一种磁悬浮演示航天器交会对接科教装置的制作方法

本发明属于教学演示装置技术领域，尤其涉及一种磁悬浮演示航天器交会对接科教装置。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：

我国载人航天“三步走”的发展战略，其中第二步关键技术就是突破空间飞行器的交会对接。神舟飞船与天宫目标飞行器已经完成多次交会对接任务，包括自动对接和手动对接。在科技人员精确控制下，神舟飞船经过多次变轨，以自主导引控制方式向天宫目标飞行器逐步靠近，最终完成对接任务。

磁悬浮技术起源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。1970年以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。1922年，德国赫尔曼·肯佩尔提出的电磁悬浮原理使得在过去三四十年来，磁悬浮技术无论是车辆性能还是运行控制技术，技术层面的多数难题都已经得到解决，研制的不少设备达到了最初设想的技术水平。

倒挂磁悬浮演示系统就是利用了超导的原理，传统的倒挂磁悬浮演示系统采用单超导模型，将超导块封在小车模型里，给超导块用液氮降温。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)由于航天器交会对接涉及到两个空间高速飞行器运动并最终变成一个组合体运动，现有技术不能再这种情况下构成组合体。其难度在于，首先模拟航天器在太空中绕地球飞行，本身很困难；更大的难度在于，航天器交会对接涉及两个航天器的相对运动，两个航天器都在做圆周运动，在运动的同时找准对接姿态和位置非常难以实现。

(2)常规磁悬浮物体运动都在一个线性维度或者在一个平面，不能反映真实太空中的空间关系；因此需要设计相关传动装置实现两个航天器在空间中姿态和位置的运动。

(3)演示航天器交会对接的过程不可控，如果不施加控制，两个航天器相对运动如果过慢，则相距越来越远；相对运动如果过快，这有相撞的危险；即使相对运动速度合适，但相对姿态不合适，在完成交会阶段后实现对接不能成功。

解决上述技术问题的难度：

(1)磁悬浮技术是指利用磁力克服重力使物体悬浮的一种技术，如何通过控制算法应用物理中电阻变大电流减小的原理，降低电机转速存在较大的难度。

(2)航天器交会对接涉及两个航天器飞行运动，如何通过磁悬浮让两个飞行的航天器模型完成相对运动，涉及多个电机复杂传动，需要设计相关机构完成这样的运动方式。

(3)相对位姿控制是航天器交会对接工程中的核心技术。尤其是在最后逼近段，两航天器间的相对位姿控制精确与否将直接影响对接过程的成败。两个航天器交会对接控制涉及两种模式：手动模式和自动模式。

解决上述技术问题的意义：

航天器安全对接的工作原理和复杂程度是普通大众无法理解的，为简化流程，普及航天知识，让更多的学生了解神舟飞船与天宫目标飞行器交会对接方式，同时增强演示对接过程中的趣味性和启发性。本发明这是一项融合了多学科的综合科技教育的设计方案。促使学生直观理解，在一种全新的环境中观察学习并能产生实践互动。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种磁悬浮演示航天器交会对接科教装置，解决物理空间和数学空间两个方面构建难题，达到清晰飞行演示和原理阐述的教学目标。

本发明是这样实现的，该磁悬浮演示航天器交会对接科教装置设置有：

2台用于提供动能的电机，两台电机通过传动装置将两根不同长度的轨道绕圆心做圆周运动；

2条电动推杆，所述电动推杆安装于所述电机的顶部，每条所述电动推杆通过传动装置与一个所述电机连接；以及

用于对所述电机进行转速和转向进行调节的磁悬浮装置，所述磁悬浮装置通过导线连接所述电机。

通过电动推杆控制较短轨道进行伸缩，模拟变轨操作。在电机的控制下，电动推杆缓慢的伸长和收缩。电动推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置，主要由电机、推杆和控制装置等机构组成。其工作原理：电动机经齿轮减速后，带动一对丝杆螺母。把电机的旋转运动变成直线运动，利用电动机正反转完成推杆动作。如通过各种杠杆、摇杆或连杆等机构可完成转动、摇动等复杂动作。通过改变杠杆力臂长度，可以增大或减小行程。

