一种无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法

摘要

一种无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法，该系统由无约束连接、竖直恒张力悬挂、水平随动及控制模块组成。无约束连接模块包括连接套、外装框、施力件和低摩擦轴承，使航天器可绕质心做近似无约束转动；竖直恒张力悬挂模块包括力矩电机、齿轮齿条、悬挂吊丝和张力传感器，使航天器运动中受到的吊丝拉力等于重力；水平随动模块包括伺服电机、导轨、同步带和倾角传感器，使悬挂模块跟随航天器水平运动以保证吊丝处于竖直状态；控制模块包括采集卡、驱动器和运动控制卡。本发明可补偿地面试验环境中航天器的重力，进而用于再现其在空间微重力环境下的真实运动，具有运行稳定、补偿彻底等优点，可提供近似无约束六自由度运动的微重力环境。

说明书

所属技术领域

本发明涉及航天器导航、制导与控制系统地面验证技术领域，具体涉及一种用于航天器 运动再现的无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法。

背景技术

航天工程是一项高风险、高投入、高回报、高度复杂并且高精度的系统工程，它的发展 程度决定能否抢占高科技制高点，能否最大程度的利用太空资源。毫无疑问，在我国积极开 展航天技术研究迫在眉睫，然而太空环境极其恶劣，为了顺利完成航天任务，必须在地面进 行充分的实验，因此国内外各航天机构都非常重视航天器在地面的实验验证。

太空环境的一个最重要的特征是微重力，然而，地面实验室为有重力环境，为了在地面 再现航天器空间微重力环境中的真实运动情况，提高地面验证导航、制导与控制系统实验的 置信度，需要在地面为航天器六自由度运动建立一个与空间真实状况相近的无约束微重力环 境。要实现这个目标，就需要对航天器进行重力补偿，重力补偿是指对物体施加外力使之和 物体所受的重力平衡，或者使物体处于自由落体状态下，目的均是消除重力对物体运动过程 中动力学特性的影响。

在当前重力补偿方法的研究中，常用的方法有失重法、液浮法、气浮法和悬挂法。失重 法常见的为抛物飞行和自由落体，此方法的缺点是时间短、占用的空间大、能够提供的空间 有限并且成本高；液浮法阻尼大、维护成本高且只适合低速运动的情况；气浮法一般只能提 供五个自由度的运动，在竖直方向的运动受限。悬挂法所占用的空间小、不受时间空间的约 束，是重力补偿常用的方法，悬挂法一般可以分为主动重力补偿和被动重力补偿，多用于空 间机械臂微重力试验研究。被动重力补偿的补偿精度较低，对试验效果有较大影响；主动重 力补偿能够提高补偿精度，但目前主动重力补偿方法一般通过单点悬挂提供三自由度运动空 间或多点悬挂提供六自由度运动空间，针对实现航天器运动再现这个目标，三自由度运动空 间显然不够，多点悬挂所提供的六自由度空间会由于结构复杂、系统难控导致试验效果不佳， 因此需要寻找一种结构简单、运行稳定、补偿彻底的重力补偿系统为航天器提供一个近似无 约束六自由度运动的微重力环境，进而再现其在空间微重力环境下的真实运动，保证地面验 证导航、制导与控制系统的有效性。

发明内容

本发明的目的是发明一种具有结构简单、运行稳定、补偿彻底的重力补偿系统来补偿地 面试验环境中航天器的重力，提供航天器一个近似无约束六自由度运动的微重力环境，进而 再现其在空间微重力环境下的真实运动，保证地面验证导航、制导与控制系统的有效性。

本发明基于悬挂拉力和航天器重力平衡、力的作用效果相互抵消的原理来对航天器的重 力进行补偿的悬挂主动重力补偿系统，集无约束悬挂模块、水平随动模块、竖直恒张力悬挂 模块以及相应的控制模块于一体，能够很好地实现这一预定目标。

