗(yàn)，地面驗(yàn)證階段作為空間任務(wù)實(shí)施關(guān)鍵部分，能驗(yàn)證空間任務(wù)方案的合理性和技術(shù)可行性，為空間任務(wù)執(zhí)行方案的在軌驗(yàn)證提供科學(xué)依據(jù)。而空間任務(wù)地面驗(yàn)證階段成功與否在很大程度上取決于其采用的驗(yàn)證手段對(duì)任務(wù)完成的過(guò)程特征是否真實(shí)反映。概括地說(shuō)，這些特征包括：空間任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程是在軌道運(yùn)行的過(guò)程中完成的，空間任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程是在微重力環(huán)境中完成的，空間任務(wù)執(zhí)行過(guò)程是一個(gè)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化與控制的過(guò)程等等。現(xiàn)有的驗(yàn)證空間任務(wù)的地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有(1)時(shí)間限制，難以獲得長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)失重效果；(2)空間限制，忽略絕對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)，僅能進(jìn)行部分子任務(wù)或子系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，導(dǎo)致空間任務(wù)的整體試驗(yàn)驗(yàn)證非常困難；(3)部分已有的重力補(bǔ)償方法對(duì)機(jī)電設(shè)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(fù)雜任務(wù)機(jī)動(dòng)性試驗(yàn)要求等，因而急需發(fā)展一種可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)且時(shí)間空間不受限制的空間任務(wù)驗(yàn)證平臺(tái)，以完成高保真的空間任務(wù)地面測(cè)試與驗(yàn)證工作。

針對(duì)空間任務(wù)實(shí)施方案地面驗(yàn)證階段，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展研制了基于不同驗(yàn)證手段的各類(lèi)儀器系統(tǒng)，其研究?jī)?nèi)容主要集中在數(shù)學(xué)仿真、半物理仿真和物理仿真三個(gè)方向上,但都不能反映空間合作任務(wù)過(guò)程的全部特征，具體如下：

1)數(shù)學(xué)仿真手段無(wú)法真實(shí)的描述合作任務(wù)過(guò)程。

2)半物理仿真手段沒(méi)有考慮微重力環(huán)境，同時(shí)只針對(duì)合作任務(wù)中的某一子系統(tǒng)或者特定功能進(jìn)行驗(yàn)證，而每個(gè)子系統(tǒng)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(guò)重力補(bǔ)償模擬微重力環(huán)境，但是現(xiàn)有的補(bǔ)償技術(shù)模擬的微重力環(huán)境下無(wú)法再現(xiàn)真實(shí)軌道運(yùn)動(dòng)，只能實(shí)現(xiàn)相對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)，而且也只針對(duì)合作任務(wù)中某一子系統(tǒng)或特定功能進(jìn)行驗(yàn)證?；谖锢矸抡媸侄伪苊饬藢?shí)物部件難以精確數(shù)學(xué)建模的困難，能夠提前發(fā)現(xiàn)并解決實(shí)際空間運(yùn)動(dòng)中可能存在的問(wèn)題，可以更加直觀的在地面驗(yàn)證空間任務(wù)執(zhí)行過(guò)程。目前我國(guó)用于各類(lèi)執(zhí)行空間任務(wù)飛行器驗(yàn)證的地面大型試驗(yàn)設(shè)備很少，都是面向任務(wù)設(shè)計(jì)的，可驗(yàn)證的任務(wù)種類(lèi)單一，缺乏通用性；且無(wú)法真實(shí)驗(yàn)證空間合作任務(wù)的全過(guò)程，缺乏保真性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出的空間任務(wù)可置換的自由基座運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)跨尺度驗(yàn)證裝置，既能為執(zhí)行任務(wù)的航天器提供微重力運(yùn)動(dòng)環(huán)境，又能地面再現(xiàn)其真實(shí)軌道運(yùn)動(dòng)，從而驗(yàn)證空間任務(wù)的完整過(guò)程，解決上述關(guān)鍵問(wèn)題彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀中的不足。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

空間任務(wù)可置換的自由基座運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)跨尺度驗(yàn)證裝置包括自由基座、坐標(biāo)式機(jī)械臂、懸掛重力補(bǔ)償系統(tǒng)與協(xié)調(diào)控制通訊系統(tǒng)，通過(guò)自由基座實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行任務(wù)的航天器軌道運(yùn)動(dòng)模擬，通過(guò)懸掛實(shí)現(xiàn)航天器的重力補(bǔ)償，通過(guò)坐標(biāo)式機(jī)械臂模擬任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中航天器的位姿調(diào)整、在軌服務(wù)等動(dòng)作，從而完成執(zhí)行空間任務(wù)的航天器的軌道與姿態(tài)的并行跨尺度驗(yàn)證。

