专利名称：一种用于评价微重力双轴回转器的方法
技术领域：
本发明涉及模拟生物微重力效应的双轴回转器，特别涉及一种用于评价微重力双轴回转器的方法。
背景技术：
随着航天事业的发展，太空中的微重力效应逐渐引起了科研人员的重视。生物、材料等物质在微重力环境下会显现出在重力环境中所不具备的一些独特特性，从而带动了相关领域的科技发展，其中生物学的微重力学效应更是微重力学研究的热点之一。但由于航天环境复杂、费用高昂，令许多实验无法开展，因此，利用地面实验装置进行微重力效应模拟成为了许多实验的首选。
在生物学失重效应的模拟当中，微重力回转器(Clinostat)是一种较好的模拟方法。与其它模拟方法相比，回转器具有模拟时间长、运转费用低、环境单一等特点，因此受到了研究者们的广泛欢迎。
回转器是利用了某些生物学实验中实验品对重力的变化有滞后效应(如某些生物细胞，植物的根、茎等)，在短时间内使实验品所受到的重力方向连续改变，就可以在这种实验品上等效的模拟出微重力环境下的生物学过程。回转器参数的设定对于微重力效应的模拟起着至关重要的作用。但由于可调节的运动参数较多，试验品在回转器中的运动和受力情况复杂，因此，不同的参数设置对试验品运动情况的影响如何，一直都是一个困扰研究人员的问题。
发明内容
本发明目的在于，为克服不同的参数设置对试验品运动情况的影响如何，提出了一种用于评价微重力双轴回转器的方法，并借助Matlab平台对不同的参数设置进行模拟。
为实现上述发明目的，本发明提出了一种用于评价微重力双轴回转器的方法，该双轴回转器由内、外环组成，内、外环分别独立围绕各自的轴进行360度旋转，物体固定在内环上随内环旋转，其特征在于，所述的用于评价微重力双轴回转器的方法包含如下步骤 11)对双轴回转器进行物理建模； 12)建立基座坐标系、内环坐标系和外环坐标系三个坐标系，如附图2所示，其中，基座坐标系为固定坐标系； 13)利用坐标系旋转的矢量特性，最终推导出物体的视重力加速度公式，该视重力加速度为重力加速度在内环坐标系下的投影，其值为内、外环旋转产生的加速度和重力加速度的矢量和； 14)根据微重力双轴回转器设置的参数，利用上述的视重力加速度公式评价该参数设置模拟微重力的效果，如果得到的视重力加速度能达到所有的旋转位置则该参数设置能模拟微重力效果，微重力双轴回转器能模拟微重力，否则参数设置不当，微重力双轴回转器不能模拟微重力。
所述的用于评价微重力双轴回转器的方法，其特征在于，所述的外环固定在基座上，内环固定在外环上。
所述的用于评价微重力双轴回转器的定方法，其特征在于，所述的外环-基座之间的方向余弦如下表
所述的内环-外环之间的方向余弦如下表
由此，所述的内环-基座之间的方向余弦如下表
所述的用于评价微重力双轴回转器的方法，其特征在于，步骤13)进一步包含 13-1)根据旋转坐标系下的变换原理得到外环与基座之间和内环与外环之间的方向余弦，并推导出内环与基座之间的方向余弦； 物体在坐标系中的位置公式为； r＝xi+yj+zk 所述的固定在内环坐标系下的物体有固定的内环坐标(Xi，Yi，Zi)； 所述的物体在基座标系下的相应位置为 物体在基座坐标系下绝对角速度沿着x、y和z坐标轴的分量分别为 13-2)重力加速度为基座坐标系下垂直于地面大小为g的加速度，公式为g＝-gkb 根据内环与基座之间的坐标余弦表，可知 Zbkb＝-sinθicosθoXiii+sinθoYiji+cosθicosθoZiki 将重力加速度g在内环坐标轴上的分量用
表示则 由以上三个公式得到重力加速度 13-4)坐标系以角速度ω进行旋转，则矢量G的导数最终表示为 根据动力学以及空间旋转坐标系性质上式最终表示为 13-5)将旋转物体的速度v带入上式，得 物体由于坐标系旋转产生的绝对加速度在内环坐标系下的分量为 根据物体的视加速度A由重力加速度g和坐标系旋转产生的加速度W在内环坐标系下的投影之和，公式为A＝g+W 其沿内环坐标系下各轴的分量为 所述的微重力双轴回转器参数设定方法，其特征在于，物体运动过程中的加速度包含内外环旋转产生的加速度和重力加速度。
