一种具有偏航随动的主动重力补偿系统技术方案

本发明专利技术提出一种结构简单重力补偿彻底并可模拟航天器空间运动的一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，其包括水平随动支撑模块、滚转俯仰低摩擦随动模块、重力补偿主动随动模块、传感测量模块与协调控制模块；水平随动支撑模块可主动跟随航天器的纵横向运动，使重力补偿主动随动模块始终处于竖直方向；滚转俯仰低摩擦随动模块可以跟随航天器的滚转运动和俯仰运动；重力补偿主动随动模块可完成对航天器重力的完全补偿及主动跟随其偏航运动；传感测量模块可以测量航天器竖向位置的变化以及水平绕横向转动的角度；所述协调控制模块负责系统信息的采集融合处理，使系统各模块按系统设计工作，完成航天器空间运动地面的再现。

【技术实现步骤摘要】
所属
本专利技术属于航天器导航、制导与控制系统地面验证
，具体涉及一种航天器空间运动地面验证太空环境模拟系统。
技术介绍
航天工程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，我国正积极开展航天技术研究，为了顺利在极其恶劣太空环境完成航天任务，必须在地面进行充分的实验验证，将航天器在太空中的运动在地面再现，可以充分验证航天器在空间任务的各个环节，保证航天任务的顺利完成。航天器在太空环境运动最明显的特征是微重力环境下的运动，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，其实现的核心是补偿航天器在地面实验室环境中所受的重力，提供航天器三自由度平动及三自由度转动的无约束环境。现有的实现微重力这个目标的手段有液浮法，失重法、气浮法、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，气浮法与悬挂法系统结构相对简单，易于建立实验室中的无约束微重力环境，但气浮法一般只能实现五自由度运动，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且易于实现。悬挂法一般可以分为主动重力补偿和被动重力补偿，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、重力补偿补偿彻底的且易于与水平运动平台结合的系统为航天器提供一个近似无约束微重力运动环境，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。
技术实现思路
本专利技术提出了一种结构简单、可靠性高、适应性强、易于实现和维护、时间空间不受限制、重力补偿彻底并且可以跟随或者模拟航天器自旋运动的一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，本专利技术可提供航天器近似无约束六自由度运动的微重力环境，并可跟随或模拟航天器的自旋运动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。本专利技术的技术方案：一种具有偏航随动的主动重力补偿系统包括水平随动支撑模块、滚转俯仰低摩擦随动模块、重力补偿主动随动模块、传感测量模块与协调控制模块。所述水平随动支撑模块可跟随航天器的水平运动，使重力补偿主动随动模块始终处于竖直方向；所述重力补偿主动随动模块在伺服电机及缓冲装置的作用下可以完全补偿航天器的重力，在偏航跟随电机的作用下可主动跟随航天器的偏航运动，使其偏航运动不受阻碍，处于无约束运动的状态；所述滚转俯仰低摩擦随动模块可以跟随航天器的滚转运动和俯仰运动，
使其在滚动与俯仰运动时处于近似无约束的状态；所诉传感测量模块可以测量航天器竖向位置的变化以及水平绕横向转动的角度；所述协调控制模块负责传感器信息的采集融合、系统信号传递与协调控制，使系统各模块按系统设计工作，完成航天器空间运动地面的完整再现。进一步，所述水平随动支撑模块包括支撑件、主支撑板、横向支撑板、横向线性模组、横向伺服电机、纵向连接板、纵向线性模组、纵向伺服电机与主支撑筋板构成。横向支撑板安装在主支撑板上，其上安装有横向线性模组，横向线性模组上垂直安装有纵向线性模组，在横向伺服电机的作用下，可带动纵向线性模组沿横向运动，固定连接板安装在纵向线性模组上，其在横向、纵向伺服电机的作用下可带动固定连接板在横向和纵向主动运动，为了保证结构稳定，横向连接板左右两端安装纵向连接板，纵向连接板与横向连接板垂直，主支撑板上固定有筋板。进一步滚转俯仰低摩擦随动模块包括航天器、滚动跟随轴承轴、滚动跟随轴承、俯仰轴承固定座、俯仰轴、俯仰轴承、轴承连接板与支撑框；滚动跟随轴承与航天器相切，其通过滚动跟随轴承轴安装在轴承连接板上，轴承连接板通过俯仰轴与俯仰轴承固定，俯仰轴承安装在俯仰轴承固定座内，俯仰轴承固定座安装在支撑框上，支撑框上安装有筋板，其上方安装有距离传感器。当航天器做滚动运动时，与之相切的滚动跟随轴承跟随滚动；当航天器做俯仰运动时，在俯仰轴承提供的低摩擦支撑下，滚动跟随轴承、滚动跟随轴承轴、轴承连接板与俯仰轴随之一起做俯仰运动。进一步重力补偿主动随动模块包括偏航随动单元、重力补偿单元与缓冲单元，偏航随动单元包括固定连接板、偏航随动转盘、偏航齿轮、偏航跟随电机、转盘齿轮、角接触球轴承、螺纹固定套与推力轴承；重力补偿单元包括钢丝绳、特制中通万向节、钢丝绳导向轮、卷丝筒与转筒电机；缓冲单元包括缓冲摆杆、拉簧、拉簧安装板与张力传感器。偏航随动单元通过固定连接板安装到水平随动支撑模块上，可随固定连接板沿横向和纵向直线运动，固定连接板内安装有角接触球轴承和推力轴承，偏航随动转盘通过螺纹固定套安装在推力轴承上，为了更好的定位随动转盘联合使用了角接触球轴承，其特点是角接触球轴承的内径与推力轴承的轴圈内径一致，从而给推力轴承的轴圈定位，避免由于推力轴承的座圈内径大于轴圈内径引起晃动，偏航随动转盘上端安装有转盘齿轮，转盘齿轮与偏航齿轮啮合，偏航跟随电机的轴与偏航齿轮连接，可带动偏航齿轮转动，从而带动转盘齿轮与偏航随动转盘转动，跟随航天器的偏航运动；缓冲单元的缓冲摆杆铰接在偏航随动单元的偏航随动转盘上，缓冲摆杆上端安装有测量钢丝绳张力的张力传感器，缓冲摆杆中部与拉簧相连，拉簧另一端安装在拉簧固定板上，拉簧固定板安装在偏航随动转盘上；重力补偿单元的转筒电机安装在偏航随动单元的偏航随动转盘上，其上安装有卷丝筒，用于钢丝绳的收放，特制中通万向节安装在偏航随动转盘上，钢丝绳缠绕在卷丝筒上，依次通过缓冲单元、钢丝绳导向轮穿过偏航随动转盘、特制中通万向节连接到滚转俯仰低摩擦随动模块的支撑框上，通过转筒电机的作用带动滚转俯仰低摩擦随动模块竖向运动，特制中通万向节的特点是万向节连接块上竖向有通孔，且特制中通万向节的横向轴可随下端轴叉绕其轴线转动。进一步传感器测量模块包括距离传感器与非接触式角度传感器及传感器安装板。距离传感器安装在滚转俯仰低摩擦随动模块的支撑框上，可测量支撑框到重力补偿主动随动模块的偏航随动转盘的距离。非接触角度传感器安装在重力补偿主动随动模块中，具体的其磁块安装在重力补偿主动随动模块的特制中通万向节的横向轴上，磁块可随之转动，非接触式角度传感器的感应部分通过传感器安装板固定在偏航随动转盘上，可测量特制中通万向节横轴转
动的角度。由钢丝绳和支撑框的连接点到特制中通万向节的十字轴的距离已知(钢丝绳此段的实时长度可通过转筒电机的收放量和钢丝绳此段的原长度得到)，距离传感器测量可得支撑框到偏航随动转盘的竖向距离，由直角三角关系可得航天器在横纵向面内的位移，由非接触式角度传感器的测量数据可得其沿横向轴转动的角度，从而可将其在横纵向面内的距离沿横向和纵向分解，从而得到水平随动支撑模块中随动单元的随动量。进一步协调控制模块包括采集卡、驱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，其特征是：系统包括水平随动支撑模块、滚转俯仰低摩擦随动模块、重力补偿主动随动模块、传感测量模块与协调控制模块。