所述自由基座包括基座車(chē)體、基座運(yùn)動(dòng)控制單元與基座傳感定位單元，基座運(yùn)動(dòng)控制單元由基座伺服電機(jī)、基座驅(qū)動(dòng)器和基座運(yùn)動(dòng)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(shù)據(jù)采集卡和基座無(wú)線通訊卡組成；基座運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象軌道運(yùn)動(dòng)所需的期望位置與速度，以及基座傳感定位單元融合量測(cè)得到的自由基座運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋信息，通過(guò)基座驅(qū)動(dòng)器控制基座伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使自由基座跟蹤期望軌跡。

所述坐標(biāo)式機(jī)械臂包括坐標(biāo)模塊、旋轉(zhuǎn)模塊與機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)控制單元，機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)控制單元由機(jī)械臂伺服電機(jī)、機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械臂控制卡構(gòu)成，坐標(biāo)模塊由水平和豎向運(yùn)動(dòng)的三組線性模組構(gòu)成，在機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)單元的控制下可帶動(dòng)試驗(yàn)對(duì)象模擬其在空間的運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)模塊由構(gòu)成俯仰、偏航及滾轉(zhuǎn)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的機(jī)構(gòu)構(gòu)成，在機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)單元的控制下可帶動(dòng)試驗(yàn)對(duì)象模擬其在空間的姿態(tài)調(diào)整運(yùn)動(dòng)。

所述懸掛重力補(bǔ)償系統(tǒng)包括支撐架、無(wú)約束懸掛機(jī)構(gòu)、緩沖測(cè)量單元、水平隨動(dòng)機(jī)構(gòu)、豎向主動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)及懸掛驅(qū)動(dòng)控制單元，無(wú)約束懸掛機(jī)構(gòu)由深溝球軸承及其固定架構(gòu)成，可保證試驗(yàn)對(duì)象近似無(wú)約束的姿態(tài)調(diào)整運(yùn)動(dòng)，緩沖測(cè)量單元由緩沖機(jī)構(gòu)、張力傳感器、傾角傳感器及萬(wàn)向節(jié)構(gòu)成，豎向主動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)通過(guò)齒輪齒條嚙合進(jìn)行傳動(dòng)，緩沖測(cè)量單元通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與豎向主動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的齒條連接，懸掛驅(qū)動(dòng)控制單元由懸掛伺服電機(jī)、懸掛驅(qū)動(dòng)器與懸掛控制卡構(gòu)成，當(dāng)試驗(yàn)對(duì)象水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)約束懸掛機(jī)構(gòu)帶動(dòng)緩沖結(jié)構(gòu)相對(duì)豎向主動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)擺動(dòng)，傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量緩沖機(jī)構(gòu)與豎向主動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)間的擺動(dòng)角度，傳遞給懸掛控制卡，懸掛控制卡通過(guò)懸掛驅(qū)動(dòng)器控制對(duì)應(yīng)的懸掛伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)水平隨動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，消除擺角，保證緩沖結(jié)構(gòu)與豎向主動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)始終處于同一直線上，當(dāng)試驗(yàn)對(duì)象豎向運(yùn)動(dòng)時(shí)，張力傳感器的數(shù)值發(fā)生變化傳遞給懸掛控制卡，懸掛控制器通過(guò)控制懸掛驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的懸掛伺服電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，確保試驗(yàn)對(duì)象處于微重力狀態(tài)或空間任務(wù)要求的重力狀態(tài)。

所述無(wú)約束懸掛機(jī)構(gòu)可更換，本發(fā)明中給出了無(wú)約束懸掛機(jī)構(gòu)一與無(wú)約束懸掛機(jī)構(gòu)二，以在盡量減小附加質(zhì)量的同時(shí)適應(yīng)不同外形的試驗(yàn)對(duì)象。

所述協(xié)調(diào)控制通訊系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊及實(shí)時(shí)顯示模塊，實(shí)現(xiàn)自由基座、坐標(biāo)式機(jī)械臂及懸掛重力補(bǔ)償系統(tǒng)三個(gè)系統(tǒng)多目標(biāo)控制任務(wù)的信息傳遞、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