所述的微重力双轴回转器参数设定方法，其特征在于，步骤12)所述的外环固定在基座上，内环固定在外环上；内环，及外环围绕各自的轴进行独立360度旋转。
在回转器实验中，物件固定于内环坐标系下，并随内外环旋转而运动。此时物件所感受的加速度称为“视加速度”，即为物件的相对于地面坐标系的绝对加速度在内环坐标系下的投影。
物件在运动过程中的加速度主要由2部分构成由于内外环旋转产生的加速度和重力加速度。因此，计算物件的视加速度即为旋转产生的加速度和重力加速度在内环坐标系下的投影。
参数定义 设内环和外环的参数分别用下标o和i来表示，上标0表示初始值。这样，参数定义即表1所示
双轴回转器经过旋转后，内外环与初始位置的夹角θ为 而角速度ω为 角速度的导数即为角加速度ξ为 另外，在本文的分析中，假设内外环的角加速度为常量，即 本发明的优点在于，提出了一些有助于判断微重力双轴回转器模拟微重力效应的参数指标，可以辅助使用回转器进行生物学微重力效应研究的科研人员进行回转器参数的设计，更准确的把握不同参数设置对微重力模拟的效果。
图1是内外环构成的双轴回转器； 图2是建立基座标系，内环坐标系以及外环坐标系； 图3是空间中单位矢量； 图4是Matlab仿真平台； 图5是当Xi＝Yi＝Zi＝0.1(m)，ωi＝ωo＝0.1(rad/s)时运行情况图； 图6是当Xi＝Yi＝Zi＝0.1(m)，ωi＝ωo＝1(rad/s)时运行情况图； 图7是当Xi＝Zi＝0.1(m)Yi＝0(m)，ωi＝0.1(rad/s)ωo＝1(rad/s)时运行情况图； 图8是当Xi＝Yi＝Zi＝0.1(m)，ωiωo随机时的运行情况图； 图9是Xi＝Zi＝0.1(m)Yi＝0(m)，ωiωo随机时的运行情况图； 图10是当Xi＝Zi＝0.01(m)Yi＝0(m)，ωiωo随机时的运行情况图； 图11是当Xi＝Zi＝0.01(m)Yi＝0.1(m)，ωiωo随机时的运行情况图； 图12是当Xi＝0.12(m)，Yi＝0.08(m)，Zi＝0.19(m)，ωi＝0.2(rpm)ωo＝0.2(rpm)定速旋转时的运行情况图； 图13是当Xi＝0.12(m)，Yi＝0.08(m)，Zi＝0.19(m)，ωi＝0.5(rpm)ωo＝0.5(rpm)定速旋转时的运行情况图； 图14是当Xi＝0.12(m)，Yi＝0.08(m)，Zi＝0.19(m)，ωi＝2(rpm)ωo＝2(rpm)定速旋转时的运行情况图； 图15是当Xi＝0.12(m)，Yi＝0.08(m)，Zi＝0.19(m)，ωiωo随机旋转时运行情况图。
具体实施例方式 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
1)建立坐标系并进行坐标变换 建立基座标系，外环坐标系和内环坐标系，如附图2所示； 设基座、外环和内环分别用下标b、o和i表示，根据旋转坐标系下的变换原理，如下表2列出了外环-基座之间方向余弦，；
如下表3内环-外环之间的方向余弦；
由此表2和表3可得表4，即内环-基座之间的方向余弦，如下
2)参数计算 2.1.1位置 如附图7所示，物件在坐标系中的位置可以定义为 r＝xi+yj+zk(4) 实际运行过程中，物件由于固定在内环坐标系下，因此有着固定的内环坐标(Xi；Yi；Zi)。根据表4，物件在绝对坐标系(基座坐标系)下的相应位置为 2.1.2角速度与角加速度 由于物体固定在内环坐标系下，因此内环坐标的运动参数即为物体的运动参数。因此，根据表2和表3，物体在基座坐标系下绝对角速度沿着x、y和z坐标轴的分量分别为 其导数为 2.1.3视重力加速度 视重力加速度为重力加速度在内环坐标系下的投影。重力加速度为基座坐标系下垂直于地面大小为g的加速度，即 g＝-gkb(8) 由附图6可知 Zbkb＝-sinθicosθoXiii+sinθoYiji+cosθicosθoZiki 将重力加速度g在内环坐标轴上的分量用
