專利名稱：用于巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)的制作方法
用于巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)技術領域
本發(fā)明屬于月面巡視器地面行走試驗領域，具體涉及一種用于巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)。
背景技術：
隨著我國探月工程的開展，月面巡視器的研制成為了整個探月計劃的關鍵。巡視器本身是一個復雜的系統(tǒng)，為保證它在月面的正常行駛，必須在地面對其行走能力，如移動性能、路徑規(guī)劃及自主導航等功能加以綜合驗證，以考察巡視器的工作可靠性。為了充分考核巡視器的行走性能，需要建設重力模擬設備，在試驗過程中為月面巡視探測器提供低重力模擬，以考核月面巡視探測器在月表重力條件下的行走通過性能。
早在1965年，美國為Apollo計劃在休斯頓約翰遜空間中心建立了一個空間環(huán)境模擬室(SESL)，以提供Apollo時期所有載人航天器和LRV的地面試驗。LOCKHEED導彈和空間公司(LMSC)建立了一個高大的人造倉，來模擬月球庇護所和月球太空艙外環(huán)境，其中就包括綜合1/6的重力環(huán)境的模擬試驗，采用的月面重力模擬裝置如圖1所示，其中，該面向巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)包括滑動設置在墻體上的控制平臺支撐珩架， 珩架下方設置有懸掛平臺，懸掛平臺上設置有二維平面驅動和空間角度旋轉驅動，懸掛平臺下部懸掛有八根吊索以懸吊月面巡視器，且墻體上設置有控制系統(tǒng)。
該系統(tǒng)有以下不足
1)懸掛平臺的運動包含水平運動和旋轉運動，控制算法復雜。
2)懸掛平臺下部懸掛有八跟吊索，每根吊索配備一套收放裝置，系統(tǒng)需協(xié)調運動， 復雜度大，不易控制。
3)該系統(tǒng)適用的巡視器必須自備電源，且可遙控或載人操作，無法適應電池容量有限且不能遙控的巡視器進行地面試驗的需求。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)了對月球表面的重力環(huán)境的模擬。月球重力加速度約為地球的1/6，在地球上進行巡視器行走時，必須在地球Ig重力加速度環(huán)境下，復現(xiàn)l/6g環(huán)境下月面巡視器的輪地壓力情況。通過該月面重力模擬系統(tǒng)可以在地面精確復現(xiàn)月球重力環(huán)境中巡視器的輪地受力情況，滿足了巡視器地面行走試驗的需求。
本發(fā)明的一種用于巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)，包括二維支撐架、 二維跟蹤平臺、位姿監(jiān)控系統(tǒng)、恒拉力機構、低重力實驗的懸掛裝置、地面監(jiān)控系統(tǒng)、電纜跟隨機構以及起吊機構，二維支撐架設置于高空墻體上并可沿的墻體上的導軌X向滑動，二維支撐架下方設置有一相對于二維支撐架軸向(Y向)滑動的小車，小車下懸掛有二維跟蹤平臺，二維跟蹤平臺通過導軌、X，Y向的驅動電機裝置以及滾珠絲杠的配合能夠在二維水平面內沿X向和Y向滑動，二維跟蹤平臺下方固定有位姿監(jiān)控系統(tǒng)及恒拉力機構，位姿監(jiān)控系統(tǒng)主要由相機及固定在月面巡視器上的標志點組成，相機實時捕捉標志點的位置變化計算出月面巡視器的位移及姿態(tài)變化，即通過月球巡視器的質心與光學標志點之間的空間位置關系確定月球巡視器質心在相機坐標系的空間坐標，再根據(jù)懸吊點在相機坐標系的位置計算出月球巡視器質心相對于懸吊點的位置；
所述恒拉力機構主要由單根恒拉力索、吊索收放裝置、拉力傳感器及索力控制系統(tǒng)組成，索力控制系統(tǒng)根據(jù)拉力傳感器反饋的單根恒拉力索上拉力的數(shù)值控制收放裝置收緊或放松恒拉力索，實時保證恒拉力索上的拉力恒定，使月面巡視器與地面的接觸壓力保持在自重的1/6(即在月面的接觸壓力值)，恒拉力索上端為恒拉力機構，下端固定連接有一用于月球巡視器的懸掛裝置；
所述地面監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)位姿監(jiān)控系統(tǒng)計算出的月球巡視器質心相對于懸吊點的位置量控制二維支撐架及二維跟蹤平臺在水平面內的機械運動，使吊索始終保持垂直以保證二維跟蹤平臺精確跟隨月面巡視器的運動；
