本发明专利技术属于教学演示装置技术领域，公开了一种磁悬浮演示航天器交会对接科教装置，两台电机通过传动装置将两根不同长度的轨道绕圆心做圆周运动；电动推杆安装于所述电机的顶部，每条所述电动推杆通过传动装置与一个所述电机连接；以及用于对所述电机进行转速和转向进行调节的磁悬浮装置，磁悬浮装置通过导线连接所述电机。在动力学模型的基础上构建交会航天器的相对姿态和位置的控制数学空间，相对位置控制采用比例微分控制参数设计方法。本发明专利技术运用了磁悬浮技术、杠杆原理、传动原理等，制作中对航天器交会对接理论知识进行了较为深入的研究，精心选择的对接呈现方式很好地反映了航天器交会对接的姿态和轨迹。
A scientific and educational device for spacecraft rendezvous and docking
The invention belongs to the technical field of teaching demonstration device, and discloses a scientific and educational device for the rendezvous and docking of a magnetic suspension demonstration spacecraft. Two motors move two tracks of different lengths around the center of a circle through a transmission device; the electric push rod is installed on the top of the motor, and each of the electric push rods is connected with a motor through a transmission device; and it is used to advance the motor A magnetic suspension device for adjusting the rotation speed and the rotation direction, and the magnetic suspension device is connected with the motor through a wire. Based on the dynamic model, the mathematical space of relative attitude and position control of the rendezvous spacecraft is constructed. The relative position control adopts the method of proportional differential control parameter design. The invention uses the magnetic suspension technology, lever principle, transmission principle, etc., in which the theoretical knowledge of spacecraft rendezvous and docking is studied in depth, and the carefully selected docking presentation mode well reflects the attitude and trajectory of spacecraft rendezvous and docking.
【技术实现步骤摘要】
一种磁悬浮演示航天器交会对接科教装置
本专利技术属于教学演示装置
，尤其涉及一种磁悬浮演示航天器交会对接科教装置。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：我国载人航天“三步走”的发展战略，其中第二步关键技术就是突破空间飞行器的交会对接。神舟飞船与天宫目标飞行器已经完成多次交会对接任务，包括自动对接和手动对接。在科技人员精确控制下，神舟飞船经过多次变轨，以自主导引控制方式向天宫目标飞行器逐步靠近，最终完成对接任务。磁悬浮技术起源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。1970年以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。1922年，德国赫尔曼·肯佩尔提出的电磁悬浮原理使得在过去三四十年来，磁悬浮技术无论是车辆性能还是运行控制技术，技术层面的多数难题都已经得到解决，研制的不少设备达到了最初设想的技术水平。倒挂磁悬浮演示系统就是利用了超导的原理，传统的倒挂磁悬浮演示系统采用单超导模型，将超导块封在小车模型里，给超导块用液氮降温。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)由于航天器交会对接涉及到两个空间高速飞行器运动并最终变成一个组合体运动，现有技术不能再这种情况下构成组合体。