[發(fā)明專利]一種懸吊式微重力模擬裝置及控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811591377.3
• 申請日: 2018-12-25
• 公開（公告）號: CN109720609B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 金野;劉鵬;朱海龍;劉家鋒;趙巍;唐降龍
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B64G7/00
• 分類號: B64G7/00
• 代理公司: 哈爾濱市文洋專利代理事務(wù)所(普通合伙) 23210
• 代理人: 王艷萍

1.一種懸吊式微重力模擬裝置的控制方法為：

以吊點(diǎn)位置偏移、吊絲傾角以及吊絲拉力作為輸入計(jì)算旋轉(zhuǎn)和平移的位置與速度控制參數(shù)，并對位置與速度實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)吊點(diǎn)徑向及旋轉(zhuǎn)跟蹤；

其中，視覺控制方式，通過計(jì)算，完成信息從圖像空間向笛卡爾空間的轉(zhuǎn)化，預(yù)先對相機(jī)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，平隨動系統(tǒng)包括兩個(gè)方向，平移運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，兩個(gè)方向各自獨(dú)立；平移運(yùn)動系統(tǒng)采用直流電機(jī)減速器驅(qū)動，直流電機(jī)在電樞電流的作用下產(chǎn)生輸出力矩，通過減速器驅(qū)動同步驅(qū)動帶動行走小車運(yùn)動，行走小車采用滑動導(dǎo)軌，忽略傳動機(jī)構(gòu)剛度的影響，平移運(yùn)動系統(tǒng)可簡化為一個(gè)慣量—阻尼系統(tǒng)，其中T為電機(jī)電磁力矩、為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角速度、L為行走小車移動位移、M為行走小車質(zhì)量、T_L為摩擦阻力矩、傳動比i、齒輪分度圓直徑d；

a)回路方程：設(shè)直流電機(jī)電樞電感為L_a，回路電阻為R_a，電樞電壓為U，電樞電流為I_a，反電動勢為E，可得電機(jī)電樞回路方程：

反電動勢：

式中，C_e為反電動勢常數(shù)，為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角速度；執(zhí)行單元主要對電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，執(zhí)行單元控制兩個(gè)電機(jī)的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)極坐標(biāo)隨動系統(tǒng)的高精度的位姿跟蹤；

b)力矩方程：

T＝C_mI_a (3)

式中，T為電機(jī)電磁力矩，C_m為力矩常數(shù)，I_a為電樞電流；

c)力平衡方程：

式中，J_e為折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，B_e為折算到電機(jī)軸上的阻尼系數(shù)；

d)位移方程：

將式1和式2聯(lián)立，經(jīng)過拉式變換得直流電機(jī)的電回路模型：

將式3和式4聯(lián)立進(jìn)行拉式變換后與式6聯(lián)立得電樞電流與輸出轉(zhuǎn)速之間的模型：

由式6和式7得到的位置的視覺伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

將式5進(jìn)行拉式變換：

由式6、式7、式8得到控制系統(tǒng)，可知行走小車的速度和位置由電樞電壓和磨擦阻力矩共同決定，摩擦阻力矩不變，改變電樞的電壓就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變行走小車的速度和位移；其中，S為位移量；

上述懸吊式微重力模擬裝置由支撐旋轉(zhuǎn)模塊(1)、臂上模塊(2)和懸吊點(diǎn)模塊(3)組成，支撐旋轉(zhuǎn)模塊與臂上模塊(2)連接，臂上模塊(2)中的吊絲(2-6)與懸吊點(diǎn)模塊(3)中的輕質(zhì)鋁盤(3-1)連接；

所述的支撐旋轉(zhuǎn)模塊由支撐立柱(1-1)、旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動電機(jī)(1-2)和圓光柵測角儀(1-3)組成，旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動電機(jī)(1-2)設(shè)在支撐立柱(1-1)的上部，圓光柵測角儀(1-3)設(shè)在支撐立柱(1-1)的上端，旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動電機(jī)(1-2)與臂上模塊的導(dǎo)軌臺(2-1)連接，

所述的臂上模塊由導(dǎo)軌臺(2-1)、行走小車(2-2)、相機(jī)(2-3)、激光測距儀(2-4)、傾角傳感器(2-5)、吊絲(2-6)、直流電機(jī)(2-7)、直線運(yùn)動光柵尺(2-8)、工控機(jī)(2-9)和第一電源(2-10)組成，行走小車(2-2)設(shè)在導(dǎo)軌臺(2-1)上，相機(jī)(2-3)、激光測距儀(2-4)、傾角傳感器(2-5)、吊絲(2-6)、直流電機(jī)(2-7)、直線運(yùn)動光柵尺(2-8)、工控機(jī)(2-9)和第一電源(2-10)均設(shè)在行走小車(2-2)上；

所述的懸吊點(diǎn)模塊由輕質(zhì)鋁盤(3-1)、LED激光光源(3-2)、變送器(3-3)、無線模塊(3-4)、第二電源(3-5)、吊絲拉力傳感器(3-6)和C形吊架(3-7)組成；多個(gè)LED激光光源(3-2)均勻設(shè)在輕質(zhì)鋁盤(3-1)的圓周上方，變送器(3-3)、無線模塊(3-4)和第二電源(3-5)設(shè)在輕質(zhì)鋁盤(3-1)下面，輕質(zhì)鋁盤(3-1)的圓心處開有孔與吊絲(2-6)連接，吊絲拉力傳感器(3-6)設(shè)在輕質(zhì)鋁盤(3-1)和C形吊架(3-7)之間。