一种六自由度气浮台质心调节机构及调节方法

文档序号:9216705阅读:485来源:国知局
一种六自由度气浮台质心调节机构及调节方法
【技术领域】
[0001] 本发明提出一种六自由度气浮台质心调节机构及调节方法,属于空间飞行器地面 全物理仿真领域。
【背景技术】
[0002] 六自由度气浮台是现有月球弱撞击交会对接地面全物理仿真试验的核心设备,采 用等比方式模拟了轨道器的质量和惯量特性,具有三个转动自由度和三个平动自由度,为 了模拟空间的微重力环境,实现对六自由度气浮台质心调节是必须要解决的根本问题,质 心调节的精度也是制约空间微重力环境的精度的主要因素,极大的影响试验结果可靠性的 评估。

【发明内容】

[0003] 本发明技术方案解决的问题为:克服现有技术的不足,提出了一种六自由度气浮 台质心智能调节结构及调节方法,用于月球弱撞击交会对接地面全物理仿真试验中轨道器 和上升器模拟装置六自由度气浮台的质心调节,本发明首次提出了六自由度气浮台质心精 确调节方案。
[0004] 本发明采用的技术方案为:
[0005] -种六自由度气浮台质心调节机构,包括装在六自由度气浮台上的三组质心调节 机构和电机;所述六自由度气浮台的姿态平台包括两层,分别为负载下台面和负载上台面, 负载下台面和负载上台面之间通过支撑结构连接;质心调节机构包括螺杆和质量块;质量 块上有螺纹通孔,套在螺杆上且与螺杆匹配,螺杆的两端通过轴承分别固定在负载下台面 上和负载上台面上,电机安装在负载下台面上,驱动螺杆转动,从而使得质量块沿螺杆移 动。
[0006] 所述三组质心调节机构在六自由度气浮台的姿态平台上均匀分布,三组质心调节 机构在负载上台面上的三个连接点均匀分布在同一个圆周上,在负载下台面上的三个连接 点也均匀分布在同一个圆周上。
[0007] -种基于调节机构实现的六自由度气浮台质心调节方法,步骤如下:
[0008](1)确定六自由度气浮台质心调节机构的运动学模型为叫)=,其中,外)为 气浮台倾斜角度,K为刚度系数,r(t)为质量块行程,t为时间;
[0009] (2)通过公式s=e+&确定滑模面s,其中,c为增益系数,e为当前角度值h和标 定角度值x的偏差,且有e=x-h;当前角度值是指六自由度气浮台姿态平台的倾斜角实测 值;
[0010] ⑶对步骤⑵中得到的滑模面s=e+a进行求导,得到s = e+&;
[0011] (4)将步骤⑴中确定的运动学模型为吣)=D十)代入步骤(3)得到的公式 得到滑模控制器
[0013] (5)根据步骤(4)得到的滑模控制器,对质量块的移动行程进行控制,从而完成所 述六自由度气浮台的质心调节
[0014] 本发明与现有技术相比的有益效果是:
[0015] ⑴本发明技术方案采用三组质心调节机构对六自由度气浮台质心进行调节,每 组质心调节机构包括螺杆和质量块,通过电机驱动螺杆转动,从而带动质量沿螺杆移动,三 组质心调节机构均勾分布并安装在六自由度气浮台载物平台上,并且每组质心调节机构中 的质量块均能够上下移动。提高了气浮台质心调节的灵活性和快速性。
[0016] (2)本发明提供的六自由度气浮台质心精细自动调节方法,采用滑模变结构方法 对系统进行自动精细调节,这种思路为质心精细调节提供了清晰便捷可靠的途径。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明调节机构示意图;
[0018] 图2为本发明系统架构示意图;
【具体实施方式】
[0019] 如图1所示,本发明为了实现对六自由度气浮台的质心进行调节,设计了一个调 节机构,该调节机构包括装在六自由度气浮台1上的三组质心调节机构2和电机5 ;所述六 自由度气浮台1的姿态平台包括两层,分别为负载下台面和负载上台面,负载下台面和负 载上台面之间通过支撑结构连接;质心调节机构2包括螺杆3和质量块4 ;质量块4上有螺 纹通孔,套在螺杆3上且与螺杆3匹配,螺杆3的两端通过轴承分别固定在负载下台面上和 负载上台面上,电机5安装在负载下台面上,驱动螺杆3转动,从而使得质量块4沿螺杆3 移动。
[0020] 三组质心调节机构2在六自由度气浮台1的姿态平台上均匀分布,三组质心调节 机构2在负载上台面上的三个连接点均匀分布在同一个圆周上,在负载下台面上的三个连 接点也均匀分布在同一个圆周上。
[0021] 三组质心调节机构的工作原理是通过移动调节机构上的质量块相对气浮台转动 中心的相对位置关系,在重力作用下产生的力矩补偿气浮台质心相对气浮台转动中心的偏 移量在重力重用下所产生的不平衡力矩,从而保证对气浮台转动中心和质心的重合。
[0022] 如图2所示,基于上述调节机构,本发明还提供了一种六自由度气浮台质心调节 方法,步骤如下:
[0023] (1)确定六自由度气浮台质心调节机构的动力学模型为/?(/) =Kr(/),其中,h(t) 为气浮台倾斜角度,K为刚度系数,r(t)为质量块移动行程,t为时间;
[0024] (2)通过公式s=e+w确定滑模面s,其中,s为滑膜面,c为增益系数,e为当前角 度值h和标定角度值x的偏差,且有e=x-h;当前角度值是指六自由度气浮台姿态平台的 倾斜角实测值;
