力平衡状态下的物体及其振动控制与姿态调整方法与流程

本发明涉及振动控制技术，具体地，涉及一种携带板状结构等结构体处于惯性悬浮等力平衡状态下的目标体振动和姿态调整控制方案,尤其是涉及动力吸振技术、结构功能一体化设计技术和力平衡状态下的物体姿态调整控制技术方案。

背景技术：

力平衡状态下的物体振动控制问题一直以来是工程应用上的难点问题；结构功能一体化设计是当前工程应用领域，特别是航空航天领域发展的一大趋势。目前对于力平衡状态下的物体振动控制方法研究主要集中在对板状结构本体的研究上，通过在板状结构上安装智能材料，如压电陶瓷应变片、形状记忆合金等，或者安装阻尼器等来改善板状结构的振动型态，从而实现目标体的振动控制，这种振动控制方法虽然有一定的效果，但是会带来如结构的破坏和重量的增加等问题。惯性悬浮体的姿态调整目前广泛采用的是喷气式矢量推进技术，但是这种控制方式会受到如燃料等的限制，在某些特定的情况下，无法展开。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种力平衡状态下的物体及其振动控制与姿态调整方法。

根据本发明提供的一种力平衡状态下的物体，包括目标主体，还包括连接目标主体的若干组结构体组件；

所述结构体组件，包括结构体阵列或者单个结构体；

结构体阵列或者单个结构体，通过连接件或者可变刚度主动执行件与目标主体连接，连接方式为紧固连接或者柔性连接；

结构体阵列包括多个结构体，多个结构体之间通过可变刚度主动执行件连接。

优选地，可变刚度主动执行件包括如下任一种或任多种装置：

-刚度可变的智能材料结构件；或者

-刚度可变的电磁驱动机构；

-热致驱动机构。

根据本发明提供的一种上述的力平衡状态下的物体的振动控制与姿态调整方法，包括如下任一个或任多个步骤：

-传递路径上的振动控制步骤；

-基于变刚度阻尼特性的动力吸振步骤；

-辅助调整姿态步骤。

优选地，所述传递路径上的振动控制步骤，包括：

步骤1：判断检测到的干扰是否为因激励而引起的结构体振动；

若是，则接下来执行步骤2；

若否，则接下来执行所述基于变刚度阻尼特性的动力吸振步骤；

步骤2：判断结构体振动的强度是否超出设定的承受范围；

若是，则控制可变刚度主动执行件解除对所连接结构体位置的锁定，进行主动卸载，流程结束；

若否，则接下来执行步骤3；

步骤3：控制可变刚度主动执行件产生相对于结构体振动同频反向的运动，从而抑制振动。

优选地，所述基于变刚度阻尼特性的动力吸振步骤，包括：

步骤A：判断检测到的干扰是否为目标主体受外界激励或者内部激励而产生的自身振动；

若是，则接下来执行步骤B；

若否，则接下来执行所述传递路径上的振动控制步骤；

步骤B：判断结构体组件的固有频率是否在振动的频段内；

若是，则通过结构体组件产生共振耗能，从而吸收目标主体的振动，流程结束；

若否，则改变可变刚度主动执行件的刚度和阻尼，使结构体组件的固有频率与目标主体的振动频率一致，进而进行动力吸振。

优选地，所述辅助调整姿态步骤，包括：

步骤I：当目标主体需要进行辅助调整姿态，且目标主体和结构体组件均满足设定的辅助调整姿态的位置条件时，控制可变刚度主动执行件对结构体执行驱动，进而实现目标主体的辅助调整姿态。

优选地，通过控制可变刚度主动执行件对结构体执行驱动，使得可变刚度主动执行件输出往复的驱动扭矩，从而驱使可变刚度主动执行件两侧连接的结构体产生往复的摆动，进而与结构体相连的目标主体产生往复的摆动，实现姿态的调整。

优选地，在可变刚度主动执行件输出的往复的驱动扭矩中，包括目标主体两侧的可变刚度主动执行件同时输出对称或反向的扭矩，使得目标主体往复平动或者向一个方向连续转动，实现姿态的调整；或包括只有目标主体一侧的可变刚度主动执行件输出扭矩，使目标主体产生来回的摆动，实现姿态的调整。

