空间任务可置换的自由基座运动再现跨尺度验证装置的制作方法

所属技术领域

本发明属于航天器导航、制导与控制系统地面验证技术领域，具体涉及空间任务可置换的自由基座运动再现跨尺度验证装置。

背景技术：

空间任务在实际执行之前，必须先期在地面进行全方位的综合验证之后，方可进行试验，地面验证阶段作为空间任务实施关键部分，能验证空间任务方案的合理性和技术可行性，为空间任务执行方案的在轨验证提供科学依据。而空间任务地面验证阶段成功与否在很大程度上取决于其采用的验证手段对任务完成的过程特征是否真实反映。概括地说，这些特征包括：空间任务的执行过程是在轨道运行的过程中完成的，空间任务的执行过程是在微重力环境中完成的，空间任务执行过程是一个多子系统协调优化与控制的过程等等。现有的验证空间任务的地面实验系统有(1)时间限制，难以获得长时间的持续失重效果；(2)空间限制，忽略绝对轨道运动，仅能进行部分子任务或子系统的试验验证，导致空间任务的整体试验验证非常困难；(3)部分已有的重力补偿方法对机电设备的防水、防气性能要求极高，且由于流体粘性和阻力的影响，也难以满足复杂任务机动性试验要求等，因而急需发展一种可靠性高、适应性强、易于实现和维护且时间空间不受限制的空间任务验证平台，以完成高保真的空间任务地面测试与验证工作。

针对空间任务实施方案地面验证阶段，国内外开展研制了基于不同验证手段的各类仪器系统，其研究内容主要集中在数学仿真、半物理仿真和物理仿真三个方向上,但都不能反映空间合作任务过程的全部特征，具体如下：

1)数学仿真手段无法真实的描述合作任务过程。

2)半物理仿真手段没有考虑微重力环境，同时只针对合作任务中的某一子系统或者特定功能进行验证，而每个子系统控制性能满意并不意味着综合集成的整体性能也满足要求。

3)物理仿真手段通过重力补偿模拟微重力环境，但是现有的补偿技术模拟的微重力环境下无法再现真实轨道运动，只能实现相对轨道运动，而且也只针对合作任务中某一子系统或特定功能进行验证。基于物理仿真手段避免了实物部件难以精确数学建模的困难，能够提前发现并解决实际空间运动中可能存在的问题，可以更加直观的在地面验证空间任务执行过程。目前我国用于各类执行空间任务飞行器验证的地面大型试验设备很少，都是面向任务设计的，可验证的任务种类单一，缺乏通用性；且无法真实验证空间合作任务的全过程，缺乏保真性。

技术实现要素：

本发明提出的空间任务可置换的自由基座运动再现跨尺度验证装置，既能为执行任务的航天器提供微重力运动环境，又能地面再现其真实轨道运动，从而验证空间任务的完整过程，解决上述关键问题弥补国内外研究现状中的不足。

本发明的技术方案：

空间任务可置换的自由基座运动再现跨尺度验证装置包括自由基座、坐标式机械臂、悬挂重力补偿系统与协调控制通讯系统，通过自由基座实现对执行任务的航天器轨道运动模拟，通过悬挂实现航天器的重力补偿，通过坐标式机械臂模拟任务执行过程中航天器的位姿调整、在轨服务等动作，从而完成执行空间任务的航天器的轨道与姿态的并行跨尺度验证。

所述自由基座包括基座车体、基座运动控制单元与基座传感定位单元，基座运动控制单元由基座伺服电机、基座驱动器和基座运动控制卡组成，基座传感定位单元由基座摄像头、基座光电编码器、基座数据采集卡和基座无线通讯卡组成；基座运动控制卡根据试验对象轨道运动所需的期望位置与速度，以及基座传感定位单元融合量测得到的自由基座运动状态反馈信息，通过基座驱动器控制基座伺服电机运转，使自由基座跟踪期望轨迹。