所述電纜跟隨機構通過轉接板固定連接在二維跟蹤平臺底部上且位于恒拉力吊索下方，電纜跟隨機構包括擺桿結構、止推軸承、電纜吊索、收索電機和旋轉電機，擺桿結構通過止推軸承與轉接板的未連接端樞軸轉動連接，恒拉力索從止推軸承內穿過，使得整個擺桿結構以恒拉力索為中心旋轉擺動，擺桿結構一側上設置有滑輪及繞過滑輪的電纜吊索，電纜吊索通過設置在擺桿結構上的收索電機收放，同樣設置在擺桿結構上的旋轉電機為擺桿結構的擺動提供驅動，其中，月面巡視器地面試驗用供電電纜、控制電纜、及數(shù)據(jù)傳輸電纜，懸掛在電纜吊索上可隨吊索收縮或下放，同時各種電纜可隨擺桿結構一起繞恒拉力索旋轉。
進一步地，起吊機構是指設置在二維跟蹤平臺底部四角下方的四根吊索，月面巡視器正常試驗時，吊索收起，只用恒拉力吊索懸掛月面巡視器，試驗結束需要起吊巡視器時吊索下放，連接在月面巡視器上的四個懸掛點進行起吊。
進一步地，各種電纜由月面巡視器控制終端沿二維跟蹤平臺機械結構及線槽走線至懸掛平臺，并通過轉接板走線至止推軸承附近，再圍繞止推軸承以最小轉彎半徑纏繞幾圈從擺桿結構垂下，各種電纜的垂下部分與電纜吊索設置一個或多個連接點，最后連接至月面巡視器的試驗件上。
進一步地，止推軸承周圍的擺桿結構上還設置有電纜托盤，以便對纏繞幾圈的電纜進行支撐。
其中，二維支撐架為改造后的天車。
其中，相機設置在二維跟蹤平臺上。
其中，X向和Y向的滑動均受到限位開關的限制。
進一步地，相機通過監(jiān)測光學標志點來監(jiān)控月球巡視器的位置和姿態(tài)并將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面監(jiān)控系統(tǒng)。
本發(fā)明巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)，采用了單索懸掛技術、跟蹤系統(tǒng)二級控制技術、力系統(tǒng)閉環(huán)三級控制技術、電纜跟隨機構、起吊機構等可成功應用于巡視器的地面試驗，配合完成移動性能、自主導航、路徑規(guī)劃、著陸器與巡視器的聯(lián)合試驗等多項試驗任務，各項技術指標滿足試驗需求，為全面充分考核巡視器行走能力提供了條件。
單索懸掛技術是利用相似吊架，僅以一根吊索起吊月面巡視器這種多剛體結構，使其在地面試驗過程中各輪輪地壓力分配與在月面上相同。優(yōu)點是避免對每個可活動的剛體部件單獨懸掛，減少吊索數(shù)量，降低系統(tǒng)復雜度。同時由于不存在多跟吊索見相互干涉的情況，不需要上層懸掛平臺具備水平面內旋轉功能，也降低了懸掛平臺的控制難度。
跟蹤系統(tǒng)二級控制技術是指地面監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)位姿監(jiān)控系統(tǒng)計算出的位移，控制二維支撐架及二維跟蹤平臺協(xié)同運動，達到在30米直徑范圍內跟蹤誤差小于0. 046m精確跟蹤目標的目的。由于二維支撐架跨度大、質量大、慣性大、撓度影響大，故跟蹤精度差，可以大范圍內粗略跟蹤目標。二維跟蹤平臺有效行程短、重量輕、慣性小、通過精密導軌移動， 可以實現(xiàn)對目標的高精度跟蹤。從而解決了大范圍精確跟蹤的難題。
力系統(tǒng)閉環(huán)三級控制技術是指根據(jù)力傳感器傳回的吊索上拉力值，實時控制由大電機、小電機、機械緩沖機構組成的三級拉力輸出，實現(xiàn)對拉力的精確閉環(huán)控制。大電機輸出大的拉力值，但由于電機自身特性，其出輸出拉力大控制精度必然低，故大電機實現(xiàn)拉力的粗略控制。小電機輸出功率小，對大電機進行補償，實現(xiàn)對拉力的精確控制。但電機特性的非理想性(如定位力矩、力矩波紋等)決定其等效干擾力仍然很大，需在拉索上增加機械緩沖裝置，抑制干擾力。這樣的三級拉力輸出可以實現(xiàn)0. 5%。的控制精度。
電纜跟隨機構實現(xiàn)試驗件電纜從控制終端到月面巡視器的走線，解決了月面巡視器這種自身電池電量小且不可遙控或載人試驗件的試驗問題，實現(xiàn)對電纜重力的補償， 解決月面巡視器原地轉向造成的電纜與恒張力索干涉的問題，同時由于電纜下垂位置可控 (控制其盡量垂直與車體)可減小電纜帶來的側向干擾。
起吊機構解決了單索懸掛方案中試驗件起吊后無法保持平衡的問題。若無該機構則月面巡視器試驗工況轉換時需要人手扶來保持平衡，會破壞用于試驗特殊整理出的模擬月貌，有了該機構則可順利進行工況轉換。


圖1為現(xiàn)有技術中(美國)月球巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)的結構示意圖。
圖中1—月球巡視器；2——地面控制臺；3——懸掛平臺；4——X向運動驅動； 5——角度旋轉驅動；6——Y方向運動驅動；7——支撐桁架；
圖2為本發(fā)明的月球巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)的示意圖。