表示，则 对比式(8)、(9)和式(10)即可得 2.1.4旋转坐标系下的矢量导数 设某坐标系中有某矢量G，其可以表示为 G＝Gxi+Gyj+Gzk(12) 设此坐标系以角速度ω进行旋转，则该矢量G的导数dG/dt为 式中的第一项表示相对微商。
根据运动学，在空间旋转坐标系下有 因此在式(13)中的第二项即为 而由于 ＝(ωyGz-ωzGy)i+(ωzGx-ωxGz)j+(ωxGy-ωyGx)k 因此式(13)最终可以写为 2.1.5旋转视加速度 为求旋转物体的速度v，将式(4)代入(17)，得 为求物体的加速度a＝dv/dt，将v＝G代入式(17)，可得 由于物件固定于内环坐标系中，其相对速度和相对加速度都为0，即 设物件由于坐标系旋转而产生的绝对加速度为W 其在基座坐标系下沿各轴的分量为 则物件由于坐标系旋转而产生的绝对加速度在内环坐标系下的分量为 根据表4，物件的视加速度A由重力加速度g和坐标系旋转产生的的加速度W在内环坐标系下投影之和组成，即 A＝g+W 其沿内环坐标系下各轴的分量为 3)仿真 3.1仿真参数及各参数定义 通过设置位置参数及内、外环旋转角速度并借助Matlab仿真平台对得到的视重力加速度进行模拟，进而判断参数设置对微重力模拟的效果，其中仿真界面如附图4所示。
用户的参数输入部分和数值结果输出在界面的顶部，从左至右主要包括以下几个部分 位置指需要仿真的位置在内环坐标系下的坐标值； 角速度包括定值和随机两种模式。选择定值模式时，内外环可以选择一个固定的角速度进行仿真；选择随机模式时，在设定了最高角速度与角加速度之后，仿真程序将随机选择内外环的转速； 时间分别包括模拟时间的总长、模拟步长和分析窗长； 结果当用户点击“计算”按钮时，仿真系统将运行。包含最大加速度、最小加速度、1*10-3范围内加速度百分比和平滑速度周期。
软件界面的下部分是图形输出结果，主要包括以下几个部分 视加速度绝对值包括视加速度在绝对坐标系下的绝对值，以及沿着x、y和z坐标轴的分量的绝对值； 平均视加速度是指在分析窗长内视加速度矢量和的绝对值； 空间运行轨迹指按照步长所分析的，在绝对坐标系下的运行位置； 视加速度空间视图； 加速度分布； 3.2典型参数仿真结果 附图5显示了内外环转速均匀时的运行情况，由空间位置图可以看到其运行轨迹显示为空间环状，视加速度朝向整体偏重于向下。附图6显示了外环转速6倍于内环转速时的情况，其运行轨迹为球缺表面的线状轨迹，视加速度方向向各个方向发散。另外对比两个模拟结果可以看出，在重力1*10-3范围内加速度的百分比上，附图5为100％，附图10约为24.5％。
对比附图5和附图7可以看出，当设定参数Yi＝0(m)时，空间运行轨迹由球缺上的固定轨迹变成整个球面的固定轨迹。附图8将内外环的角速度设定为随机模式，由于坐标位置的关系，空间运行位置为球缺的整个表面。
附图9中为参数Yi＝0(m)时、角速度随机值的仿真结果，可以看出图中运行位置可以达到整个球的表面。附图10中的位置参数为附图9中的1/10，可以看到在重力1*10-3范围内加速度的百分比上，附图10约为99.3％，附图9约为48.4％。
3.3结果分析 附图12所示为安装在中国科学院空间科学与应用研究中心研制的回转器上的实验样品以及仿真结果。在附图12、附图13以及附图14所示分别为不同转速的定速旋转时的仿真结果和实验结果。根据仿真结果可以看出，由于进行的是定速旋转，视加速度不能达到所有的旋转位置，因此实验样品也没有出现微重力效应。而附图15所示为随机旋转时的仿真结果和实验结果。视加速度可以旋转至指向空间的所有位置，实验样品也出现了微重力效应。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种用于评价微重力双轴回转器的方法，该双轴回转器由内、外环组成，内、外环分别独立围绕各自的轴进行360度旋转，物体固定在内环上随内环旋转，其特征在于，所述的用于评价微重力双轴回转器的方法包含如下步骤