所述坐标式机械臂包括坐标模块、旋转模块与机械臂驱动控制单元，机械臂驱动控制单元由机械臂伺服电机、机械臂驱动器、机械臂控制卡构成，坐标模块由水平和竖向运动的三组线性模组构成，在机械臂驱动单元的控制下可带动试验对象模拟其在空间的运动，旋转模块由构成俯仰、偏航及滚转三个转动自由度的机构构成，在机械臂驱动单元的控制下可带动试验对象模拟其在空间的姿态调整运动。

所述悬挂重力补偿系统包括支撑架、无约束悬挂机构、缓冲测量单元、水平随动机构、竖向主动补偿机构及悬挂驱动控制单元，无约束悬挂机构由深沟球轴承及其固定架构成，可保证试验对象近似无约束的姿态调整运动，缓冲测量单元由缓冲机构、张力传感器、倾角传感器及万向节构成，竖向主动补偿机构通过齿轮齿条啮合进行传动，缓冲测量单元通过万向节与竖向主动补偿机构的齿条连接，悬挂驱动控制单元由悬挂伺服电机、悬挂驱动器与悬挂控制卡构成，当试验对象水平运动时，无约束悬挂机构带动缓冲结构相对竖向主动补偿机构摆动，倾角传感器实时测量缓冲机构与竖向主动补偿机构间的摆动角度，传递给悬挂控制卡，悬挂控制卡通过悬挂驱动器控制对应的悬挂伺服电机驱动水平随动机构运动，消除摆角，保证缓冲结构与竖向主动补偿机构始终处于同一直线上，当试验对象竖向运动时，张力传感器的数值发生变化传递给悬挂控制卡，悬挂控制器通过控制悬挂驱动器驱动对应的悬挂伺服电机带动主动补偿机构运动，确保试验对象处于微重力状态或空间任务要求的重力状态。

所述无约束悬挂机构可更换，本发明中给出了无约束悬挂机构一与无约束悬挂机构二，以在尽量减小附加质量的同时适应不同外形的试验对象。

所述协调控制通讯系统包括协调控制模块、数据通信模块、运行状态监测模块及实时显示模块，实现自由基座、坐标式机械臂及悬挂重力补偿系统三个系统多目标控制任务的信息传递、状态监测及系统间的协调优化。

根据上述的机械结构和控制系统，本发明提出的空间任务可置换的自由基座运动再现跨尺度验证装置的工作原理为试验对象固定在悬挂重力补偿系统的无约束悬挂机构上，悬挂重力补偿系统的倾角传感器与张力传感器实时测量悬挂点的运动信息，悬挂控制卡根据该运动信息控制水平方向上的悬挂伺服电机与竖直方向上的伺服电机实现悬挂点三维空间的跟随运动，提供试验对象执行空间任务是所处的重力环境，实现空间重力运动环境的再现。坐标式机械臂可驱动试验对象三自由度转动以及相对自由基座的三自由度平动，从而实现实验对象的位姿运动再现。基座传感定位单元通过滤波融合基座摄像头采集的图像信息与基座光电编码器为自由基座提供实时位置信息，基座运动控制单元通过基于试验对象的空间轨道动力学方程实时计算期望的轨道位置，利用跨尺度等效原理与相似理论计算出地面自由基座的期望位置，由该期望位置信息与测量处理得到的实际位置信息计算期望输入，驱使自由基座实现期望的相似运动，从而实现航天器的轨道运动再现。协调控制通讯系统通过整合数据通信模块的信息协调控制自由基座、坐标式机械臂及悬挂重力补偿系统的工作，从而全面再现航天器执行空间任务的整个过程。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)通过悬挂方式补偿试验对象的重力，可降低外界环境的干扰，提供高精度微重力环境；