本发明的技术方案：

一种无约束悬挂式主动重力补偿系统包括无约束连接模块、水平随动模块、竖直恒张力 悬挂模块及控制模块。

所述无约束连接模块包括连接套、外装框、施力件和低摩擦轴承，外装框通过连接套和 低摩擦推力球轴承与悬挂吊丝相连，外装框通过施力件和低摩擦深沟球轴承与被补偿航天器 相连，使航天器在外装框内绕质心做近似无约束滚动和俯仰的姿态调整运动，航天器与外装 框一起绕航天器质心做近似无约束偏航的姿态调整运动。

所述水平随动模块包括伺服电机、导轨、同步带、二维倾角传感器、移动天车和支撑框 架，其中，倒L型支撑框架底部通过固定座固定在地面，倒L型支撑框架顶部安装两根可调 整水平位置的连接板，X方向的两根直线导轨安装在连接板上，Y方向的两根直线导轨安装 在X方向直线导轨滑块表面上，移动天车安装在Y方向直线导轨滑块表面上，通过调整连接 板使移动天车表面处于水平状态，移动天车与竖直恒张力悬挂模块相固连，两个伺服电机通 过同步带连接可分别带动移动天车和竖直恒张力悬挂模块沿X、Y方向做往复运动，两个对 称安装的二维倾角传感器同时测量航天器运动过程中悬挂吊丝偏离竖直方向的两个夹角，将 测量数据融合输送给控制模块，通过控制伺服电机运行加速度使航天器运动过程中悬挂吊丝 处于竖直状态，保证悬挂吊丝对航天器不产生水平方向干扰力。

所述竖直恒张力悬挂模块包括力矩电机、齿轮齿条、悬挂吊丝和S型张力传感器，其中， 悬挂吊丝一端与齿条固连，另一端与无约束连接模块中的连接套固连，力矩电机通过齿轮连 接可驱动齿条、悬挂吊丝和无约束连接模块在竖直方向上做往复运动，S型张力传感器测量 航天器运动过程中悬挂吊丝的张力，将测量数据输送给控制模块，通过控制力矩电机运行加 速度使航天器运动过程中悬挂吊丝的张力等于航天器和无约束连接模块所受重力之和，保证 航天器运动过程中悬挂吊丝的张力始终恒定。

所述控制模块包括采集卡、驱动器和运动控制卡，其中，采集卡采集S型张力传感器和 二维倾角传感器的测量数据作为运动控制器的反馈输入，同时采集卡采集航天器本身运动状 态数据（由航天器内装传感器提供）作为运动控制器的前馈输入，经运动控制卡解算和驱动 器电流输出使力矩电机和伺服电机达到期望运转速度和加速度，实现航天器运动过程中的悬 挂吊丝张力恒定，偏角为零的控制目标。

根据上述的机械结构和控制系统，在地面进行航天器导航、制导与控制系统验证时，航 天器根据任务要求，在自身控制系统作用下需要完成绕质心的姿态调整以及质心的轨道机动。

当需要进行姿态调整时，航天器自身姿态调整机构对航天器作用以姿态调整力矩，由于 航天器是通过低摩擦轴承固定在无约束连接模块上，因此可以认为连接模块对航天器姿态调 整运动过程中的阻力力矩近似为零，同时由于施力件作用力通过航天器质心，即使得航天器 处于随遇平衡状态，重力作用力矩为零，从而保证航天器地面姿态调整运动与空间环境中的 真实运动情况近似相同。