磁悬浮装置主要由磁铁，浮子，线圈和电路板组成，通过制作线圈和电路板，并设计了相关控制算法，通上电以后即可让浮子悬浮。磁力对悬浮物的控制，其基本原理是：霍尔传感器在浮子的正下方，当检测到浮子向左运动时，两边的线圈一个吸一个拉，把它推向右；反之如果浮子想右运动，那么两个线圈的电流都反向，总共两组共四个这样的线圈，就可以把浮子限制在二维平面之内了。但是线圈产生的力是比较小的，因此只能够推动浮子在水平面移动，要克服浮子的重力让它悬浮起来，就要在四个线圈下面再加一个大的环形磁铁提供斥力。所采用的霍尔传感器是一种测量磁场强度的元件，可以把通过它垂直面的磁力线强度转化为不同的电压值，这样本发明用电路读取之后就可以得到浮子的位置信息了。霍尔传感器的安装位置是测量通过其垂直面的磁力线，也就是浮子发出的磁力线，而本发明电磁线圈在调节的同时磁力线也在变，如果这个变化被霍尔感应到了结果就很不可靠了，所以霍尔的安装位置应该是位于四个线圈的中间高度，这里的磁力线刚好是与霍尔平行，不产生影响。为了让悬浮更加稳定，本发明采用了pid控制的平衡算法。

传动装置主要是电机通过传送带与小齿轮相连，做圆周运动，从而让两个电机的两个轨道做同圆点的圆周运动。

进一步，通过电机调速板手动控制电机的转速，从而让神舟飞船模型变轨后慢慢降低速度逐渐追上天宫一号模型后与天宫一号模型保持同速做圆周运动。调速器是一种自动调节装置，用于减小某些机器非周期性速度波动的自动调节装置。可使机器转速保持定值或接近设定值。该us425-02调速控制器的特点：1.具有瞬时转换正转，逆转功能。因采用平衡绕线方式，并内装简易制动机构，能正转，反转，其正反旋转特性同样均匀且稳定运载额定式30分钟额定。感应马达和可逆式马达的不同点；2.可逆式是能瞬时转换正、反转，但感应式马达将接线转换到反转，会发生旋转磁场和逆方向的转矩，故不能旋转负载时转换逆方向。

进一步，制作一个半球，模拟宇宙星空，将所有的机械部分放在半球内；

每个磁悬浮装置具有一定的重量，所以采用杠杆原理，给每个轨道右侧增加一个配重，从而使装置保持平衡状态；

在电机的控制下，电动推杆缓慢的伸长和收缩；

通过调速器控制电机的转速完成航天器模型物理空间中交会对接操作。

交会对接中追踪航天器和目标航天器均为三轴稳定航天器，基于交会对接的背景，主要讨论三轴稳定航天器的姿态控制。轨道控制因为其作用时间一般不长，而且航天器摄动力和控制力相比非常小，因而一般只考虑两体作用力和控制力。

建立在姿态动力学模型和控制方程基础上，针对三轴稳定航天器的姿态控制系统和轨道推进系统的控制律进行初步设计，研究姿态控制系统的相平面控制律和轨道控制系统的比例微分控制律。

在最终逼近段，追踪航天器一般沿视线以准直线轨迹逼近目标航天器，根据飞行轨迹安全性，相对导航视场角，以及捕获与对接的技术要求，实施相对位置和姿态自主控制。相对位姿及其变化率由相对导航系统获得，计算机视觉系统是相对位姿确定的常用手段。

一般情况下，目标航天器是合作航天器，相对惯性坐标系或hill坐标系(目标航天器轨道坐标系)保持姿态稳定。作用在目标航天器的控制力矩只是用来稳定自身的姿态，为最终平移段的接近创造条件，不直接参与交会对接相对位姿机动；而追踪航天器以目标航天器姿态为目标姿态(期望姿态)，依据相对姿态反馈进行姿态控制，实际上含有对目标航天器姿态定向偏差的补偿。

目标航天器姿态稳定精度对相对姿态控制算法有重要影响：如果目标航天器的姿态稳定精度很高，则相对姿态控制可简化为追踪航天器绝对姿态控制，只需应用追踪航天器星上惯性测量仪器(陀螺仪)；如果目标航天器姿态稳定精度不是足够高，则相对状态测量系统与追踪航天器星上惯性测量器件均是必不可少的；若目标航天器姿态稳定精度较低，将给追踪航天器相对姿态控制带来较大困难。