[0025] 本步骤所设计滑膜面从根本上来说就是为了保证控制系统的相轨迹能够在有限 的时间内到达滑模面,同时控制系统的滑模运动能够渐进稳定。将滑动的超平面s对时间t 进行微分可得,根据李雅普诺夫稳定性理论可知若当条件成立时,则系统最终将到 达并保持在滑动面S(x) = 0上。
[0026] 基于上述滑模存在条件,选取重力平衡伺服运动机构滑模变结构的切换函数为如 下形式:
[0027] s=e+ce (4)
[0028] (3)对步骤⑵中得到的滑模面s = e + ce进行求导,得到s = e +
[0029] (4)将步骤⑴中确定的运动学模型为〗_(/) = &⑴代入步骤(3)得到的公式 4 6 + &。由李雅普诺夫稳定性理论得出的s(x) = 〇时,表明其达到广义滑模条件,并不 能反映出运动是如何趋近于滑模面的。我们设计了指数趋近律来保证控制系统的动态性 能。
[0030] 该趋近律的状态点对于滑模面的趋近速度是成整数的规律运动的,随着运动的进 行,其趋近速度越来越快,趋近律如下式:
[0031] s= -a.v/g/; (.v) -(3s,a>0,/?>0 (5)
[0032] 其中a为比例系数,值取为〇. 5、0为比例系数,值取为0.5,sign( ?)为符号函 数,将步骤(1)中确定的运动学模型为= 代入步骤(3)得到的公式s= 可 以得到所设计的滑模控制器。
[0034] (5)根据步骤⑷得到的滑模控制器,对质量块的移动行程进行控制,从而完成所 述六自由度气浮台的质心调节。
[0035] 本发明技术方案采用三组质心调节机构对六自由度气浮台质心进行调节,每组质 心调节机构包括螺杆和质量块,通过电机驱动螺杆转动,从而带动质量沿螺杆移动,三组质 心调节机构均勾分布并安装在六自由度气浮台载物平台上,并且每组质心调节机构中的质 量块均能够上下移动。提高了气浮台质心调节的灵活性、快速性以及质心偏移量范围。采 用滑模变结构方法对系统进行自动精细调节,这种思路为质心精细调节提供了清晰便捷可 靠的途径,同时提高了六自由度气浮台质心调节的速度和精度,满足了月球弱撞击交会对 接地面全物理仿真试验对轨道器和上升器模拟装置动力学一致的要求。
【主权项】
1. 一种六自由度气浮台质屯、调节机构,其特征在于包括装在六自由度气浮台(1)上的 S组质屯、调节机构(2)和电机巧);所述六自由度气浮台(1)的姿态平台包括两层,分别为 负载下台面和负载上台面,负载下台面和负载上台面之间通过支撑结构连接;质屯、调节机 构(2)包括螺杆(3)和质量块(4);质量块(4)上有螺纹通孔,套在螺杆(3)上且与螺杆(3) 匹配,螺杆(3)的两端通过轴承分别固定在负载下台面上和负载上台面上,电机(5)安装在 负载下台面上,驱动螺杆(3)转动,从而使得质量块(4)沿螺杆(3)移动。2. 根据权利要求1所述的一种六自由度气浮台质屯、调节机构,其特征在于:所述=组 质屯、调节机构(2)在六自由度气浮台(1)的姿态平台上均匀分布,S组质屯、调节机构(2) 在负载上台面上的=个连接点均匀分布在同一个圆周上,在负载下台面上的=个连接点也 均匀分布在同一个圆周上。3. -种基于权利要求1调节机构实现的六自由度气浮台质屯、调节方法,其特征在于步 骤如下: (1) 确定六自由度气浮台质屯、调节机构的运动学模型为/咐= &<〇,其中,A'W为气浮 台倾斜角度,K为刚度系数,r(t)为质量块行程,t为时间; (2) 通过公式S=e+ce确定滑模面S,其中,C为增益系数,e为当前角度值h和标定角度 值X的偏差,且有e=x-h;当前角度值是指六自由度气浮台姿态平台的倾斜角实测值; 做对步骤似中得到的滑模面s= 进行求导,得到s= ^ + (4) 将步骤(1)中确定的运动学模型为/7(〇=&'(〇代入步骤做得到的公式^=6 +。^^, 得到滑模控制器(5) 根据步骤(4)得到的滑模控制器,对质量块的移动行程进行控制,从而完成所述六 自由度气浮台的质屯、调节。
【专利摘要】一种六自由度气浮台质心调节机构及调节方法,用于月球弱撞击交会对接地面全物理仿真试验中轨道器和上升器模拟装置六自由度气浮台的质心调节,本发明首次提出了六自由度气浮台质心精确调节方案,采用滑模变结构方法对系统进行自动精细调节,这种思路为质心精细调节提供了清晰便捷可靠的途径,同时提高了六自由度气浮台质心调节的速度和精度,满足了月球弱撞击交会对接地面全物理仿真试验对轨道器和上升器模拟装置动力学一致的要求。
【IPC分类】G05D3/12
【公开号】CN104932559
【申请号】CN201510319385
【发明人】刘磊, 唐强, 汤亮, 贾永, 牟小刚, 周扬
【申请人】北京控制工程研究所
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年6月11日
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