一种基于磁浮零重力的微小卫星姿态控制模拟器

1.本发明涉及仿真设备技术领域，具体涉及一种基于磁浮零重力的微小卫星姿态控制模拟器。


背景技术：

2.随着航天技术的飞速发展，航天器研制的需求急剧增加，越来越多的高校和科研机构开始开展相关的航天专业知识教育和科学研究。随着计算机、新材料、微纳米、微电子机械、高密度能源等技术的迅速发展，微小型卫星的重量和尺寸显著减少。微小卫星具有成本低、重量轻、研制周期短、价格低廉等众多优点，微小卫星的研制所涉及的各项技术也成为了该领域的研究重点。微小卫星的研制过程要经历概念研究、总体方案设计、关键技术攻关、地面实验和飞行实验等阶段。由于卫星发射和其工作环境的特殊性，导致了航天任务具有高风险高成本的特征，故地面实验成为航天器研发过程中不可缺少的环节。通过在地面模拟出空间微重力环境，完成微小卫星姿态控制系统地面仿真模拟，可提前发现并解决卫星设计、制造中的问题，保障卫星在进入轨道空间中能正常稳定运行。
3.目前微重力模拟方法有落塔法、抛物飞行法、水浮法、悬吊法和气浮法等，但落塔法、抛物飞行法和水浮法等方法成本太高，多数高校和科研机构都无法负担。悬吊法模拟微重力空间具有建造周期短、成本较低的特点，但其复杂的机械结构，需要大面积的占地；因此有必要进行改进。