轨道控制的作用使追踪航天器沿着我们设计的轨道(标称轨道)运行。由计算机视觉系统测量得到的数据估计出交会航天器的实际状态，当追踪航天器的实际状态和标称轨道的偏差超出容许的范围时，就要由星载控制系统对追踪航天器实施控制，使追踪航天器在标称轨道上运行。追踪航天器在运行过程中会由于受各种因素的影响(如摄动力)而逐渐偏离标称轨道，因而追踪航天器轨道控制和轨道确定是反复进行的过程。

提出相对位置控制方法：由于初始运动状态与制导机动加速度的偏差，致使实际运动轨迹偏离标称轨迹。通过实施控制机动，使实际轨迹保持在设定的控制范围内。控制机动用于清除初始状态偏差，抵消制导机动加速度偏差的影响。

通过相对位置控制方法完成航天器动力学数学空间中交会对接操作。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

运用了磁悬浮技术、杠杆原理、传动原理、数学建模、物理电路和力学技术、计算机仿真技术，是一项综合科技教育制作作品。制作中对航天器交会对接理论知识进行了较为深入的研究，精心选择的对接呈现方式很好地反映了航天器交会对接的姿态和轨迹。

符合探究性学习原则。此演示模型可以在中小学生中开展拆分、组装、电路焊接、电路设计与实验等一系列研究活动。在模拟演示教具的研究过程中，必然会启发和锻炼学生的创新能力。为了能够再现神舟飞船与天宫一号模型对接过程中，成功模拟航天器在太空中对接的变轨、调姿等现象，模型教具的捕获、缓冲、拉近和锁紧这几个步骤就尤为关键，由于整个模拟过程是手动调整完成，这就要求学生一定要学习相关的航天、物理和计算机知识，还要动手设计和组装教具，创造性发现和解决问题的能力、创新实践能力和小组合作探究能力可以得到很大提高。

本发明研制完成后，已经在青少年航天科普实践教育教学活动中多次使用，具有直观性、可操作性强的特点，有利于学生学习航天科普相关内容，提高学生科学探索的兴趣，效果良好。对其他未来拓展内容和具有重要参考价值，具有很强的实用性。

项目研制之后，在多次运行测试的过程中发现，人为通过手动调节调速器旋钮的方式改变对接电机转速是一个比较不好把控的操作。

项目经过两个学期教学和市级和国家级比赛实践，对装置进行了完善：1.通过plc编程，添加控制模块和距离感应装置，将之前通过手动调节减速器的方式改成自动对接方式。2.在神舟飞船上面加装摄像头，在对接的过程中采集实时画面并反馈到pc或手机系统中，用于辅助完成对接任务，增加遥操作科学性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的磁悬浮演示航天器交会对接科教装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的磁悬浮演示航天器交会对接科教装置演示流程图；

图3是本发明实施例提供的cad结构图；

图4是本发明实施例提供的电路仿真图；

图5是本发明实施例提供的数学模型惯性坐标系图；

图6是本发明实施例提供的相对位置控制方法图；

图7是本发明实施例提供的相对位置随时间变化图。

图中：1、电机；2、传动装置；3、电动推杆；4、磁悬浮装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由于航天器交会对接涉及到两个空间高速飞行器运动并最终变成一个组合体运动，现有技术不能再这种情况下构成组合体；演示航天器都在一个线性维度或者在一个平面，不能反映真实太空中的空间关系；演示航天器交会对接的过程不可控。

为解决上述问题，下面结合附图1至附图7对本发明作详细描述。

本发明实施例提供的两台电机1通过传动装置2将两根不同长度的轨道杆绕圆心做圆周运动。电机1与轴之间转动，有直接传动和间接传动两种方式：直接传动就是用联轴器或者齿轮，带动电机1转动；间接传动就是皮带，离合器带动电机1转动。这里是采用皮带进行间接传动。

通过第三台电机1控制较短轨道进行伸缩，模拟变轨操作。

利用磁悬浮的原理，将磁铁固定在轨道上，神舟飞船和天宫一号模型通过浮子悬浮在磁铁之上。

通过电机1调速板手动控制电机1的转速，从而让飞船变轨后慢慢降低速度逐渐追上天宫一号模型后与天宫一号模型保持同速做圆周运动。控制电机1的转速，可以使用调压、变频的方式。现在普遍使用的是变频方式，通过变频器改变电机1的运行频率而改变电机1的转速。变频器的频率是可以随意设定的，不同的输出频率电机1会有不同的转速。

