一种六自由度空间微重力模拟装置及控制方法

1.本发明是一种仿真技术，涉及气浮台与滚珠丝杠结合的微重力模拟系统，以及z轴方向上的微重力模拟控制方法，属于微重力模拟控制领域。


背景技术：

2.为了确保航天设备在轨飞行中的安全性和可靠性，因此在航天设备的研制和测试阶段需要在地面上进行充分的模拟试验，开发低成本高灵活性的全物理地面微重力模拟系统对于航天技术的发展具有十分重要的意义。随着航天事业的繁荣发展，针对空间微重力模拟系统在航天技术发展中的重要作用。本发明提供了一种先进可靠的，基于二维气浮平台、三维气浮转台、气缸、滚珠丝杠相结合的六自由度空间微重力模拟装置，以及z 轴方向上的有效控制方法。
3.空间微重力地面模拟试验的方法经过短短几十年的发展取得了较快的发展，相继出现落塔法、悬吊法、水浮法、气浮法等。落塔法就是通过在微重力塔中执行自由落体运动，物体在作自由落体运动时可以获得很好的微重力状态；抛物飞行法是一种利用抛物线机动飞行来创造微重力和低重力环境的方法；水浮法就是利用水的浮力来抵消空间飞行器重力，利用调整装置来调整漂浮器的浮力，通过使试验目标所受向上的水浮力与向下的重力平衡，进而产生随机平衡漂浮状态的一种微重力模拟方法；悬吊法的主要原理为通过绳索机构及滑轮组，并利用配重来抵消飞行器自身的重力；气悬浮法的主要是通过平面止推气浮轴承，将由气泵经配气箱分压后的气体，经平面止推气浮轴承喷出，利用气体压力，由气膜浮起试验目标飞行器，并通过改变节流孔的润滑气体压力，达到抵消自身重力和载荷的作用，是一种精度很高的微重力模拟方法，也是目前应用最广的方法之一。
4.《磁气悬吊微重力模拟系统动力学研究》：提出了一种新型的磁气悬吊微重力模拟装置，由磁悬浮钢板、磁悬浮气足和吊绳三部分组成。通过柔性绳索连接机械臂和磁悬浮气足，磁悬浮气足在钢板上被动跟随机械臂运动，减小微重力模拟装置对机械臂的影响。对机械臂系统的动力学特性影响较小，对改善空间机械臂的运动平稳特性和末端定位精度有重要意义。
5.《基于悬吊法和气浮法的多自由度微重力模拟展开试验系统研究》：设计了一种基于悬吊法和气浮法的多自由度微重力模拟展开试验系统，通过结构设计和原理分析结果表明，该三维空间展开机械臂展开过程稳定可靠，且微重力模拟展开试验系统对机械臂产生的气浮运动摩擦阻力、垂直方向阻力波动量和展开方向附加阻力均很小，卸载效率高于95％，具有高精度、高卸载效率等特点。
6.《微重力落塔精密三自由度电磁释放控制系统》：落塔的工作原理是从一定高度释放舱体，舱体做自由落体或竖直上抛运动，舱体内部物体相对舱体处于失重状态，形成微重力环境。该文提出一种新的释放方式，即使用电磁力有效减小释放过程对载荷舱的初始干扰，并使用pid反馈控制优化设计释放策略。
7.现有技术的缺点及本技术要解决的技术问题
8.《磁气悬吊微重力模拟系统动力学研究》一文基于气悬浮气足的吸附特性和通气低阻尼特性提出一种磁气悬吊微重力模拟装置，该装置降低了与飞行器之间的动力学耦合，系统结构简单易实现。但只能实现三维模拟，且z轴方向使用吊丝悬吊，吊丝与滑轮之间的摩擦以及吊丝颤振导致系统微重力模拟精度较差。
9.《基于悬吊法和气浮法的多自由度微重力模拟展开试验系统研究》一文结合悬吊法和气浮法，设计了一种适用于三维空进展开机械臂的多自由度微重力模拟展开试验系统。同样地，只能实现三自由度微重力模拟，而且由于悬吊系统特点原因，导致被模拟对象的运动范围受到限制。