优选地，可变刚度主动执行件两侧连接的对象体的转动惯量不同；其中，所述对象体包括结构体组件和/或目标主体。

优选地，包括控制结构体组件在伸展状态与回收状态之间变化；

当结构体组件处于伸展状态时，结构体阵列为平展状；

当结构体组件处于回收状态时，结构体阵列为叠合状；

还包括控制结构体组件绕目标主体的转动，以进行指定方向位置跟踪；

伸展、回收以及转动动作均基于可变刚度主动执行件实现。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明是基于结构功能一体化的变刚度执行件，避免了对板状结构本体甚至是目标主体结构的破坏，控制算法更加简单、有效；

2、本发明针对目标主体的振动控制提出了两种控制策略，分别对来自板状结构的扰动进行主动振动抑制，对来自目标主体本身的振动进行主动动力吸振；

3、本发明通过调整可变刚度主动执行件和板状结构组合体的刚度和阻尼来进行动力吸振，是一种主动方式的、智能化的动力吸振；

4、本发明的动力吸振可以在多频段、多自由度方向上进行；

5、本发明提出的辅助姿态调整策略对于一些特定场合，能发挥重要作用，能有效地补充喷气式矢量推进技术的不足之处；

6、本发明提出的姿态调整可以是平动和旋转方向上的姿态调整；

7、本发明的控制策略易于实现模块化设计和扩展，便于集成。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明控制方法的总体框架图；

图2为本发明控制方法中传递路径上的振动控制步骤的流程图；传递路径上的振动控制步骤记为控制策略1；

图3为本发明控制方法中基于变刚度阻尼特性的动力吸振步骤的流程图；基于变刚度阻尼特性的动力吸振步骤记为控制策略2；

图4为本发明控制方法中辅助调整姿态步骤的流程图；辅助调整姿态步骤记为控制策略3；

图5、6为本发明机械结构部分的两种基础形式。其中，图5为正视图，图6为运动控制过程中俯视图；

图7、8、9和10为本发明几种基础结构形式下的辅助姿态调整控制的应用实例示意图；

图11、12、13为本发明不同结构形式扩展组合应用实例示意图。

图中：

1为目标主体，2为连接件，3为可变刚度主动执行件，4为结构体。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种力平衡状态下的物体，包括目标主体，还包括连接目标主体的若干组结构体组件；所述结构体组件，包括结构体阵列、连接件；结构体阵列通过连接件与目标主体紧固连接或者柔性连接；结构体阵列包括多个结构体，多个结构体之间通过可变刚度主动执行件依次连接。结构体可以为板体。结构件阵列可以为板阵列。在变化例中，结构体组件包括单个结构体，单个结构体通过连接件或者可变刚度主动执行件与目标主体连接，连接方式为紧固连接或者柔性连接；结构体阵列还可以通过可变刚度主动执行件与目标主体连接。力平衡状态下的物体优选是指悬浮或重力平衡状态下的物体。

可变刚度主动执行件包括：

-刚度可变的智能材料结构件；或者

-刚度可变的电磁驱动机构；

-热致驱动机构。

具体地，目标主体可以是航天卫星、太空舱等惯性悬浮体，既作为被控对象，也是本发明控制方法得以实现的执行各控制策略的控制中心的载体。可变刚度主动执行件的数量和安装位置可以调整。所述可变刚度主动执行件安装在结构体与结构体之间，既作为连接结构件，同时还是结构体振动控制和辅助姿态调整的功能件。刚度可变的智能材料结构件可以是采用形状记忆材料制成的结构件。刚度可变的电磁驱动机构可以是一种自驱动转动轴，例如，本领域技术人员可以参见申请号“201510494394.5”的中国专利文献(公开号CN105099061A，名称“自驱动转动轴帆板驱动系统”)中所述的密可控自驱动转动轴得以实现，在此不再赘述。所述力平衡状态下的物体上还可以包括目标主体姿态及位置检测传感器和结构体位置检测传感器等，传感器的安装位置和数量可以根据实际应用的需要做调整。