根據(jù)上述的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，本發(fā)明提出的空間任務(wù)可置換的自由基座運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)跨尺度驗(yàn)證裝置的工作原理為試驗(yàn)對(duì)象固定在懸掛重力補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)約束懸掛機(jī)構(gòu)上，懸掛重力補(bǔ)償系統(tǒng)的傾角傳感器與張力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量懸掛點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息，懸掛控制卡根據(jù)該運(yùn)動(dòng)信息控制水平方向上的懸掛伺服電機(jī)與豎直方向上的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)懸掛點(diǎn)三維空間的跟隨運(yùn)動(dòng)，提供試驗(yàn)對(duì)象執(zhí)行空間任務(wù)是所處的重力環(huán)境，實(shí)現(xiàn)空間重力運(yùn)動(dòng)環(huán)境的再現(xiàn)。坐標(biāo)式機(jī)械臂可驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)對(duì)象三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)以及相對(duì)自由基座的三自由度平動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的位姿運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)?；鶄鞲卸ㄎ粏卧ㄟ^(guò)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(shí)時(shí)位置信息，基座運(yùn)動(dòng)控制單元通過(guò)基于試驗(yàn)對(duì)象的空間軌道動(dòng)力學(xué)方程實(shí)時(shí)計(jì)算期望的軌道位置，利用跨尺度等效原理與相似理論計(jì)算出地面自由基座的期望位置，由該期望位置信息與測(cè)量處理得到的實(shí)際位置信息計(jì)算期望輸入，驅(qū)使自由基座實(shí)現(xiàn)期望的相似運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)航天器的軌道運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)。協(xié)調(diào)控制通訊系統(tǒng)通過(guò)整合數(shù)據(jù)通信模塊的信息協(xié)調(diào)控制自由基座、坐標(biāo)式機(jī)械臂及懸掛重力補(bǔ)償系統(tǒng)的工作，從而全面再現(xiàn)航天器執(zhí)行空間任務(wù)的整個(gè)過(guò)程。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)通過(guò)懸掛方式補(bǔ)償試驗(yàn)對(duì)象的重力，可降低外界環(huán)境的干擾，提供高精度微重力環(huán)境；

(2)通過(guò)自由基座系統(tǒng)和重力補(bǔ)償系統(tǒng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)航天器與微重力環(huán)境同步運(yùn)動(dòng)的方式，提供實(shí)驗(yàn)航天器不受時(shí)間和空間約束的微重力環(huán)境；

(3)可以完整的再現(xiàn)空間任務(wù)過(guò)程，可驗(yàn)證方案每個(gè)環(huán)節(jié)的執(zhí)行情況，很大程度上提高空間任務(wù)地面再現(xiàn)的可信度。

(4)本發(fā)明可針對(duì)同一任務(wù)的不同方案進(jìn)行驗(yàn)證，也可針對(duì)不同任務(wù)進(jìn)行驗(yàn)證，不僅適用于單目標(biāo)，也適合多目標(biāo)任務(wù)的驗(yàn)證，具有很強(qiáng)的通用性

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明裝置的整體圖。

圖2為本發(fā)明裝置的正視圖。

圖中標(biāo)號(hào)：

1：自由基座；2：試驗(yàn)航天器；3：坐標(biāo)式機(jī)械臂；4：懸掛重力補(bǔ)償系統(tǒng)。

圖3為自由基座。

圖中標(biāo)號(hào)：

11：基座車(chē)體；12：基座攝像頭。

圖4為坐標(biāo)式機(jī)械臂。

圖中標(biāo)號(hào)：

31：坐標(biāo)模塊；32：旋轉(zhuǎn)模塊。

圖5懸掛重力補(bǔ)償系統(tǒng)。

圖中標(biāo)號(hào)：41：支撐架；42：無(wú)約束懸掛機(jī)構(gòu)一；43：緩沖測(cè)量單元；44：水平隨動(dòng)機(jī)構(gòu)；45：豎向主動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。

圖6無(wú)約束懸掛機(jī)構(gòu)。

圖中標(biāo)號(hào)：

5：試驗(yàn)衛(wèi)星；46：無(wú)約束懸掛機(jī)構(gòu)二

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1與圖2，本發(fā)明提出的裝置包括自由基座1、坐標(biāo)式機(jī)械臂3、懸掛重力補(bǔ)償系統(tǒng)4與協(xié)調(diào)控制通訊系統(tǒng)構(gòu)成，試驗(yàn)航天器2為本裝置驗(yàn)證的對(duì)象。試驗(yàn)航天器2與懸掛重力補(bǔ)償系統(tǒng)4及坐標(biāo)式機(jī)械臂3連接，坐標(biāo)式機(jī)械臂3與懸掛重力補(bǔ)償系統(tǒng)4安裝在自由基座1上，并可隨之運(yùn)動(dòng)。