(2)通过自由基座系统和重力补偿系统相结合实现实验航天器与微重力环境同步运动的方式，提供实验航天器不受时间和空间约束的微重力环境；

(3)可以完整的再现空间任务过程，可验证方案每个环节的执行情况，很大程度上提高空间任务地面再现的可信度。

(4)本发明可针对同一任务的不同方案进行验证，也可针对不同任务进行验证，不仅适用于单目标，也适合多目标任务的验证，具有很强的通用性

附图说明

图1为本发明装置的整体图。

图2为本发明装置的正视图。

图中标号：

1：自由基座；2：试验航天器；3：坐标式机械臂；4：悬挂重力补偿系统。

图3为自由基座。

图中标号：

11：基座车体；12：基座摄像头。

图4为坐标式机械臂。

图中标号：

31：坐标模块；32：旋转模块。

图5悬挂重力补偿系统。

图中标号：41：支撑架；42：无约束悬挂机构一；43：缓冲测量单元；44：水平随动机构；45：竖向主动补偿机构。

图6无约束悬挂机构。

图中标号：

5：试验卫星；46：无约束悬挂机构二

具体实施方式

结合图1与图2，本发明提出的装置包括自由基座1、坐标式机械臂3、悬挂重力补偿系统4与协调控制通讯系统构成，试验航天器2为本装置验证的对象。试验航天器2与悬挂重力补偿系统4及坐标式机械臂3连接，坐标式机械臂3与悬挂重力补偿系统4安装在自由基座1上，并可随之运动。

结合图3，基座摄像头12安装在自由基座1的基座车体11上，自由基座1的基座运动控制单元，基座传感定位单元的基座光电编码器、基座数据采集卡和基座无线通讯卡，坐标式机械臂的3机械臂驱动控制单元的机械臂驱动器、机械臂控制卡，悬挂重力补偿系统4的悬挂驱动控制单元悬挂驱动器、悬挂控制卡，及协调控制通讯系统的调控制模块、数据通信模块、运行状态监测模块安装于基座车体11的内部。

结合图4，坐标式机械臂3由坐标模块31和旋转模块32构成，旋转模块32安装在坐标轴模块31上，旋转模块32的末端执行法兰与试验航天器2连接。

结合图5与图6，悬挂重力补偿系统4由支撑架41、无约束悬挂机构一42或无约束悬挂机构二46、缓冲测量单元43、水平随动机构44、竖向主动补偿机构45与悬挂驱动控制单元构成，试验航天器2悬挂在无约束悬挂机构一42中，无约束悬挂机构一42与缓冲测量单元43一端连接，缓冲测量单元43另一端连接到安装在水平随动机构44上的竖向主动补偿机构45上，水平随动机构44与支撑架41连接。可根据试验对象的特点选择无约束悬挂结构一42或无约束悬挂结构二46。

以试验航天器2为例说明本装置的测试与验证步骤：

(1)将试验航天器2安装到悬挂重力补偿系统4上，a、调整试验航天器2的位置保证等效悬挂点与试验航天器2的质心重合；b、调整竖向主动补偿机构45的位置达到试验空间的最佳位置(根据需验证的空间任务确定)；

(2)将坐标式机械臂3与试验航天器2连接；

(3)确定验证任务对象的系统参数：a、航天器的轨道姿态动力学方程及任务初始状态，b、试验航天器2所受重力数值，c、试验航天器2的任务序列；

(4)开展测试与验证工作：a、上电启动所有系统，b、自由基座1在基座运动控制单元与基座传感定位单元作用下跟踪试验航天器2的标称轨迹，c、试验航天器2按任务序列实施轨道与姿态机动，d、坐标式机械臂3带动试验航天器2运动模拟试验航天器2执行任务时的位置及姿态调整运动，e、悬挂重力补偿系统4的悬挂点跟踪试验航天器2的三维空间运动，f、记录所有子系统的运行状态数据，为测试分析提供数据支持；

(5)结束试验，整理分析试验结果：a、关闭装置电源，卸下试验航天器2，b、根据任务过程中测量记录的信息，分析任务方案的可行性。