技术实现要素：

4.本发明为解决上述的技术问题而提供一种基于磁浮零重力的微小卫星姿态控制模拟器，其结构简单，旋转自由度受限较少，成本低。
5.为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
6.本公开的至少一实施例提供一种基于磁浮零重力的微小卫星姿态控制模拟器，包括模拟卫星、控制机构、悬浮机构、台体组件和基座；所述悬浮机构具有固定装置和光学靶点，所述固定装置用于固定所述模拟卫星；所述台体组件用于为所述悬浮机构提供悬浮所需要的磁力，且所述台体组件具有光学相机模块和姿态测量模块，所述光学相机模块用于记录悬浮机构的相对位姿信息并反馈至所述姿态测量模块；所述基座用于支撑所述台体组件；其中，所述固定装置具有调平部件，用于将质心与所述悬浮机构的中心保持一致，所述控制机构被配置为根据所述姿态测量模块反馈的信息至少分析所述悬浮机构的姿态运动和绘制分析图形。
7.本公开的至少一实施例提供的基于磁浮零重力的微小卫星姿态控制模拟器中，所述基座包含有：上台面、下台面、支撑件脚和支撑架；所述支撑件脚固定地配置在所述下台面的底面；所述支撑架配置在所述上台面和下台面之间，且所述支撑架两端分别与所述上台面和下台面固定连接。
8.本公开的至少一实施例提供的基于磁浮零重力的微小卫星姿态控制模拟器中，所
述台体组件还具有：电源模块、电子电路模块、电磁线圈模块、电流控制模块和通信模块；所述电源模块用于为整个组件提供相应的电力支持；所述电磁线圈模块用于产生使悬浮机构悬浮所需的磁力；所述电流控制模块用于产生流过所述电磁线圈模块的电流进而产生反馈控制力；所述通信模块配置为与所述控制机构连接。
9.本公开的至少一实施例提供的基于磁浮零重力的微小卫星姿态控制模拟器中，所述悬浮机构配置在所述上台面和下台面之间。
10.本公开的至少一实施例提供的基于磁浮零重力的微小卫星姿态控制模拟器中，所述悬浮机构还具有：球体和磁铁悬浮架；所述光学靶点配置在所述球体的外壁面；所述磁铁悬浮架具有滚珠装置，且所述磁铁悬浮架位于球体中央并与球体最大直径的平面重合；其中，所述滚珠装置与所述球体的内壁面相接触，所述固定装置配置在所述球体内，所述滚珠装置固定地配置在所述磁铁悬浮架上。
11.本公开的至少一实施例提供的基于磁浮零重力的微小卫星姿态控制模拟器中，所述固定装置配置有两个，且两个所述固定装置呈对置设置。
12.本公开的至少一实施例提供的基于磁浮零重力的微小卫星姿态控制模拟器中，所述固定装置还具有伸缩部件，所述伸缩部件配置为与所述球体的内壁固定连接。
13.本发明的有益效果为：
14.1、结构简单，模块清晰，采用磁悬浮平台模拟太空微重力环境，可用于微小卫星姿态控制地面物理仿真实验。
15.2、生产成本较低，可实现批量化生产。
16.3、不仅可实现无重力环境下三轴姿态高精度控制，而且相比三轴气浮转台，本公开的方案三轴旋转角度受限较少，可以应对各种大角度姿态旋转的场景。
17.4、通过配备了可伸缩的固定装置，可以实现对不同尺寸微小卫星的测试，测试简单、切换便捷。
18.5、通过在固定装置上配备有调平部件，可以实现质心位置的调节。
19.6、应用前景广阔，噪音较少、成本低的特点，还可以用于教学演示，科普实验等方面。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本公开基于磁浮零重力的微小卫星姿态控制模拟器的局部立体图。
22.图2为本公开中悬浮机构的局部结构示意图。
23.图3为本公开基于磁浮零重力的微小卫星姿态控制模拟器的局部立体图。
24.图4为本公开本公开基于磁浮零重力的微小卫星姿态控制模拟器拆卸悬浮机构后的立体图。
25.图5为图2中a处的放大图。
26.图6为本公开中固定装置的立体图。
27.图7为本公开中固定装置的视图。
28.图8为本公开中固定装置的视图。
29.图9为本公开中的模块连接框图。
30.图中：
31.10、模拟卫星；
32.20、控制机构；
33.30、悬浮机构；31、球体；32、磁铁悬浮架；33、固定装置；34、滚珠装置；331、夹持部件；332、调平部件；333、伸缩部件；334、第一导轨；335、第二导轨；336、第三导轨；
34.40、台体组件；41、光学相机模块；42、姿态测量模块；43、电源模块；44、电磁线圈模块；45、电流控制模块；46、通信模块；441、第一永磁环；442、电磁线圈；
35.50、基座；51、上台面；52、下台面；53、支撑件脚；54、支撑架。
具体实施方式
36.下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。
37.在实施例中，需要理解的是，术语“中间”、“上”、“下”、“顶部”、“右侧”、“左端”、“上方”、“背面”、“中部”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
38.另外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，安装、连接和相连等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.实施例
40.如图1至9所示，根据本公开至少一实施例的基于磁浮零重力的微小卫星姿态控制模拟器，包括模拟卫星10、控制机构20、悬浮机构30、台体组件40和基座50。
41.进一步的，基座50包含有：上台面51、下台面52、支撑件脚53和支撑架54；支撑件脚53固定地配置在下台面52的底面；支撑架54配置在上台面51和下台面52之间，且支撑架54两端分别与上台面51和下台面52固定连接。悬浮机构30配置在上台面51和下台面52之间。