当需要进行轨道机动时，航天器自身轨道机动执行器对航天器本体施加通过质心的作用 力：当作用力F沿竖直方向时，此时S型张力传感器测量的悬挂吊丝张力T不等于设定的被 补偿航天器和无约束悬挂模块重力之和G，控制模块采集并计算张力T与重力G之差，输出 控制量使力矩电机带动齿条、悬挂吊丝和无约束连接模块在竖直方向作加速度运动以消除这 个偏差值由此保证悬挂吊丝张力恒定；当作用力F沿水平X方向时，此时二维倾角传感器测 量得到航天器与无约束悬挂模块带动悬挂吊丝在X方向产生的偏离竖直方向夹角，控制模块 采集得到这个夹角数值，输出控制量使X方向的伺服电机带动移动天车和竖直恒张力悬挂模 块在X方向作加速运动，由此保证悬挂吊丝处于竖直状态；当作用力F沿水平Y方向时，方 案与沿X方向一致；当作用力沿空间任意方向时，控制模块根据S型张力传感器和二维倾角 传感器同时给出的三维数据数组控制力矩电机和两个方向的伺服电机同时运行，最终达到悬 挂吊丝处于竖直方向且为恒张力的控制目标。

由此，用于航天器运动再现的悬挂主动重力补偿系统可为航天器提供一个近似无约束六 自由度运动的微重力环境。

无约束悬挂式主动重力补偿系统的具体工作步骤是：

(A)通过水平调整连接板调节移动天车的水平度，使移动天车处于水平状态；

(B)将航天器通过施力件与外装框相连，调整施力件与航天器连接位置使施力件对航天 器的作用力通过航天器质心以达到航天器绕质心转动的随遇平衡状态；

(C)打开采集卡和传感器电源，记录航天器初始静止时S型张力传感器和二维倾角传感 器的测量输出，将测量值作为控制模块运行的期望值；

(D)打开所有电源，启动系统，航天器在自身控制系统作用下在地面实验室环境中完成 任务需求的姿态调整和轨道机动，悬挂主动重力补偿系统在航天器运动过程中通过悬挂吊丝 补偿航天器所受到的重力，实现地面再现航天器空间微重力环境下的运动。

本发明对比已有技术具有如下特点：

1、通过单点悬挂即提供了无约束的六自由度运动空间；

2、通过前馈与反馈输入有效克服了静摩擦、动摩擦和附加惯性力对微重力水平方向的影 响；

3、对航天器重力补偿彻底，补偿精度高；

4、实验时间长、且可重复进行实验；

5、统结构简单、投资小且可靠性高，所需的维护费用小、后期投入小。

附图说明

图1是本发明一种无约束悬挂式主动重力补偿系统的结构正视图；

图中标号：

1：支撑框固定座；2：施力件；3：倒L型支撑框；4：悬挂吊丝；4：二维倾角传感器（1）； 6：调平螺栓；7：伺服电机（1）；8：伺服电机（2）；9：齿条；10：力矩电机；11：移动天 车；12：同步带；13：直线导轨；14：连接板；15：S型张力传感器；16：二维倾角传感器 （2）；17：连接套；18：外装框；19：低摩擦轴承（1）；20：施力螺栓；21：低摩擦轴承（2）； 22：航天器本体。

图2是本发明一种无约束悬挂式主动重力补偿系统的随动模块俯视图；

图中标号：

1、7、12、19：调平螺栓；2、9、15、18：直线导轨；3：移动天车；4、14：光轴；5、 16：支撑框架；6、13、17：同步带；8、10：伺服电机；11、20：连接板

图3是本发明一种无约束悬挂式主动重力补偿系统的控制模块流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

结合图1、图2、图3，本发明的基本思路是通过无约束连接模块使整个重力补偿系统不 影响航天器本身的三自由度姿态调整运动，通过水平随动模块及相应控制模块保证航天器运 动过程中悬挂吊丝处于竖直状态从而对航天器不产生水平方向干扰力，通过竖直恒张力悬挂 模块及相应控制模块保证航天器运动过程中悬挂吊丝的张力始终恒定，较为彻底补偿航天器 在地面所受到的重力，由此结合上述三个部分实现为航天器提供一个近似无约束六自由度运 动微重力环境的目标。