【技术特征摘要】
1.一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，其特征是：系统包括水平随动支撑模块、滚转俯仰低摩擦随动模块、重力补偿主动随动模块、传感测量模块与协调控制模块。2.根据权利要求1所述的一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，其特征是：所述水平随动支撑模块由主支撑板、横向支撑板、横向线性模组、横向伺服电机、纵向连接板、纵向线性模组、纵向伺服电机与主支撑筋板构成，横向支撑板安装在主支撑板上，其上安装有横向线性模组，横向线性模组上垂直安装有纵向线性模组，横向连接板左右两端安装纵向连接板，纵向连接板与横向连接板垂直，主支撑板上固定有主支撑筋板。3.根据权利要求1所述的一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，其特征是：滚转俯仰低摩擦随动模块包括航天器、滚动跟随轴承轴、滚动跟随轴承、俯仰轴承固定座、俯仰轴、俯仰轴承、轴承连接板与支撑框；滚动跟随轴承与航天器相切，其通过滚动跟随轴承轴安装在轴承连接板上，轴承连接板通过俯仰轴与俯仰轴承固定，俯仰轴承安装在俯仰轴承固定座内，俯仰轴承固定座安装在支撑框上，支撑框上安装有筋板，其上方安装有距离传感器。4.根据权利要求2所述的一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，其特征是：重力补偿主动随动模块包括偏航随动单元、重力补偿单元与缓冲单元，偏航随动单元包括固定连接板、偏航随动转盘、偏航齿轮、偏航跟随电机、转盘齿轮、角接触球轴承、螺纹固定套与推力轴承；重力补偿单元包括钢丝绳、中通万向节、钢丝绳导向轮、卷丝筒与转筒电机；缓冲单元包括缓冲摆杆、拉簧、拉簧安装板与张力传感器。5.根据权利要求4所述的一种具有偏航随动的主动重力补偿系统，其特征是：重力补偿主动随动模块的连接关系为，偏航随动单元通过固定连接板安装在水平随动支撑模块上，固定连接板内安装有角接触球轴承和推力轴承，偏航随动转盘通过螺纹固定套安装在推力轴承上，偏航随动转盘上端安装有转盘齿轮，转盘齿轮与偏航齿轮啮合，偏航跟随电机轴连接在偏航齿轮上；缓冲单元的缓冲摆杆铰...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾英民，贾娇，孙施浩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11