其中，11-二維支撐架隨動小車Y向驅動；12——二維跟蹤平臺；13——相機；14--g拉力機構；15——標志點；16——低重力懸掛裝置；17——地面監(jiān)控系統(tǒng)；18——二維支撐架X向驅動；19——二維支撐架。
圖3為本發(fā)明的月球巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)中使用的電纜跟隨機構示意圖。
圖中21——電纜吊索；22——擺桿結構；23——電纜托盤；24——止推軸承； 25--g拉力索J6——旋轉電機；27——懸掛平臺J8——轉接板；四——收索電機。
圖4為本發(fā)明的月球巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)中使用的起吊機構示意圖。
具體實施方式
CN 102539185 A
看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)為B/S架構的系統(tǒng)，自動化貨柜管理系統(tǒng)為C/S架構的系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)獨立部署，出于物料管理的需求，在看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)與自動化貨柜管理系統(tǒng)之間需要完成兩大類信息的交互訂單信息和貨柜規(guī)劃信息的交互。其中訂單信息的交互是由看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)觸發(fā)的，而貨柜規(guī)劃信息是由自動化貨柜管理系統(tǒng)觸發(fā)的，二者的實現(xiàn)有很大的區(qū)別。
在訂單信息交互方法的實現(xiàn)過程中，是通過如下技術方案實現(xiàn)的
步驟一，訂單接收接收看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)中生成的物料入庫、出庫訂單信息；
步驟二，訂單編輯對接收到的訂單內容、格式、編碼方式進行編輯。在內容方面， 看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)中生成的訂單內容包括訂單號、物料代號、型號、名稱、數(shù)量、交付單位、 入庫人、經(jīng)手人等多種信息，而自動化貨柜管理系統(tǒng)中可識別的信息包括訂單編號、代號等信息，因此，不僅要根據(jù)看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)中生成的訂單內容生成訂單編號信息，還要對訂單中原有的信息進行篩檢，剔除在自動化貨柜管理系統(tǒng)中無法讀取的內容；在格式上，看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)中訂單信息項的名稱、標識符與自動化貨柜管理系統(tǒng)中可識別名稱與標識符并不一致，因此，需要根據(jù)原有的訂單完成信息項格式的調整，以保證自動化管理系統(tǒng)能夠對信息識別；在編碼方式上，看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)中生成的訂單信息采用Unicode編碼，而自動化貨柜管理系統(tǒng)中可識別的信息編碼格式為機器碼，因此，需要對訂單信息的編碼格式進行轉換，將其轉化為機器碼語言；
步驟三，訂單輸出將編輯后的訂單信息輸出到自動化貨柜管理系統(tǒng)指定的信息讀取路徑下。自動化貨柜管理系統(tǒng)指定的對外信息交互接口中有一個文件為AOD. TXT文件，用以存儲外部傳入的訂單信息，因此，需要將信息輸入到該文件中；
步驟四，操作反饋信息監(jiān)聽。對自動化貨柜操作的反饋信息進行監(jiān)聽。自動化貨柜管理系統(tǒng)指定的對外信息交互接口中有一個文件為AOUP. TXT文件，用以存儲操作執(zhí)行后的狀態(tài)信息，自動化貨柜管理系統(tǒng)會在自動化貨柜成功完成相關操作后將操作的執(zhí)行結果反饋信息寫入到AOUP. TXT文件中，利用操作反饋信息監(jiān)聽方法可以對該文件中的信息內容變化進行監(jiān)聽，根據(jù)監(jiān)聽文件存儲的信息量大小的變化和內容的變化確定是否進行信息的讀取；
步驟五，操作反饋信息讀取對自動化貨柜管理系統(tǒng)指定的對外信息交互接口中的AOUP. TXT文件內容進行讀??；