具体来说，如图1所示，所述无约束连接模块通过施力螺栓20使施力件2和低摩擦轴承 19挤压在航天器本体22上，且通过安装调试使施力方向通过航天器本体质心，此时航天器 可在施力件框架内做低摩擦近似自由的滚动姿态调整；施力螺栓20由低摩擦轴承21与外装 框18相连，此时航天器本体22、施力件2、施力螺栓20三者构成一个整体可在外装框架内 做低摩擦近似自由的俯仰姿态调整；外装框18通过连接套17（内装低摩擦推力球轴承）与 悬挂吊丝4相连，此时航天器本体22、施力件2、施力螺栓20、外装框18四者构成一个整 体可以在整个重力补偿系统框架内做低摩擦近似自由的偏航姿态调整；由此实现重力补偿系 统不影响航天器本身的三自由度姿态调整运动。

如图2所示，所述水平随动模块通过同步带6、17和光轴4、14使伺服电机8可带动Y 向机构在直线导轨9、18上移动，通过同步带13使伺服电机10可带动移动天车在直线导轨 2、15移动，由此实现移动天车在X、Y方向移动；同时为保证移动天车的运动在一个水平 的平面内，且考虑到系统支撑框架16的加工误差和地面的不平整性，需要在系统实验前完成 调平工作，此时可通过调平螺栓1、7、12、19调节两个连接板11、20的水平位置，使坐落 在连接板上的直线导轨9、18处于一个水平平面内，进而实现移动天车运动在一个水平平面 内；考虑水平随动模块在控制模块作用下的工作情况，如图3和图1所示，航天器的水平运 动会带动悬挂吊丝4偏离竖直方向，同时使两个二维倾角传感器4、16处于一个非水平状态， 此时二维倾角传感器即可输出悬挂吊丝与竖直方向夹角在XZ、YZ平面的两个分量，然后按 图3中的控制流程图控制伺服电机运转实现航天器运动过程中悬挂吊丝处于竖直状态从而对 航天器不产生水平方向干扰力。

如图1所示，所述竖直恒张力悬挂模块通过齿条9使力矩电机10可带动悬挂吊丝4、无 约束连接模块、航天器22在竖直方向上移动；考虑竖直恒张力悬挂在控制模块作用下的工作 情况，航天器的竖直方向运动会使悬挂吊丝4的张力发生变化，此时S型张力传感器可输出 悬挂吊丝当前的张力数值，然后按照图3中的控制流程图控制力矩电机运转保证航天器运动 过程中悬挂吊丝的张力始终恒定。

根据上述控制策略，我们注意到仅使用二维倾角传感器和S型张力传感器的反馈信息会 导致系统调节有滞后性，进而影响到系统的重力补偿精度，因此如图3所示，控制模块在采 集反馈信息的同时也采集航天器自身运动状态信息（由航天器本身状态传感器测量），补偿系 统响应时滞，实现系统的高精度稳定补偿目标。

由此得到运用无约束悬挂式主动重力补偿系统进行航天器运动再现实验的具体工作步 骤：

（1）将整个系统通过固定座固定在地面，使整个系统在实验运行过程中无晃动；

（2）通过调平螺栓使移动天车的运动处于一个水平面内（可用倾角传感器作为测量工具）；

（3）将航天器安装在无约束连接模块上，调试安装位置，保证航天器受到的施力件压力通 过质心实现随动平衡，同时三个姿态运动自如；

（4）开启传感器供电电源，记录航天器静止状态传感器测量输出，作为后续实验的系统期 望输出值；

（5）确保以上步骤顺利完成后，开启系统实验，航天器在自身控制系统作用下在地面实验 室环境中完成任务需求的姿态调整和轨道机动，悬挂主动重力补偿系统在航天器运动 过程中通过悬挂吊丝补偿航天器所受到的重力，实现地面再现航天器空间微重力环境 下的运动。