10.《微重力落塔精密三自由度电磁释放控制系统》一文以落塔法为微重力模拟手段，其微重力水平与释放舱体时的动力学条件密切相关。本文基于电磁力快速可控的特点提出一种三自由度的快速悬浮微重力模拟控制系统，采用的pid控制方法，对被控系统建模精确性提出较高要求，系统鲁棒性较低，控制精度不够。
11.与上述模拟方法相比，本技术提出了一种气浮平台、滚珠丝杠、三轴气浮转台结合的微重力模拟方法，能够进行六自由度模拟，有效扩大了被模拟对象的运动范围，降低工程实现成本。同时提出z轴方向上基于神经网络的终端滑模变结构控制，使控制系统鲁棒性强、收敛速度快、控制精度高。


技术实现要素：

12.本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种六自由度空间微重力模拟装置及控制方法。
13.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
14.一种六自由度空间微重力模拟装置及控制方法，所述六自由度空间微重力模拟装置及控制方法包括
15.本发明一种六自由度空间微重力模拟装置及控制方法，二维气浮平台由四个水平气足支撑，四个水平气足以正方形配置刚性安装在二维气浮平台上，四个风扇推进器以正方形配置固定在二维气浮平台的下部；
16.二维气浮平台的左侧上垂直固定有气缸，气缸活塞的顶部固定有气缸拉压力传感器，二维气浮平台的右侧垂直固定有滚珠丝杠，滚珠丝杠外侧的丝杠螺母与滚柱丝杠拉压力传感器连接，气缸拉压力传感器和滚柱丝杠拉压力传感器固定在连接平面的底部，连接平面上的中心固定哑铃式三轴气浮转台，哑铃式三轴气浮转台上固定有被模拟对象，二维气浮平台上气缸和滚珠丝杠之间设置有控制模块，控制模块通过控制信号线与气缸和滚珠丝杠连接，控制模块通过传感器信号线与气缸拉压力传感器和滚柱丝杠拉压力传感器连接。
17.本发明一种六自由度空间微重力模拟装置，所述四个水平气足由四个串联的气罐中的压缩空气提供动力，气罐以气浮平台为对称平面对称地安装在气足对应的气浮平台上面，四个气罐分别连接到四个气足致动器，使二维气浮平台围绕其平面旋转轴对称。
18.本发明一种六自由度空间微重力模拟装置，所述气缸采用具有活塞的低摩擦气缸，六自由度空间微重力模拟装置还包括气压传感器、活塞位移传感器、电源、无线传输模块、台上工控机、比例电磁阀、充气管道、气瓶和电源线，当台下监控计算机给出控制指令
时，台上无线传输模块通过指令信号线将控制指令传输给台上工控机，台上工控机利用活塞位移传感器和位于充气管道与气缸接口处的气压传感器，通过控制板卡输出控制指令电压信号给比例电磁阀；
19.比例电磁阀采用5/3通气比例电磁阀，比例电磁阀的输出端连接气缸的两个气腔，输入端通过充气管道连接气瓶，放气端通往外部与大气压等压。
20.本发明一种六自由度空间微重力模拟装置，所述六自由度空间微重力模拟装置还包括电机、联轴器、支撑轴承和轴承，电机通过联轴器和轴承与滚珠丝杠连接，放置于滚珠丝杠和丝杠螺母间的滚动体作为中间传动体，借助滚动体在丝杠滚道与螺母滚道间循环往复的螺旋运动，实现将滚珠丝杠的旋转运动转化为丝杠螺母的轴向运动，丝杠螺母与连接平面下的滚珠丝杠拉压力传感器连接。
21.本发明一种六自由度空间微重力模拟装置，所述六自由度微重力控制方法具体步骤为：