根据本发明提供的一种上述的力平衡状态下的物体的振动控制与姿态调整方法，包括如下任一个或任多个步骤：

-传递路径上的振动控制步骤，记为控制策略1；

-基于变刚度阻尼特性的动力吸振步骤，记为控制策略2；

-辅助调整姿态步骤，记为控制策略3。

所述传递路径上的振动控制步骤，包括：

步骤1：判断检测到的干扰是否为因激励而引起的结构体振动；

若是，则接下来执行步骤2；

若否，则接下来执行所述基于变刚度阻尼特性的动力吸振步骤；

步骤2：判断结构体振动的强度是否超出设定的承受范围；

若是，则控制可变刚度主动执行件解除对所连接结构体位置的锁定，进行主动卸载，流程结束；

若否，则接下来执行步骤3；

步骤3：控制可变刚度主动执行件产生相对于结构体振动同频反向的运动，从而抑制振动。

优选地，所述基于变刚度阻尼特性的动力吸振步骤，包括：

步骤A：判断检测到的干扰是否为目标主体受外界激励或者内部激励而产生的自身振动；

若是，则接下来执行步骤B；

若否，则接下来执行所述传递路径上的振动控制步骤；

步骤B：判断结构体组件的固有频率是否在振动的频段内；

若是，则通过结构体组件产生共振耗能，从而吸收目标主体的振动，流程结束；

若否，则改变可变刚度主动执行件的刚度和阻尼，使结构体组件的固有频率与目标主体的振动频率一致，进而进行动力吸振。

所述辅助调整姿态步骤，包括：

步骤I：当目标主体需要进行辅助调整姿态，且目标主体和结构体组件均满足设定的辅助调整姿态的位置条件时，控制可变刚度主动执行件对结构体执行驱动，进而实现目标主体的辅助调整姿态。

通过控制可变刚度主动执行件对结构体执行驱动，使得可变刚度主动执行件输出往复的驱动扭矩，进而驱使可变刚度主动执行件两侧连接的结构体产生往复的摆动，进而与结构体相连的目标主体产生往复的摆动，实现姿态的调整。在可变刚度主动执行件输出的往复的驱动扭矩中，包括目标主体两侧的可变刚度主动执行件同时输出对称或反向的扭矩，使得目标主体往复平动或者向一个方向连续转动，实现姿态的调整；或只有目标主体一侧的可变刚度主动执行件输出扭矩，使目标主体产生来回的摆动，实现姿态的调整。可变刚度主动执行件两侧连接的对象体(结构体组件，目标主体，或结构体组件与目标主体的组合)的转动惯量不同。

所述控制方法还包括控制结构体组件在伸展状态与回收状态之间变化；

当结构体组件处于伸展状态时，结构体阵列为平展状；

当结构体组件处于回收状态时，结构体阵列为叠合状；

还包括控制结构体组件绕目标主体的转动，以进行指定方向位置跟踪；

伸展、回收以及转动动作均基于可变刚度主动执行件实现。

具体地，控制策略1、控制策略2、控制策略3的执行可以通过控制中心来完成，其执行结果也会反馈到控制中心。控制策略1、控制策略2、控制策略3不局限于适用于太空环境下的场合，同时适用于其他处于惯性悬浮状态下的场合。

所述控制策略1的流程更具体地为：干扰产生之后，控制中心检测到干扰并对干扰进行分析，判断干扰的类型，如果是外界激励引起结构体振动，则首先对振动的强度进行判断，如果超出可以承受的范围，可变刚度主动执行件解除锁定，进行主动卸载；如果振动强度在可以承受的范围内，控制中心则发出指令，使可变刚度主动执行件产生同频反向的运动，从而抑制振动。

所述控制策略1的基本原理如下：外部激励引起的结构体振动，必须通过可变刚度主动执行件才能传递到目标主体，在该过程中通过执行件的主动卸载或是同频反向的振动抑制，可以有效的阻断振动向目标主体的进一步传递，从而将振动消除在传递路径上。

所述控制策略2的流程如下：干扰产生之后，控制中心检测到干扰并对干扰进行分析，判断干扰的类型，如果是目标主体因受外界或者内部激励而产生的自身振动，则首先判断结构体组件与可变刚度主动执行件组合体的固有频率是否与激励振动频率一致或在激励振动频段内，如果一致或在内，则组合体产生共振耗能，从而吸收目标本体的振动；否则，则通过控制中心发出指令，改变可变刚度主动执行件的刚度和阻尼，使组合体的固有频率与目标主体结构振动频率一致或使组合体的固有频率位于目标主体结构振动频段内，进而进行动力吸振。

所述控制策略2的基本原理如下：将目标主体等效为质量体M1，结构体组件等效为质量体M2。这样，质量体M1和质量体M2就组合而成了最为典型的运动系统。假设目标体M1收到的激励扰动为F sin w₀t,在忽略系统阻尼的情况下，目标体M1的振动响应x₁为：