11)对双轴回转器进行物理建模；
12)建立基座坐标系、内环坐标系和外环坐标系三个坐标系，如附图2所示，其中，基座坐标系为固定坐标系；
13)利用坐标系旋转的矢量特性，最终推导出物体的视重力加速度公式，该视重力加速度为重力加速度在内环坐标系下的投影，其值为内、外环旋转产生的加速度和重力加速度的矢量和；
14)根据微重力双轴回转器设置的参数，利用上述的视重力加速度公式评价该参数设置模拟微重力的效果，如果得到的视重力加速度能达到所有的旋转位置则该参数设置能模拟微重力效果，微重力双轴回转器能模拟微重力，否则参数设置不当，微重力双轴回转器不能模拟微重力。
2.根据权利要求1所述的用于评价微重力双轴回转器的方法，其特征在于，所述的外环固定在基座上，内环固定在外环上。
3.根据权利要求1所述的用于评价微重力双轴回转器的定方法，其特征在于，所述的外环-基座之间的方向余弦如下表
所述的内环-外环之间的方向余弦如下表
由此，所述的内环-基座之间的方向余弦如下表
4.根据权利要求3所述的用于评价微重力双轴回转器的方法，其特征在于，步骤13)进一步包含
13-1)根据旋转坐标系下的变换原理得到外环与基座之间和内环与外环之间的方向余弦，并推导出内环与基座之间的方向余弦；
物体在坐标系中的位置公式为；
r＝xi+yj+zk
所述的固定在内环坐标系下的物体有固定的内环坐标(Xi，Yi，Zi)；
所述的物体在基座标系下的相应位置为
物体在基座坐标系下绝对角速度沿着x、y和z坐标轴的分量分别为
13-2)重力加速度为基座坐标系下垂直于地面大小为g的加速度，公式为g＝-gkb
根据内环与基座之间的坐标余弦表，可知
Zbkb＝-sinθicosθoXiii+sinθoYiji+cosθicosθoZiki
将重力加速度g在内环坐标轴上的分量用
表示则
由以上三个公式得到重力加速度
13-4)坐标系以角速度ω进行旋转，则矢量G的导数最终表示为
根据动力学以及空间旋转坐标系性质上式最终表示为
13-5)将旋转物体的速度v带入上式，得
物体由于坐标系旋转产生的绝对加速度在内环坐标系下的分量为
根据物体的视加速度A由重力加速度g和坐标系旋转产生的加速度W在内环坐标系下的投影之和，公式为A＝g+W
其沿内环坐标系下各轴的分量为
全文摘要
本发明涉及一种用于评价微重力双轴回转器的方法，该双轴回转器由内、外环组成，所述的用于评价微重力双轴回转器的方法包含如下步骤11)对双轴回转器进行物理建模；12)建立基座坐标系、内环坐标系和外环坐标系三个坐标系，如附图2所示，其中，基座坐标系为固定坐标系；13)利用坐标系旋转的矢量特性，最终推导出物体的视重力加速度公式，该视重力加速度为重力加速度在内环坐标系下的投影，其值为内、外环旋转产生的加速度和重力加速度的矢量和；14)根据微重力双轴回转器设置的参数，利用视重力加速度公式和仿真平台评价参数设置模拟微重力的效果，如果得到的视重力加速度能达到所有的旋转位置则该参数设置能模拟微重力效果。
文档编号G01M99/00GK101726426SQ20091024226
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月8日 优先权日2009年12月8日
发明者王迪, 蒋远大, 张志远, 王鲁锋, 李维宁, 翟光杰 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心