一种六自由度气浮式运动模拟器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于气浮原理的模拟卫星等航天器空间活动的六自由度运动模拟器，属于空间飞行器半实物仿真领域。
【背景技术】
[0002]空间拦截用六自由度气浮模拟器是躲避机动半实物仿真系统的核心组成部分，其核心功能是根据躲避机动总控系统控制命令，实现EKV对躲避级气浮模拟器(进攻方)的跟踪运动。
[0003]近年来，在引进国外先进气浮仿真试验系统的基础上，国内一些重点院校及研究机构对气浮仿真试验系统的一些性能和用途进行过研究，但主要应用于空间交会对接等相对速度较低的领域，并未在气浮平台上开展高速目标对抗试验。
[0004]另外，目前的六自由度气浮式运动模拟器的平动平台(TP平台)采用电机推动的假自由度，运动有失真，不能完全模拟空间的失重运动特性，；姿态平台的姿态控制通过喷嘴实现，精度不高，响应速度慢，不适用于高速运动场合；定位采用负载的视觉系统，精度不高且结构复杂。
【发明内容】
[0005]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种六自由度气浮式运动模拟器，实现在地面环境下对卫星等航天器轨道及姿态空间运动的有效模拟。
[0006]本发明的技术解决方案是:一种六自由度气浮式运动模拟器，包括平动平台和姿态平台；
[0007]所述平动平台包括球面气浮轴承、防侧翻机械限位装置、升降柱组件、第一气压管路、第一控制器、三个平面气浮轴承、平动平台安装面板以及平动平台锂电池；所述平动平台安装面板为圆形；三个平面气浮轴承均布在平动平台安装面板下表面，用于支撑平动平台；升降柱组件、第一气压管路和第一控制器均安装在平动平台安装面板上表面，且升降柱组件位于平动平台安装面板的中心位置；防侧翻机械限位装置安装在升降柱组件上，用于限制姿态平台的倾斜角度；球面气浮轴承安装在升降柱组件的顶端；
[0008]所述升降柱组件包括平衡块、2m个气罐、2η个滑轮组、钢丝、2m个放气装置、内支撑柱和外支撑柱；外支撑柱为中空圆柱体，内支撑柱位于外支撑柱内，且与外支撑柱共轴，平衡块为圆环状，可滑动地套装在外支撑柱外壁上，钢丝绕过滑轮组连接内支撑柱和平衡块，2n个滑轮组均布在外支撑柱外壁上；2m个气罐均布在平衡块上，每个放气装置与一个气罐连接，用于为对应的气罐放气；
[0009]所述第一气压管路用于为球面气浮轴承和三个平面气浮轴承供气；所述第一控制器接收地面控制系统的启动指令，根据地面控制系统的启动指令控制第一气压管路的接通和关断；第一控制器还用于采集第一气压管路的压力并输出给地面控制系统；
[0010]平动平台锂电池安装在平动平台安装面板上表面，用于为平动平台供电；
[0011]所述姿态平台包括姿态平台安装面板、2N个气瓶、第二气压管路、iGPS、四组冷气喷嘴、惯性导航系统、第二控制器、三个飞轮、质心调节系统以及姿态平台锂电池；N为不为0的自然数；
[0012]所述姿态平台安装面板为圆形，中心位置开有用于连接球面气浮轴承的孔；2N个气瓶对称布置在姿态平台安装面板上，且气瓶嘴均朝向姿态平台安装面板的圆心；四组冷气喷嘴均匀布置在姿态平台安装面板上，每组冷气喷嘴包括四个冷气喷嘴，分别沿本体坐标系的X轴、Y轴、Z轴正向、Z轴负向安装；三个飞轮沿本体坐标系的X、Y、Z轴安装在姿态平台安装面板上；
[0013]第二气压管路、iGPS、惯性导航系统、第二控制器以及质心调节系统均安装在姿态平台安装面板上，所述第二气压管路在第二控制器的控制下为四组冷气喷嘴供气；iGPS用于精确测量六自由度气浮式运动模拟器空间坐标位置并输出给第二控制器；惯性导航系统用于实时采集姿态平台的角速度和转矩并反馈给第二控制器；质心调节系统用于调节姿态平台的质心与球面气浮轴承的球心重合；
[0014]第二控制器接收地面控制系统的位置移动指令，根据该指令和iGPS实时输出的模拟器空间位置坐标，控制第二气压管路的接通和关断，实现六自由度气浮式运动模拟器沿平动平台X、Y轴方向移动；第二控制器接收地面控制系统的姿态旋转指令和高度调节指令，根据姿态旋转指令以及惯性导航系统反馈的姿态平台角速度和转矩，控制第二气压管路的接通和关断以及飞轮的角速度和转矩，实现六自由度气浮式运动模拟器姿态平台沿本体坐标系X、Y、Z轴旋转；第二控制器与升降柱组件上2m个放气装置连接，根据高度调节指令控制第二气压管路的接通和关断，以及放气装置放气，实现姿态平台沿本体坐标系Z轴方向的移动；第二控制器还用于将姿态平台的角速度、转矩和高度以及第二气压管路的压力输出给地面控制系统；
[0015]姿态平台锂电池安装在姿态平台安装面板上表面，用于为姿态平台供电；