磁悬浮装置4主要由磁铁，浮子，线圈和电路板组成。通过制作特定线圈和电路板，通上电以后即可让浮子悬浮。磁力对悬浮物的控制，其基本原理是：霍尔传感器在浮子的正下方，当检测到浮子向左运动时，两边的线圈一个吸一个拉，把它推向右；反之如果浮子想右运动，那么两个线圈的电流都反向，总共两组共四个这样的线圈，就可以把浮子限制在二维平面之内了。但是线圈产生的力是比较小的，因此只能够推动浮子在水平面移动，要克服浮子的重力让它悬浮起来，就要在四个线圈下面再加一个大的环形磁铁提供斥力。所采用的霍尔传感器是一种测量磁场强度的元件，可以把通过它垂直面的磁力线强度转化为不同的电压值，这样本发明用电路读取之后就可以得到浮子的位置信息了。霍尔传感器的安装位置是测量通过其垂直面的磁力线，也就是浮子发出的磁力线，而本发明电磁线圈在调节的同时磁力线也在变，如果这个变化被霍尔感应到了结果就很不可靠了，所以霍尔的安装位置应该是位于四个线圈的中间高度，这里的磁力线刚好是与霍尔平行，不产生影响。为了让悬浮更加稳定，本发明采用了pid控制的平衡算法。

传动装置2主要是电机1通过传送带与小齿轮相连，做圆周运动。从而让两个电机1的两个轨道做同圆点的圆周运动。每个电机1都直接与一个大齿轮相连，推杆固定在与大齿轮同轴不同步的端面上，推杆另一端固定小齿轮，大齿轮与小齿轮通过皮带相连。电机1转动带动大齿轮转动，进而通过皮带带动小齿轮转动，与之固连的推杆则以电机1的轴为中心进行转动。

制作一个半球，模拟宇宙星空，将所有的机械部分放在半球内。

每个磁悬浮装置4具有一定的重量，所以采用杠杆原理，给每个轨道右侧增加一个配重，从而使装置保持平衡状态。

因为一根轨道需要伸缩，所以通过电动推杆3实现该功能。在电机1的控制下，电动推杆3缓慢的伸长和收缩。

通过调速器控制电机1的转速完成对接操作。

磁悬浮装置4通过线圈和磁铁在通电的条件下产生强磁场，将浮子悬浮从而托起神舟飞船和天宫一号模型。

调速器控制电机1转速，控制神舟飞船与天宫一号模型做圆周运动的速率。

通过plc编程，添加控制模块和距离感应装置，将之前通过手动调节减速器的方式改成自动对接方式。

在神舟飞船上面加装摄像头，在对接的过程中采集实时画面并反馈到pc或手机系统中，用于辅助完成对接任务，增加趣味性。

交会航天器之间的相对状态包括相对位置、速度以及相对姿态和姿态角速度。模型重点建立交会航天器相对运动的数学模型，并基于该模型进行控制，最后设计完成该交会对接的数学仿真。

建立数学模型坐标系，x和z轴在目标航天器轨道平面。在开始时刻z轴从目标航天器质心指向地心，与轨道向径方向重合，x轴在开始时刻指向某处基准方向，y轴垂直于x轴或z轴，构成右手坐标系。该坐标系设定后，三根坐标轴的指向在惯性空间是不变的。

经过推导，可获得控制方程的一般形式，即

式中：可视为干扰项。

由于初始运动状态与制导机动加速度的偏差，致使实际运动轨迹偏离标称轨迹。因此，必须实施控制机动，使实际轨迹保持在设定的控制范围内。控制机动用于清除初始状态偏差，抵消制导机动加速度偏差的影响。

下面结合仿真实验对本发明做进一步描述。

仿真结果表明，在50s内可以将相对位置偏差降到0.01m内。因此，比例微分(pd)控制律对于航天器相对位置控制能有较好的应用，而且实例中选取的控制参数也是比较合理的。该模型理论与实践均相互印证，是结合科学与工程，以及数学、电学和力学等多学科交叉的综合启发式科学仪器教具。

通过plc编程，添加控制模块和距离感应装置，将之前通过手动调节减速器的方式改成自动对接方式。在神舟飞船上面加装摄像头，在对接的过程中采集实时画面并反馈到计算机或手机屏幕中，用于辅助完成对接任务，增加科学性与直观性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。