42.进一步的，台体组件40具有：光学相机模块41、姿态测量模块42、电源模块43、电磁线圈模块44、电流控制模块45和通信模块46；电源模块43用于为整个组件提供相应的电力支持；电磁线圈模块44用于产生使悬浮机构30悬浮所需的磁力；电流控制模块45用于产生流过电磁线圈模块44的电流进而产生反馈控制力；通信模块46配置为与控制机构20连接，光学相机模块41固定地配置在上台面51上，且光学相机模块41面向悬浮机构30。
43.进一步的，电磁线圈模块44包含有第一永磁环441和5个电磁线圈442，电磁线圈442包括铁芯(未图示)和线圈(未图示)。当给线圈通电时，磁力线经由通电线圈、铁芯、气隙和可吸附导磁体形成闭合回路。由于磁通通过铁芯比通过空气阻力要小很多，因此大部分磁通都会集中的流入铁芯内，铁芯被磁化，周围形成磁场，进而将悬浮机构30悬浮起来。
44.悬浮机构30具有：球体31、磁铁悬浮架32和固定装置33；球体31的外壁面设置有光学靶点(未图示)；磁铁悬浮架32具有滚珠装置34，且磁铁悬浮架32位于球体31中央并与球体31最大直径的平面重合；其中，滚珠装置34的滚珠与球体31的内壁面相接触，固定装置33配置在球体31内，滚珠装置34固定地配置在磁铁悬浮架32上。固定装置33配置有两个，且两个固定装置33呈对置设置。
45.进一步的，滚珠装置34设置有四个，且四个滚珠装置34呈环形阵列分布；示例性地，滚珠装置34采用牛眼万向轮。
46.进一步的，磁铁悬浮架32为一第二永磁环，其中第二永磁环的外直径为720mm，内直径为520mm，球体31的内直径为740mm，外直径为760mm；工作时磁铁悬浮架32受台体组件40产生的磁力可保持稳定悬浮状态，且磁铁悬浮架保持水平状态，从而给接触的球体31提供抵消重力的支撑力并使其一同保持悬浮状态。
47.进一步的，固定装置33包含有夹持部件331、调平部件332和伸缩部件333，伸缩部件333为伸缩杆，夹持部件331采用四爪夹具；调平部件332包含有第一导轨334、第二导轨335和第三导轨336，所述第一导轨334和第二导轨335均装配在四爪夹具上，而第三导轨336则装配在伸缩杆上,伸缩部件333配置为与球体31的内壁固定连接，调平部件332通过调节滑块的位置实现改变重量的分布进而实现调平的效果；球体31、固定装置33和模拟卫星10固联在一起，磁铁悬浮架32通过四个滚珠与球体31内部光滑的球面接触，磁铁悬浮架32为球体31固联部分提供恒定的支撑力，因此球体31和模拟卫星10固联部分可实现的微重力环境下的三自由度的转动。通过采用了可伸缩的结构通过伸缩以抓取固定1u、2u和3u等不同尺寸的模拟卫星灵活性好，对于不同大小的模拟卫星具有良好的适用性。
48.进一步的，四爪夹具上设置有第一嵌入槽(未图示)和第二嵌入槽(未图示)，第一导轨334和第二导轨335分别嵌入第一嵌入槽和第二嵌入槽内；伸缩部件333上设置有第三嵌入槽(未图示)，第三导轨336嵌入第三嵌入槽内，第一导轨334和第二导轨335呈十字状分布，第一导轨334和第二导轨335均与第三导轨336相垂直，第一导轨334、第二导轨335和第三导轨336均采用伺服电动导轨。
49.进一步的，控制机构20包括用于地面控制仿真的计算机(未图示)和控制器(未图示)，控制器与悬浮机构和台体组件等相连接，控制器发出控制指令给电流控制模块，电流控制模块接受控制指令调节磁线圈的电流大小，使悬浮单元保持稳定的悬浮状态。通过光学相机实时测量球体31与被测卫星固联部分的位姿信息。
50.在一些实施例中，第一导轨334、第二导轨335和第三导轨336均与控制器电性连接，受控制器控制。
51.在一些实施例中，伸缩杆采用电动伸缩杆，电动伸缩杆与控制器电性连接，受控制器控制。
52.下面将结合本公开至少一实施例中的基于磁浮零重力的微小卫星姿态控制模拟器的安装与测试验证方式进一步说明书本公开的原理；
53.本公开至少一实施例的基于磁浮零重力的微小卫星姿态控制模拟器的安装与测试验证的流程与步骤包括：
54.步骤一、安装前对整个设备的零部件进行梳理完善，保证所需零部件无遗漏，无重复。分析各个位置结构，确定装配要求，防止因装配顺序不当导致零部件出现报废的情况。
55.步骤二、按照先基座50后台体组件40的顺序进行装配安装，确保基座50，台体组件40和悬浮机构30以及调平部件332的可靠稳定，防止在实验过程中因安装不稳定而出现问题。
56.步骤三、安装电流控制模块，确保各个控制链路、通信链路正常运行，保证其能够稳定的运行。
57.步骤四、确认系统各部分功能正常之后，将被测试卫星固定在两个固定装置上，与球体31部分形成固联。然后，打开电源进入微重力模式，磁铁悬浮架32受台体组件40产生的磁力可保持稳定悬浮状态，同时球体31和被测卫星实现悬浮状态。然后开始调平工作，确保其质心位于万向球的中心，利用光学相机模块41对悬浮机构30的被测试卫星进行初始位置和姿态的标定，确定初始状态。
58.步骤五、调平完成后，正式进入微重力环境工作状态。同时根据被测试卫星任务需要，对被测试卫星进行姿态控制，被测试卫星姿态控制系统启动后，被测试卫星自主进行姿态运动。
59.步骤六、光学相机模块41连续地对球体31即被测试卫星的位置姿态进行测量，并实时的传输到控制模块，完成微重力环境下的卫星姿态确定和地面模拟实验，控制机构20根据姿态测量模块42反馈的信息分析悬浮机构30的姿态运动和绘制分析图形。
60.步骤七、结束试验，整理分析试验结果：1、关闭平台电源，卸下被测试卫星；2、根据实验过程中测量记录的信息，分析实验结果。
61.在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一些实施例”、“其他实施例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
62.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内；除非明确说明，否则本文中使用的任何元件、动作或指令都不应解释为关键或必要的。