22.步骤一：使气缸拉压力传感器和滚珠丝杠拉压力传感器的测量值等于被模拟对象、三轴气浮转台和连接平面的重力值；
23.步骤二：对于低摩擦气缸的推力输出使用恒值估计，设置其输出推力恒为试验目标的重力估计值；
24.步骤三：滚珠丝杠的推力控制采用基于rbf神经网络的终端滑模变结构控制：
25.对被控对象电机滚珠丝杠进行建模，可以得到被控对象的抽象数学模型为：
[0026][0027]
式中x、分别为试验目标的位移、运动速度、运动加速度，为系统精确建模部分，u为控制输入，d为扰动和未建模部分；
[0028]
控制模块输出用于精确控制电机的电流环输出i，即直接控制电机的力矩输出，从而精确控制滚珠丝杠输出的推力f，电机的动态方程如下：
[0029][0030]
其中，ua为电机的电源电压，ia为电枢电流，ea为线圈中产生的感应电动势，w为电机转速，t
em
为电机的电磁转矩，td为电磁转矩的不确定性扰动，ra为电枢绕组，j为电机的转动惯量，la、ke、k
t
、b为电机模型的相关系数；
[0031]
基于电机滚珠丝杠运动学和力学方程，根据被模拟对象位移、速度、加速度与滚珠丝杠所提供推力及电机输出力矩间的数学关系，得到滚珠丝杠输出推力f与电机电流环输出i的抽象数学模型为：
[0032][0033]
其中，i为电机电流环输出，分别为电流环电流输出的二阶导和一阶导，f为滚珠丝杠输出的推力，为与i、有关的数学关系，d(i,t)为不确定性干扰；
[0034]
将上述数学模型改写为状态方程形式：
[0035][0036]
其中，x1、x2为被控系统的两个状态变量，是两状态变量的一阶导，g(x)是与x1、x2有关的数学关系，f为滚珠丝杠输出推力，d(x,t)作为扰动和未建模部分；
[0037]
使用非奇异终端滑模变结构控制算法，设计滑模面为：
[0038][0039]
式中x1为实际值与设定值的偏差，x2为偏差的导数，β》0，p、q(p＞q)为正奇数；
[0040]
神经网络的输入为控制器输出和被控对象输出，根据网络权值的自适应律得到实际网络权值，rbf选择高斯基函数，网络的输出为d(x,t)逼近值，与设定值、偏差值、偏差的导数一起计算得到控制器输出；
[0041]
步骤四：系统的控制误差由气缸和滚珠丝杠两部分并联组成，相互耦合，采用交叉耦合方法对并联系统进行调节；系统总误差e经过比例配置器，按照一定比例分配给气缸进行响应调节，同时为气缸的设定值设置响应阈值；气缸无法补偿部分由滚珠丝杠进行最后补偿。
[0042]
本发明一种六自由度空间微重力模拟装置及控制方法，与现有微重力模拟装置相比，该系统采用滚珠丝杠和低摩擦气缸协同的交叉耦合作用进行垂直方向微重力模拟，使用哑铃式三轴气浮转台进行空间微重力模拟，神经网络与终端滑模变结构控制结合进行智能控制，提高了系统的控制精度及鲁棒性、拓展了模拟系统的运动范围和被模拟对象的运动姿态。
附图说明
[0043]
图1为本发明一种六自由度空间微重力模拟装置示意图。
[0044]
图2为本发明一种六自由度空间微重力模拟装置中气浮平台气足和推进器结构图。
[0045]
图3为本发明一种六自由度空间微重力模拟装置中低摩擦气缸示意图。
[0046]
图4为本发明一种六自由度空间微重力模拟装置中滚珠丝杠示意图。
[0047]
图5为本发明一种六自由度空间微重力控制方法中微重力模拟系统垂直方向控制框图。
[0048]
图6为本发明一种六自由度空间微重力控制方法中滚珠丝杠的控制结构框图。
