[發明專利]磁吊綜合補償自由基座空間任務跨尺度驗證裝置

有效

• 申請號: 201710421847.0
• 申請日: 2017-06-07
• 公開（公告）號: CN107244430B
• 公開（公告）日: 2019-04-30
• 發明（設計）人: 賈英民;段猛;賈嬌;孫施浩
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B64G7/00
• 分類號: B64G7/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.磁吊綜合補償自由基座空間任務跨尺度驗證裝置，其特征是：驗證裝置包括自由基座系統、吊絲綜合機電補償系統、磁懸浮系統、實驗航天器系統、協調控制系統、通信系統與控制中心；

所述實驗航天系統包括航天器本體、航天器位姿測量模塊、數據通信模塊與數據采集存儲模塊；

裝置利用跨尺度等效理論和相似理論將空間目標的軌道運動變換成地面自由基座期望的相似運動，進一步通過自由基座精確跟蹤期望的相似運動，從而實現運動學等效；利用吊絲懸吊補償與磁懸浮相結合的混雜重力補償方法實現空間微重力運動環境再現，進而實現空間任務的地面再現，完成空間任務地面的完整過程驗證；

所述自由基座系統包括基座主體、全向輪及驅動電機、攝像頭、激光測距儀、距離傳感器、多目標任務通信模塊與數據采集控制模塊；基座主體的兩側各安裝有一組全向輪及驅動電機，激光測距儀與攝像頭安裝在基座主體的同側，距離傳感器分布在基座主體的四周，數據采集控制模塊處理自由基座系統中傳感器所得到的信息，對自由基座進行定位并發出控制信息；基座主體內部固定有自由基座系統的采集控制模塊、吊絲綜合機電補償系統的采集控制模塊、磁懸浮系統的信號發生器、采集控制模塊與實驗航天器系統的數據通信模塊、數據采集控制模塊與協調控制模塊；

所述吊絲綜合機電補償系統包括倒L型支撐框、X向伺服電機、水平X向機構、Y向伺服電機、水平Y向機構、豎直方向氣缸機構、吊絲、無約束懸掛機構、S型張力傳感器、二維傾角傳感器與數據采集控制模塊；吊絲綜合機電補償系統安裝在自由基座系統上，倒L型支撐框上安裝吊絲綜合機電補償系統的其余結構，水平X向機構與之直接接觸并與X向伺服電機相連，在電機的驅動下，可沿水平X方向運動；水平Y向機構安裝在水平X向機構上并與Y向伺服電機相連，在電機的驅動下可沿水平Y向運動；豎直方向氣缸機構安裝在水平Y向機構上，其下端通過吊絲連接有無約束懸掛機構置，氣缸轉置的活塞桿在氣缸氣壓的控制下可沿豎直方向運動，從而帶動安裝在其下端的無約束懸掛機構運動；二維傾角傳感器安裝在吊絲上，S型張力傳感器安裝在吊絲與活塞桿之間。

2.根據權利要求1所述的磁吊綜合補償自由基座空間任務跨尺度驗證裝置，其特征是：所述磁懸浮系統包括線圈、線圈固定塊、多層線路板、永磁陣列、信號發生器、磁場測量儀與數據采集控制模塊；線圈固定塊安裝在自由基座系統上，用于固定線圈與多層線路板，內置永磁陣列安裝在航天器本體的內部；

所述協調控制系統包括協調控制模塊，實現自由基座、吊絲綜合機電補償和磁懸浮三個系統多目標控制任務的協調與優化；

所示通信系統所述通信系統包括數據通信模塊，用以自由基座系統、吊絲綜合機電補償系統和磁懸浮系統和協調控制系統量測信息與控制信息的相互通信，以及各系統量測信息與監控中心的信息傳遞；

所述控制中心包括各系統的監測模塊、平臺急停模塊以及多目標任務擴展模塊；

航天器固定在綜合機電補償系統的無約束懸掛機構上，吊絲綜合機電補償系統的二維傾角傳感器與張力傳感器實時測量懸掛點的運動信息，其采集控制模塊根據該運動信息控制水平方向上的電機與豎直方向上的氣缸實現懸掛點三維空間的跟隨運動，補償物體大部分重力；殘余重力由磁懸浮系統補償，從而實現微重力運動環境再現；航天器內部搭建有永磁陣列，使其受磁力控制；航天器位姿測量模塊通過多傳感器信息融合，實時提供航天器的位姿信息，該位姿信息與磁場強度測量信息作為磁懸浮控制器的輸入，通過控制磁懸浮系統的電流，驅動航天器繞質心三自由度轉動以及相對自由基座三自由度平動，從而實現航天器的位姿運動再現；自由基座數據采集控制模塊通過濾波融合攝像頭采集的圖像信息、激光測距儀的信息與距離傳感器的信息為自由基座提供實時位置信息，同時數據采集控制模塊通過基于空間目標的軌道動力學方程實時計算期望的軌道位置，利用跨尺度等效原理與相似理論計算出地面自由基座的期望位置，由該期望位置信息與測量處理得到的實際位置信息計算期望輸入，驅使自由基座實現期望的相似運動，從而實現航天器的軌道運動再現；實驗航天系統的協調控主控模塊通過整合數據通信模塊與數據存儲模塊的信息協調控制自由基座系統、吊絲綜合機電補償系統、磁懸浮系統與實驗航天系統的工作，從而全面再現航天器執行空間任務的整個過程。

3.根據權利要求2所述的磁吊綜合補償自由基座空間任務跨尺度驗證裝置，其特征是：工作步驟為：

(1)將內置永磁塊陣列固定的航天器本體內部；

(2)將實驗航天器固定在綜合機電補償系統的無約束懸掛裝置上；

(3)根據驗證任務方案的具體要求將豎直方向氣缸裝置調整到方案驗證時間持續時間最長的位置；

(4)將水平X向機構與水平Y向機構調整到方案驗證時間持續時間最長的位置；

(5)吊絲綜合重力補償系統上電，記錄此時S型張力傳感器的數值，給平臺其余系統上電；

(6)開始任務的驗證工作，磁懸浮系統的數據采集控制模塊根據任務的需要以及航天器位姿測量模塊得到航天的當前姿態信息，決定航天器本體的位姿調增量，同時依據磁場測量儀與航天器反饋的位姿實時調整，滿足任務的需求，再現實驗航天器的位姿運動；

(7)與(6)同步進行，當航天器的位置發生變化時，綜合機電補償系統的水平X向機構、水平Y向機構與豎直氣缸裝置實時跟隨航天器的變化，保證吊絲處于豎直狀態，并且S型張力傳感器的值保持預設值不變；

(8)與(6)、(7)同步進行，自由基座系統利用跨尺度等效原理與相似理論計算出地面自由基座的期望位置，由該期望位置信息與測量處理得到的實際位置信息計算期望輸入，驅使自由基座實現期望的相似運動，從而實現航天器的軌道運動再現；

(9)任務方案試驗完成后，關閉平臺電源，卸下航天器，根據任務過程中測量記錄的信息，分析任務方案的可行性。