步驟六，操作反饋信息編輯對讀取的操作反饋信息的內容、格式、編碼方式進行編輯。在內容上，通過反饋信息中的訂單編號、代號等信息獲取訂單在看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的訂單號、物料編號等信息，以便在看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)中匹配到正確的信息記錄；在格式上，看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)中訂單信息項的名稱、標識符與自動化貨柜管理系統(tǒng)中可識別名稱與標識符并不一致，因此，需要根據(jù)讀取的操作反饋信息完成信息項格式的調整，以保證看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)能夠對信息識別；在編碼方式上，將信息由機器碼的編碼方式改為 Unicode編碼方式；
步驟七，反饋信息輸出將經(jīng)過編輯后的信息輸出給看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的信息更新方法，以便完成信息在看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的更新。
在貨柜規(guī)劃信息交互方法的實現(xiàn)過程中，是通過如下技術方案實現(xiàn)的
步驟一，貨柜規(guī)劃觸發(fā)識別識別同步更新看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的自動化貨柜規(guī)劃信息觸發(fā)操作，通過對觸發(fā)操作的識別確定是否進行貨柜規(guī)劃信息的讀取；
步驟二，貨柜規(guī)劃信息讀取讀取自動化貨柜管理系統(tǒng)下的貨柜規(guī)劃、貨位規(guī)劃等 fn息；
步驟三，貨柜規(guī)劃信息編輯對讀取的貨柜的規(guī)劃信息進行編輯，包括內容、格式、 編碼三個方面的信息編輯，編輯的形式參考訂單信息交互方法實現(xiàn)過程的步驟六；
步驟四，貨柜規(guī)劃信息輸出將編輯后的貨柜規(guī)劃信息輸出給看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)， 以完成在看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)中對自動化貨柜規(guī)劃信息的更新。
通過自動化貨柜管理系統(tǒng)與看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)信息交互方法，實現(xiàn)了自動化貨柜管理系統(tǒng)與看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)的信息交互，有效地將自動化貨柜管理系統(tǒng)納入現(xiàn)有的庫存管理體系中。在保證看板生產(chǎn)管理系統(tǒng)各項功能的同時，充分發(fā)揮了自動化貨柜在物料管理上的優(yōu)勢，增加了庫房的空間利用率，提高了物料揀選效率，增強了物料存儲的保密性和對物料的保護性，從整體上大大提升了庫房物料管理的規(guī)范性。
權利要求
1.用于巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)，包括二維支撐架、二維跟蹤平臺、位姿監(jiān)控系統(tǒng)、恒拉力機構、低重力實驗的懸掛裝置、地面監(jiān)控系統(tǒng)、電纜跟隨機構以及起吊機構，二維支撐架設置于高空墻體上并可沿的墻體上的導軌X向滑動，二維支撐架下方設置有一相對于二維支撐架軸向(Y向)滑動的小車，小車下懸掛有二維跟蹤平臺，二維跟蹤平臺通過導軌、X，Y向的驅動電機裝置以及滾珠絲杠的配合能夠在二維水平面內沿X向和 Y向滑動，二維跟蹤平臺下方固定有位姿監(jiān)控系統(tǒng)及恒拉力機構，位姿監(jiān)控系統(tǒng)主要由相機及固定在月面巡視器上的標志點組成，相機實時捕捉標志點的位置變化計算出月面巡視器的位移及姿態(tài)變化，即通過月球巡視器的質心與光學標志點之間的空間位置關系確定月球巡視器質心在相機坐標系的空間坐標，再根據(jù)懸吊點在相機坐標系的位置計算出月球巡視器質心相對于懸吊點的位置；所述恒拉力機構主要由單根恒拉力索、吊索收放裝置、拉力傳感器及索力控制系統(tǒng)組成，索力控制系統(tǒng)根據(jù)拉力傳感器反饋的單根恒拉力索上拉力的數(shù)值控制收放裝置收緊或放松恒拉力索，實時保證恒拉力索上的拉力恒定，使月面巡視器與地面的接觸壓力保持在自重的1/6，恒拉力索上端為恒拉力機構，下端固定連接有一用于月球巡視器的懸掛裝置；所述地面監