[0049]
图7为本发明一种六自由度空间微重力控制方法中并联系统交叉耦合控制框图。
[0050]
图8为本发明一种六自由度空间微重力模拟装置中气浮平台气足和气罐结构图。
[0051]
图中附图标记有：1丝杠螺母、2水平气足、3二维气浮平台、4气缸、5气缸活塞、6 滚珠丝杠、7气缸拉压力传感器、8连接平面、9哑铃式三轴气浮转台、10被模拟对象、11 传感器信号线、12控制信号线、13控制模块、14滚珠丝杠拉压力传感器、17风扇推进器、18气压传感器、19活塞位移传感器、20电源、21无线传输模块、22台上工控机、23 比例电磁阀、24充气管道、25气瓶、26电源线、28轴承、31轴承、32联轴器、33电机。
具体实施方式
[0052]
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
[0053]
实施例一：如图1-4和8所示，本实施例所涉及的一种六自由度空间微重力模拟装置，该六自由度微重力模拟装置主要由二维气浮平台、气缸、拉压力传感器、滚珠丝杠、哑铃式三轴气浮转台、控制模块、被模拟对象组成，如图1所示。
[0054]
该模拟装置由四个水平气足支撑一个二维的平面气浮平台，该平面运动台用作移动基座，物理上作为整个模拟装置的下部，其余的系统及子系统均置于这个基础平台上，整个模拟系统位于水平平面上，可以漂浮在花岗岩表面的一层薄薄空气上，四个水平气足以正方形配置刚性安装在基础平台上，由四个串联的气罐中的压缩空气提供动力，为模拟装置提供近乎无摩擦的水平平滑运动，实现水平方向上的重力平衡。气罐固定并连接到四个气足致动器中的每一个，使模拟平台主体围绕其平面旋转轴对称，并有助于由于恒定的空气排放而实现质量均匀分布。该装置的水平平移运动通过四个风扇推进器实现，以正方形配置固定在基础平台的下部，如图2所示。这四个风扇推进器使模拟装置能够在类似花岗岩表面这样的水平平面上实现二维平面线性移动，这里可通过简单的控制装置独立控制模拟装置的平面平移。
[0055]
为使本装置适用于模拟重力较大的被模拟对象的微重力状态，单独使用电机滚珠丝杠则需要比较大的电机功率和减速比，势必降低力矩的控制精度，而单独使用低摩擦气缸时，由于气压具有压缩性，气动系统的刚度比较差，响应速度比较慢，当被模拟对象运动频率过高，会导致整个系统的动态性能变差，微重力模拟控制的实时性无法满足要求，稳态性能也会受到影响，甚至引起“抖振”现象，因此使用低摩擦气缸平衡被模拟对象垂直方向上的大部分重力，而滚珠丝杠用于精确平衡垂直方向上剩余重力。
[0056]
垂直方向上主平衡装置是具有活塞的低摩擦气缸，为被模拟对象提供一个约等于其重力的恒定垂向作用力，用来抵消被模拟对象的大部分重力。当台下监控计算机给出控制指令时，台上无线传输模块通过指令信号线将控制指令传输给台上工控机，台上工控机利用活塞位移传感器和位于充气管道与气缸接口处可测量代表气缸内气腔压强的气压传感器以及所涉及的控制器，通过控制板卡输出控制指令电压信号给比例电磁阀。在该部分，比例电磁阀具有极其重要的作用，可选择采用5/3通气比例电磁阀，该阀输出端连接气缸的两个气腔，输入端连接气瓶，放气端通往外部与大气压等压。比例电磁阀通过阀内阀芯的移动控制气缸气腔内气流量进而控制气腔内的压强，最终达到输出垂向恒力的目的，其结构如图3所示。
[0057]