[0016]平动平台的X、Y、Z轴是指以平动平台的中心为原点，Z轴垂直于平动平台安装面板向上，X轴、Y轴正交且满足右手定则；
[0017]所述本体坐标系是指以姿态平台的旋转中心为原点，Z轴垂直于姿态平台安装面板向上，X轴、Y轴正交且满足右手定则。
[0018]所述外支撑柱为内外壁光滑的中空圆柱体。
[0019]所述姿态平台安装面板包括上面板和下面板，下面板中心位置开有用于连接球面气浮轴承的孔，2N个气瓶均匀布置在上面板和下面板之间，第二气压管路、iGPS、四组冷气喷嘴、惯性导航系统、第二控制器、三个飞轮、质心调节系统以及锂电池安装在上面板或下面板上。
[0020]所述第一气压管路包括第一高压气瓶组、第一减压阀、第二减压阀、第三减压阀、第一安全阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一稳压气容、第二稳压气容、第一开关阀、第二开关阀和第一截止阀；
[0021]第一高压气瓶组与第一减压阀的输入端连接，第一减压阀的输出端同时与第一压力传感器、第二减压阀的输入端以及第三减压阀的输入端连接，第二减压阀的输出端同时与第二压力传感器以及第一稳压气容的一端连接，第一稳压气容的另一端通过第一开关阀与球面气浮轴承连接；第三减压阀的输出端同时与第三压力传感器以及第二稳压气容的一端连接，第二稳压气容的另一端通过第二开关阀与三个平面气浮轴承连接；第一高压气瓶组同时与第一安全阀以及第一截止阀连接；
[0022]所述第二减压阀和第三减压阀的输入气压相同，第一减压阀的输入气压高于第二减压阀和第三减压阀的输入气压；
[0023]所述第二压力传感器和第三压力传感器的输入气压相同，第一压力传感器的输入气压高于第二压力传感器和第三压力传感器的输入气压。
[0024]所述第二气压管路包括第二高压气瓶组、第四减压阀、第五减压阀、第四压力传感器、第五压力传感器、第三稳压气容、第三开关阀、第二安全阀和第二截止阀；
[0025]第二高压气瓶组与第四减压阀的输入端连接，第四减压阀的输出端同时与第四压力传感器以及第五减压阀的输入端连接，第五减压阀的输出端同时与第五压力传感器以及第三稳压气容的一端连接，第三稳压气容的另一端与第三开关阀的一端连接，第三开关阀的另一端与四组冷气喷嘴连接；第二高压气瓶组同时与二安全阀以及第二截止阀连接；
[0026]所述第四减压阀的输入气压高于第五减压阀的输入气压；
[0027]所述第四压力传感器的输入气压高于第五压力传感器的输入气压。
[0028]所述防侧翻机械限位装置为一个圆环状的平板，可拆卸地安装在升降柱组件上端，且圆环状平板上还覆盖一层缓冲材料。
[0029]所述第二控制器实现六自由度气浮式运动模拟器姿态平台沿本体坐标系X、Y、Z轴旋转的方法为:
[0030](7.1)第二控制器根据惯性导航系统反馈的姿态平台姿态角速度计算姿态平台当前姿态角，并根据地面控制系统发送的姿态旋转指令计算姿态平台的目标姿态角，计算姿态平台当前姿态角与姿态平台目标姿态角之间的姿态角偏差；
[0031](7.2)第二控制器判断姿态角偏差是否大于预先设定的阈值，如果大于，则第二控制器通过控制第二气压管路的接通和关断来控制冷气喷嘴工作，从而对姿态平台的姿态角和转矩进行控制，使姿态平台沿本体坐标系X、Y、Z轴旋转，当其姿态角接近目标姿态角时进入步骤(7.3);如果姿态角偏差不大于预先设定的阈值，则进入步骤(7.4);
[0032](7.3)第二控制器根据惯性导航系统反馈的姿态平台角速度计算当前姿态平台姿态角，并计算与姿态平台目标姿态角之间的姿态角偏差，进入步骤(7.4);
[0033](7.4)第二控制器根据姿态角偏差以及惯性导航系统反馈的转矩，分别计算X、Y、Z三个方向上飞轮需要的角速度和转矩，通过飞轮的角速度和转矩控制姿态平台沿本体坐标系X、Y、Z轴旋转，直到姿态平台的姿态角达到目标姿态角。。
[0034]所述第二控制器实现姿态平台沿本体坐标系Z轴方向的移动的方法为:
[0035](8.1)第二控制器根据地面控制系统的高度调节指令，通过控制第二气压管路控制冷气喷嘴向高度调节方向的反方向喷气；
[0036](8.2)第二控制器同时控制升降柱组件上的放气装置释放气体，释放气体的质量与冷气喷嘴喷出的气体质量相等；
[0037](8.3)当升降柱组件沿本体坐标系Z轴方向移动到地面控制系统高度调节指令指定的高度时，第二控制器控制第二气压管路全部关断，使冷气喷嘴停止工作，同时关闭放气装置，完成姿态平台沿本体坐标系Z轴方向的移动。
[0038]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0039](1)本发明平动平台采用平衡块和滑轮组结合