$x_1=\frac{k-M_2{w_0}^2}{(K+k-M_1{w_0}^2)(k-M_2{w_0}^2)}{\mathrm{Fsinw}}_{0}t$

式中,K为目标主体M1的等效刚度，k为组合体M2的等效刚度；F表示激励力的幅值，w₀表示激励力的频率，t表示响应时间。可以看出，当组合体的刚度k＝M₂w₀²，目标主体的位移响应为零，不再产生振动。

本发明通过以下方式可以实现这一点，控制中心发出指令给可变刚度主动执行件，从而改变执行件的刚度值，进而改变组合体M2的刚度值k。一旦，使得组合体M2的刚度值k接近或者达到M₂w₀²，则目标主体M1的振动将大幅衰减，甚至不再产生振动。这就实现了对于目标主体M1的主动动力吸振，从而进行目标主体的振动控制。从固有频率的角度看，只要改变组合体M2的刚度值k，使得组合体M2的频率等于或者接近激励频率w₀时，便能进行吸振，使得目标主体M1的振动衰减。

本发明通过改变可变刚度主动执行件的安装位置和个数，以及结构体的个数和物理空间位置、结构体组件的组数和物理空间位置，可以实现对目标主体在多频段、多自由度范围内的动力吸振。

控制策略3的流程如下：首先判断目标主体是否出现需要进行辅助调姿的情况，如燃料不足等，再进一步判断整体结构是否处于适合进行辅助调姿的位置，如果这些条件都满足，控制中心发出控制指令使特定位置的变刚度执行件执行驱动功能，进而实现目标主体的辅助调姿。

控制策略3的基本原理如下：变刚度执行件执行驱动功能时，会产生扭矩T，根据力的作用是相互的牛顿力学定律，在执行件一侧的板受到驱动扭矩T产生运动的同时，另一侧与执行件相连的板会受到反向的同等大小的扭矩作用。这样，当可变刚度主动执行件输出往复的驱动扭矩时，两侧的板便会产生往复的摆动，与板相连的目标主体也会产生往复的摆动，从而实现姿态的微幅调整。

如果使得往复的驱动力矩值发生变化，例如，去程的驱动力矩较大，回复的驱动力矩较小(或者相反)，根据T＝Jα，这样来回过程中板的加速度不同；另一方面，由于两侧板的转动惯量不同，与目标主体相连接一侧的板具有较大的转动惯量。加速度不同，转动惯量也不同，从而可以产生使目标主体向某一方向进行连续运动的趋势，实现较大幅度的姿态调整。其中，T表示驱动扭矩，J表示板状体的转动惯量，α表示角加速度。

本发明通过改变可变刚度主动执行件的安装位置和个数，以及板状结构的个数和物理空间位置、结构体组件的组数和物理空间位置，可以实现目标主体姿态的平动和旋转运动控制。

进一步地，对目标主体的自身振动进行动力吸振的方式为：控制中心检测到目标主体的振动后，发出控制指令，改变可变刚度主动执行件的刚度，具体执行方式如下，

式中，K_e为可变刚度主动执行件的等效刚度，i为输入电流，N_ac为可变刚度主动执行件中的磁极个数，N_turn为电磁铁中线圈的匝数，B_g为可变刚度主动执行件中的磁场强度，为等效永磁体转子的半径，l_e为线圈等效长度，为转角。

通过控制中心发出指令可以控制可变刚度主动执行件的输入电流和转角，从而改变执行件的刚度值，进而改变帆结构体阵列和可变刚度主动执行件组合体的刚度，从而改变组合体的固有频率。当组合体的固有频率接近或者等于激励振动的频率时，便进行吸振，使目标主体的振动衰减。对于单一帆结构体阵列层而言，本实施例的动力吸振频段是单一的；对于具有多层帆结构体阵列的结构而言，本实施例的动力吸振频段可以是多频段的。

更进一步地，所述控制策略1、控制策略2、控制策略3和执行方式都是解耦的，互补干扰。通过执行不同组合形式的控制策略，可以实现空间多自由度向上的星体振动控制和辅助姿态调整。当振动只在某一方向上进行时，或者主要在某一方向进行时，通过控制该方向上结构体阵列进行振动控制，特别地，可以通过控制该方向上不同层的结构体阵列，进行该方向上多频段的振动控制。当振动同时在多个方向上发生时，可以通过控制不同方向上、不同层的结构体阵列进行复杂形势下的振动控制。同样的，对于姿态调整也是一样的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。