結(jié)合圖3，基座攝像頭12安裝在自由基座1的基座車(chē)體11上，自由基座1的基座運(yùn)動(dòng)控制單元，基座傳感定位單元的基座光電編碼器、基座數(shù)據(jù)采集卡和基座無(wú)線通訊卡，坐標(biāo)式機(jī)械臂的3機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)控制單元的機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械臂控制卡，懸掛重力補(bǔ)償系統(tǒng)4的懸掛驅(qū)動(dòng)控制單元懸掛驅(qū)動(dòng)器、懸掛控制卡，及協(xié)調(diào)控制通訊系統(tǒng)的調(diào)控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊安裝于基座車(chē)體11的內(nèi)部。

結(jié)合圖4，坐標(biāo)式機(jī)械臂3由坐標(biāo)模塊31和旋轉(zhuǎn)模塊32構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)模塊32安裝在坐標(biāo)軸模塊31上，旋轉(zhuǎn)模塊32的末端執(zhí)行法蘭與試驗(yàn)航天器2連接。

結(jié)合圖5與圖6，懸掛重力補(bǔ)償系統(tǒng)4由支撐架41、無(wú)約束懸掛機(jī)構(gòu)一42或無(wú)約束懸掛機(jī)構(gòu)二46、緩沖測(cè)量單元43、水平隨動(dòng)機(jī)構(gòu)44、豎向主動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)45與懸掛驅(qū)動(dòng)控制單元構(gòu)成，試驗(yàn)航天器2懸掛在無(wú)約束懸掛機(jī)構(gòu)一42中，無(wú)約束懸掛機(jī)構(gòu)一42與緩沖測(cè)量單元43一端連接，緩沖測(cè)量單元43另一端連接到安裝在水平隨動(dòng)機(jī)構(gòu)44上的豎向主動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)45上，水平隨動(dòng)機(jī)構(gòu)44與支撐架41連接?？筛鶕?jù)試驗(yàn)對(duì)象的特點(diǎn)選擇無(wú)約束懸掛結(jié)構(gòu)一42或無(wú)約束懸掛結(jié)構(gòu)二46。

以試驗(yàn)航天器2為例說(shuō)明本裝置的測(cè)試與驗(yàn)證步驟：

(1)將試驗(yàn)航天器2安裝到懸掛重力補(bǔ)償系統(tǒng)4上，a、調(diào)整試驗(yàn)航天器2的位置保證等效懸掛點(diǎn)與試驗(yàn)航天器2的質(zhì)心重合；b、調(diào)整豎向主動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)45的位置達(dá)到試驗(yàn)空間的最佳位置(根據(jù)需驗(yàn)證的空間任務(wù)確定)；

(2)將坐標(biāo)式機(jī)械臂3與試驗(yàn)航天器2連接；

(3)確定驗(yàn)證任務(wù)對(duì)象的系統(tǒng)參數(shù)：a、航天器的軌道姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程及任務(wù)初始狀態(tài)，b、試驗(yàn)航天器2所受重力數(shù)值，c、試驗(yàn)航天器2的任務(wù)序列；

(4)開(kāi)展測(cè)試與驗(yàn)證工作：a、上電啟動(dòng)所有系統(tǒng)，b、自由基座1在基座運(yùn)動(dòng)控制單元與基座傳感定位單元作用下跟蹤試驗(yàn)航天器2的標(biāo)稱(chēng)軌跡，c、試驗(yàn)航天器2按任務(wù)序列實(shí)施軌道與姿態(tài)機(jī)動(dòng)，d、坐標(biāo)式機(jī)械臂3帶動(dòng)試驗(yàn)航天器2運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)航天器2執(zhí)行任務(wù)時(shí)的位置及姿態(tài)調(diào)整運(yùn)動(dòng)，e、懸掛重力補(bǔ)償系統(tǒng)4的懸掛點(diǎn)跟蹤試驗(yàn)航天器2的三維空間運(yùn)動(dòng)，f、記錄所有子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，為測(cè)試分析提供數(shù)據(jù)支持；

(5)結(jié)束試驗(yàn)，整理分析試驗(yàn)結(jié)果：a、關(guān)閉裝置電源，卸下試驗(yàn)航天器2，b、根據(jù)任務(wù)過(guò)程中測(cè)量記錄的信息，分析任務(wù)方案的可行性。