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)位姿監(jiān)控系統(tǒng)計算出的月球巡視器質心相對于懸吊點的位置量控制二維支撐架及二維跟蹤平臺在水平面內的機械運動，使吊索始終保持垂直以保證二維跟蹤平臺精確跟隨月面巡視器的運動；所述電纜跟隨機構通過轉接板固定連接在二維跟蹤平臺底部上且位于恒拉力吊索下方，電纜跟隨機構包括擺桿結構、止推軸承、電纜吊索、收索電機和旋轉電機，擺桿結構通過止推軸承與轉接板的未連接端樞軸轉動連接，恒拉力索從止推軸承內穿過，使得整個擺桿結構以恒拉力索為中心旋轉擺動，擺桿結構一側上設置有滑輪及繞過滑輪的電纜吊索，電纜吊索通過設置在擺桿結構上的收索電機收放，同樣設置在擺桿結構上的旋轉電機為擺桿結構的擺動提供驅動；其中，月面巡視器地面試驗用供電電纜、控制電纜、及數(shù)據(jù)傳輸電纜，懸掛在電纜吊索上可隨吊索收縮或下放，同時各種電纜可隨擺桿結構一起繞恒拉力索旋轉。
2.如權利要求1所述的用于巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)，其中，起吊機構是指設置在二維跟蹤平臺底部四角下方的四根吊索，月面巡視器正常試驗時，吊索收起， 只用恒拉力吊索懸掛月面巡視器，試驗結束需要起吊巡視器時吊索下放，連接在月面巡視器上的四個懸掛點進行起吊。
3.如權利要求1所述的用于巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)，其中，在懸掛平臺四個角下方的起吊拉索上部還設置有收繩機構。
4.如權利要求3所述的用于巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)，其中，收繩機構用電葫蘆改造而成。
5.如權利要求1所述的用于巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)，其中，各種電纜由月面巡視器控制終端沿二維跟蹤平臺機械結構及線槽走線至懸掛平臺，并通過轉接板走線至止推軸承附近，再圍繞止推軸承以最小轉彎半徑纏繞幾圈從擺桿結構垂下，各種電纜的垂下部分與電纜吊索設置一個或多個連接點，最后連接至月面巡視器的試驗件上。
6.如權利要求1所述的用于巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)，其中，止推軸承周圍的擺桿結構上還設置有電纜托盤，以便對纏繞幾圈的電纜進行卷繞和支撐。
7.如權利要求1-6任一項所述的用于巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)，其中，所述二維支撐架為改造后的天車。
8.如權利要求1-6任一項所述的用于巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)，其中，相機設置在二維跟蹤平臺上。
9.如權利要求1-6任一項所述的用于巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)，其中，X向和Y向的滑動均受到限位開關的限制。
10.如權利要求1-6任一項所述的用于巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)，其中，各種電纜跟隨擺桿結構的擺動范圍為-90° 180°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種面向巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)，包括二維支撐架、二維跟蹤平臺、位姿監(jiān)控系統(tǒng)、恒拉力機構、相似吊架以及地面監(jiān)控系統(tǒng)。本發(fā)明的巡視器地面行走試驗的月面重力模擬系統(tǒng)，采用了單索懸掛技術、跟蹤系統(tǒng)二級控制技術、力系統(tǒng)閉環(huán)三級控制技術等可成功應用于巡視器的地面試驗，配合完成移動性能、自主導航、路徑規(guī)劃、著陸器與巡視器的聯(lián)合試驗等多項試驗任務，各項技術指標滿足試驗需求，為全面充分考核巡視器行走能力提供了條件。
文檔編號G01M99/00GK102539185SQ20111044368
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權日2011年12月27日
發(fā)明者任德鵬, 何玲, 馮咬齊, 楊艷靜, 樊世超, 王婉秋, 王智勇, 王鶴, 賈陽, 高海波 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所