垂直方向上辅平衡装置是电机滚珠丝杠进给系统，为被模拟对象提供一个垂向作用力，在数值上等于气缸未平衡掉的重力，用来与气缸共同协作从而精确地抵消被模拟对象的重力，实现垂直方向上重力的高精度平衡。滚珠丝杠进给系统将电机的旋转运动转化为工作台的直线运动，其结构包括电机、联轴器、滚珠丝杠、螺母、支撑轴承、导轨、工作台等，如图4所示。该系统将放置于滚珠丝杠和螺母间的滚动体作为中间传动体，借助滚动体在丝杠滚道与螺母滚道间循环往复的螺旋运动，实现将丝杠的旋转运动转化为螺母的轴向运动。在本模拟装置中，采用直流伺服电机来精确输出力矩，通过螺母丝杆系统来传递推力，从而达到精确平衡被模拟对象重力的目的。
[0058]
气缸和滚珠丝杠的“并联”协作，对二者的协同控制提出了要求，这里将气缸拉压力传感器和滚珠丝杠拉压力传感器的反馈值通过传感器信号线输入控制模块中，将多轴控制系统中的交叉耦合控制思想应用于气电并联系统中，整个垂直方向的微重力模拟误差由气缸和滚珠丝杠系统共同带来，而气缸系统无法提供过高的工作频率。因此将控制器得到的系统总误差按照一定比例分配给气缸和滚珠丝杠系统进行误差补偿，为避免气缸系统动作频率过高为其设置较低的误差补偿比例以及系统误差调节阈值。微重力模拟的精度控制则主要落在了滚珠丝杠系统，为进一步提高控制精度，控制模块中采用xpc 实时控制系统进行滚珠丝杠的运动控制，通过试验不断调节气电系统误差补偿的比例系数达到控制精度最优。
[0059]
安装在连接平面上的哑铃式三自由度气浮转台，用于被模拟对象在空间微重力环境下三个转动自由度的漂浮运动。其中置于气缸和滚珠丝杠上面的拉压力传感器用于测量气缸和滚珠丝杠所提供的支持力，微重力模拟装置的控制目标则是使拉压力传感器的总输出值始终等于置于压力传感器上物体(被模拟对象+三轴气浮转台+连接平面)的重力值。
[0060]
气浮平台和三轴气浮转台在微重力模拟中的技术运用非常广泛，也已经相当成熟，其控制精度由机械结构本身来保证。在该系统中哑铃式三自由度气浮转台能够提供更大的滚转、俯仰、偏航角度，使微重力模拟更接近真实状态。
[0061]
实施例二：如图1-4所示，本实施例所涉及的一种六自由度空间微重力控制方法，垂直方向控制部分：
[0062]
1.滚珠丝杠系统控制
[0063]
系统垂直方向上的闭环控制系统框图如图5所示，该六自由度模拟系统垂直方向的控制目标是，使压力传感器的测量值等于试验目标(被模拟对象+三轴气浮转台+连接平面)的重力值，对于低摩擦气缸的推力输出使用恒值估计，设置输出推力恒为试验目标的估计值，目前气缸推力控制技术也已日趋成熟，在本系统中不再为气缸推力设计单独的控制系统。
[0064]
滚珠丝杠的推力控制采用基于rbf神经网络的终端滑模变结构控制，其控制器结构如图6所示。
[0065]
本系统是具有强耦合、强非线性的复杂控制系统，系统一方面受到摩擦力、气压波动、负载扰动等外部干扰，另一方面又受到系统参数变化导致的未建模动态干扰，难以建立精确的数学模型。传统控制算法大多基于精确数学模型，在本发明中选择使用适用于非线性被控对象的终端滑模变结构控制方法，对于扰动及未建模部分使用rbf网络进行辨识。
[0066]
对被控对象电机滚珠丝杠进行建模，可以得到被控对象的抽象数学模型为：
[0067][0068]
式中x、分别为试验目标的位移、运动速度、运动加速度，为系统精确建模部分，u为控制输入，d为扰动和未建模部分。
[0069]
