一种自适应悬挂重力补偿机构及方法与流程

本发明属于航天地面实验重力补偿领域，特别涉及一种自适应悬挂重力补偿机构及方法。

背景技术

航天器是航天活动的基础，当航天器离开地球后，将面临诸多不利因素，例如微重力、电磁辐射、微流星体和空间碎片等的影响，这其中影响力最为突出的就是重力。太空的重力场和地球的重力场存在一定的差异，这会对航天器的机械性能及控制性能带来很大的影响，对新的航天器地面测试设备提出了更高的要求。如果航天器不能满足所探测星球的重力场，将导致整个探测任务无法正常进行，甚至导致该航天器的损坏。所以必须在将航天器发射到其它星球表面前做好零重力或微重力的模拟试验。

重力补偿系统是通过被动平衡或主动控制提供拉力来抵消重力，模拟微重力环境的一种方法。不仅用于地面航空器的微重力实验测试，对宇航员的太空模拟训练也具有重要意义。地面微重力模拟是随着航天技术的不断发展而出现的新研究领域，相较于传统的理论评估和数字仿真，利用重力补偿装置进行微重力模拟所得到的试验数据更加真实、可靠，具有不可替代的优势。重力补偿系统的控制系统直接决定了补偿效果，进一步影响整个实验过程的成败。目前的重力补偿系统多是针对性的设计，缺乏通用性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种自适应悬挂重力补偿机构及方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种自适应悬挂重力补偿机构，包括底座、纵向支架、顶板、横向支架、电机、绳索和拉力传感器；纵向支架垂直固定设置在底座上，纵向支架的顶端固定设置有顶板，顶板平行于底座；若干个横向支架的一端平行于顶板固定在顶板上；每个横向支架的另一端伸出顶板且在端部固定设置有电机；电机的输出端连接绳索，绳索的中部设置有拉力传感器。

进一步的，顶板为圆盘状，横向支架沿顶板的径向设置，横向支架的个数为四，每两个横向支架相对设置，相邻的两个横向支架相互垂直。

进一步的，横向支架与纵向支架之间设置有斜支撑杆。

进一步的，电机的输出轴上设置有孔，绳索穿过孔固定设置；每个电机均连接到外接控制器和外接电源；电机控制绳索张力与重力的动态平衡以补偿重力。

进一步的，重力补偿对象设置在纵向支架周围，通过绳索与重力补偿对象连接。

进一步的，一种自适应悬挂重力补偿机构的控制方法，基于上述任意一项所述的一种自适应悬挂重力补偿机构，包括以下步骤：

步骤1，初始化w(0)为随机非零值，w为权值向量；

步骤2，计算y(n)＝w(n)x(n)，其中n为迭代序列，x(n)＝{x(n)，x(n-1)，……}为拉力传感器的实际测量值与理想值的偏差，y(n)表示系统状态的综合度量值；

步骤3，计算e(n)＝1/2(d(n)-y(n))2，其中，e表示系统误差，d表示理想值，d恒为零；

步骤4，判断e是否小于阈值θ，是，则重复步骤2-4；否，则执行步骤5；其中阈值θ是由可接受的最大的y值通过步骤3计算得到，θ取1；

步骤5，根据系统误差e对权值向量w进行迭代，w(n+1)＝w(n)+αx(n)e(n)，其中α是常数，表示学习速率；

步骤6，计算控制输入u(n+1)＝αx(n)e(n)，，控制信号u作为电机的输入信号，返回步骤2。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明所述的自适应悬挂重力补偿系统，采用自适应算法，一套设备可以通过权值w的迭代，逼近系统的真实模型，实现对多种对象的重力补偿。尤其可以用于复杂对象以及变化的复杂环境，极大地提高了重力补偿系统的通用性。

附图说明

图1为重力补偿系统示意图；

图2为加入补偿对象的综合示意图；

图1-图2中，1、横向支架，2、电机，3、绳索，4、拉力传感器，5、底座，6、纵向支架，7、顶板，8、斜支撑杆，9、重力补偿对象。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1和图2，一种自适应悬挂重力补偿机构，包括底座5、纵向支架6、顶板7、横向支架1、电机2、绳索3和拉力传感器4；纵向支架6垂直固定设置在底座5上，纵向支架6的顶端固定设置有顶板7，顶板7平行于底座5；若干个横向支架1的一端平行于顶板7固定在顶板7上；每个横向支架1的另一端伸出顶板7且在端部固定设置有电机2；电机2的输出端连接绳索3，绳索3的中部设置有拉力传感器4。

顶板7为圆盘状，横向支架1沿顶板7的径向设置，横向支架1的个数为四，每两个横向支架1相对设置，相邻的两个横向支架1相互垂直。

横向支架1与纵向支架6之间设置有斜支撑杆8。

电机2的输出轴上设置有孔，绳索3穿过孔固定设置；每个电机2均连接到外接控制器和外接电源；电机2控制绳索3张力与重力的动态平衡以补偿重力。

重力补偿对象9设置在纵向支架6周围，通过绳索3与重力补偿对象9连接。

一种自适应悬挂重力补偿机构的控制方法，基于上述任意一项所述的一种自适应悬挂重力补偿机构，包括以下步骤：

步骤1，初始化w(0)为随机非零值，w为权值向量；

步骤2，计算y(n)＝w(n)x(n)，其中n为迭代序列，x(n)＝{x(n)，x(n-1)，……}为拉力传感器的实际测量值与理想值的偏差，y(n)表示系统状态的综合度量值；

步骤3，计算e(n)＝1/2(d(n)-y(n))2，其中，e表示系统误差，d表示理想值，d恒为零；

步骤4，判断e是否小于阈值θ，是，则重复步骤2-4；否，则执行步骤5；其中阈值θ是由可接受的最大的y值通过步骤3计算得到，θ取1；

步骤5，根据系统误差e对权值向量w进行迭代，w(n+1)＝w(n)+αx(n)e(n)，其中α是常数，表示学习速率；

步骤6，计算控制输入u(n+1)＝αx(n)e(n)，，控制信号u作为电机的输入信号，返回步骤2。无条件返回，一直运行，直到系统断电。控制系统要伴随系统一直运行。

本发明的悬挂重力补偿系统，包括支架，直径2m，高2m，材料为45钢，含有四个伸出板，整体密度大，用于提供稳定的悬挂点。电机固定在支架的伸出板末端，采用42步进电机，体积小，成本低。电机轴上钻有小孔，通过小孔与绳索连接，电机可通过旋转收束绳索。绳索直径1mm，采用凯夫拉绳，弹性模量大，提高实验过程的稳定性。拉力传感器两端装有吊环，吊环连接绳索，拉力传感器整体连接在绳子中部，用于采集绳子的拉力作为度量及反馈信号。重力补偿对象通过多点与重力补偿系统连接。

如图2所示，系统运行过程中，拉力传感器测得绳索张力，发送给控制器。控制器通过自适应控制算法智能调整控制器参数，并对电机进行位移控制。电机旋转收束或者放松绳索改变绳索张力，使绳索张力与补偿对象的重力进行动态平衡，达到重力补偿的目的。

对于不同的补偿对象，系统可以根据输入输出数据，通过模型辨识算法，获得模型参数。并根据模型参数修改控制器的参数，使控制器适用于不同的控制对象，提高系统的通用性。

如图2所示的航空天线，是一个复杂柔性体结构，并伴随着实验过程中的复杂环境干扰。系统可以根据输入输出数据辨识模型误差，并进行修正，使系统可用于复杂对象的重力补偿。