控制模块输出用于精确控制电机的电流环输出i，即直接控制电机的力矩输出，从而精确控制滚珠丝杠输出的推力f，电机的动态方程如下：
[0070][0071]
其中，ua为电机的电源电压，ia为电枢电流，ea为线圈中产生的感应电动势，w为电机转速，t
em
为电机的电磁转矩，td为电磁转矩的不确定性扰动，ra为电枢绕组，j为电机的转动惯量，la、ke、k
t
、b为电机模型的相关系数；
[0072]
基于电机滚珠丝杠运动学和力学方程，根据被模拟对象位移、速度、加速度与滚珠丝杠所提供推力及电机输出力矩间的数学关系，得到滚珠丝杠输出推力f与电机电流环输出i的抽象数学模型为：
[0073][0074]
其中，i为电机电流环输出，分别为电流环电流输出的二阶导和一阶导，f为滚珠丝杠输出的推力，为与i、有关的数学关系，d(i,t)为不确定性干扰；
[0075]
将上述数学模型改写为状态方程形式：
[0076][0077]
其中，x1、x2为被控系统的两个状态变量，是两状态变量的一阶导，g(x)是与x1、x2有关的数学关系，f为滚珠丝杠输出推力，d(x,t)作为扰动和未建模部分；
[0078]
使用非奇异终端滑模变结构控制算法，设计滑模面为：
[0079][0080]
式中x1为实际值与设定值的偏差，x2为偏差的导数，β》0，p、q(p＞q)为正奇数。
[0081]
d(x,t)作为扰动和未建模部分，已知rbf神经网络可以拟合任意线性和非线性关系，在这里使用rbf神经网络进行预估，有效确定|d(x,t)|的边界值，从而抑制滑模变结构控制的抖动现象。神经网络的输入为控制器输出和被控对象输出，根据网络权值的自适应律得到实际网络权值，rbf选择高斯基函数，网络的输出为d(x,t)逼近值，与设定值、偏差值、偏差的导数一起计算得到控制器输出。
[0082]
2.气电并联系统交叉耦合控制
[0083]
滚珠丝杠系统和气缸系统并联以提高该装置垂直方向控制精度和整个系统响应速度。系统的控制误差由气电系统两部分组成，相互耦合，采用交叉耦合方法对并联系统进行调节，如图7所示。系统总误差e经过比例配置器，按照一定比例分配给气缸系统进行响应调节，在这里比例值按照经验给出，同时为气缸系统的设定值设置响应阈值，避免气缸系统调节过于频繁，降低系统实时性和稳定性。气缸无法补偿部分由滚珠丝杠进行最后补偿，滚珠丝杠系统控制本质上是控制电机力矩，电机响应频率大大高于气缸系统，并且在与气缸系统耦合控制之后，滚珠丝杠系统能够更加快速准确地设置其系统设定值，与滚珠丝杠系
统的智能控制方案相结合提高垂直方向模拟的精度和系统鲁棒性。
[0084]
实施例三：本实施例所涉及的一种六自由度空间微重力模拟装置控制方法，与《基于悬吊法和气浮法的多自由度微重力模拟展开试验系统研究》中介绍的微重力模拟装置相比，本技术使用气缸和滚珠丝杠相结合的交叉耦合控制方式，有效提高了微重力模拟精度和动态响应效果；避免了悬吊法所带来的水平方向上的重力分量，拓展了微重力模拟装置的运动范围和被模拟对象的运动姿态；使用基于神经网络的滑模变结构控制，极大地提高了控制系统的自适应性；实现了六自由度模拟，更先进、更可靠、更实用。
[0085]
总而言之，本技术的微重力模拟装置具有更广泛的应用前景和研究价值，相比于现行装置模拟更全面、精度更高。
[0086]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。