其难度在于，首先模拟航天器在太空中绕地球飞行，本身很困难；更大的难度在于，航天器交会对接涉及两个航天器的相对运动，两个航天器都在做圆周运动，在运动的同时找准对接姿态和位置非常难以实现。(2)常规磁悬浮物体运动都在一个线性维度或者在一个平面，不能反映真实太空中的空间关系；因此需要设计相关传动装置实现两个航天器在空间中姿态和位置的运动。(3)演示航天器交会对接的过程不可控，如果不施加控制，两个航天器相对运动如果过慢，则相距越来越远；相对运动如果过快，这有相撞的危险；即使相对运动速度合适，但相对姿态不合适，在完成交会阶段后实现对接不能成功。解决上述技术问题的难度：(1)磁悬浮技术是指利用磁力克服重力使物体悬浮的一种技术，如何通过控制算法应用物理中电阻变大电流减小的原理，降低电机转速存在较大的难度。(2)航天器交会对接涉及两个航天器飞行运动，如何通过磁悬浮让两个飞行的航天器模型完成相对运动，涉及多个电机复杂传动，需要设计相关机构完成这样的运动方式。(3)相对位姿控制是航天器交会对接工程中的核心技术。尤其是在最后逼近段，两航天器间的相对位姿控制精确与否将直接影响对接过程的成败。两个航天器交会对接控制涉及两种模式：手动模式和自动模式。解决上述技术问题的意义：航天器安全对接的工作原理和复杂程度是普通大众无法理解的，为简化流程，普及航天知识，让更多的学生了解神舟飞船与天宫目标飞行器交会对接方式，同时增强演示对接过程中的趣味性和启发性。本专利技术这是一项融合了多学科的综合科技教育的设计方案。促使学生直观理解，在一种全新的环境中观察学习并能产生实践互动。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种磁悬浮演示航天器交会对接科教装置，解决物理空间和数学空间两个方面构建难题，达到清晰飞行演示和原理阐述的教学目标。本专利技术是这样实现的，该磁悬浮演示航天器交会对接科教装置设置有：2台用于提供动能的电机，两台电机通过传动装置将两根不同长度的轨道绕圆心做圆周运动；2条电动推杆，所述电动推杆安装于所述电机的顶部，每条所述电动推杆通过传动装置与一个所述电机连接；以及用于对所述电机进行转速和转向进行调节的磁悬浮装置，所述磁悬浮装置通过导线连接所述电机。通过电动推杆控制较短轨道进行伸缩，模拟变轨操作。在电机的控制下，电动推杆缓慢的伸长和收缩。电动推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置，主要由电机、推杆和控制装置等机构组成。其工作原理：电动机经齿轮减速后，带动一对丝杆螺母。把电机的旋转运动变成直线运动，利用电动机正反转完成推杆动作。如通过各种杠杆、摇杆或连杆等机构可完成转动、摇动等复杂动作。通过改变杠杆力臂长度，可以增大或减小行程。磁悬浮装置主要由磁铁，浮子，线圈和电路板组成，通过制作线圈和电路板，并设计了相关控制算法，通上电以后即可让浮子悬浮。磁力对悬浮物的控制，其基本原理是：霍尔传感器在浮子的正下方，当检测到浮子向左运动时，两边的线圈一个吸一个拉，把它推向右；反之如果浮子想右运动，那么两个线圈的电流都反向，总共两组共四个这样的线圈，就可以把浮子限制在二维平面之内了。但是线圈产生的力是比较小的，因此只能够推动浮子在水平面移动，要克服浮子的重力让它悬浮起来，就要在四个线圈下面再加一个大的环形磁铁提供斥力。所采用的霍尔传感器是一种测量磁场强度的元件，可以把通过它垂直面的磁力线强度转化为不同的电压值，这样本专利技术用电路读取之后就可以得到浮子的位置信息了。霍尔传感器的安装位置是测量通过其垂直面的磁力线，也就是浮子发出的磁力线，而本专利技术电磁线圈在调节的同时磁力线也在变，如果这个变化被霍尔感应到了结果就很不可靠了，所以霍尔的安装位置应该是位于四个线圈的中间高度，这里的磁力线刚好是与霍尔平行，不产生影响。为了让悬浮更加稳定，本专利技术采用了PID控制的平衡算法。传动装置主要是电机通过传送带与小齿轮相连，做圆周运动，从而让两个电机的两个轨道做同圆点的圆周运动。进一步，通过电机调速板手动控制电机的转速，从而让神舟飞船模型变轨后慢慢降低速度逐渐追上天宫一号模型后与天宫一号模型保持同速做圆周运动。调速器是一种自动调节装置，用于减小某些机器非周期性速度波动的自动调节装置。可使机器转速保持定值或接近设定值。该US425-02调速控制器的特点：1.具有瞬时转换正转，逆转功能。因采用平衡绕线方式，并内装简易制动机构，能正转，反转，其正反旋转特性同样均匀且稳定运载额定式30分钟额定。感应马达和可逆式马达的不同点；2.可逆式是能瞬时转换正、反转，但感应式马达将接线转换到反转，会发生旋转磁场和逆方向的转矩，故不能旋转负载时转换逆方向。进一步，制作一个半球，模拟宇宙星空，将所有的机械部分放在半球内；每个磁悬浮装置具有一定的重量，所以采用杠杆原理，给每个轨道右侧增加一个配重，从而使装置保持平衡状态；在电机的控制下，电动推杆缓慢的伸长和收缩；通过调速器控制电机的转速完成航天器模型物理空间中交会对接操作。交会对接中追踪航天器和目标航天器均为三轴稳定航天器，基于交会对接的背景，主要讨论三轴稳定航天器的姿态控制。轨道控制因为其作用时间一般不长，而且航天器摄动力和控制力相比非常小，因而一般只考虑两体作用力和控制力。建立在姿态动力学模型和控制方程基础上，针对三轴稳定航天器的姿态控制系统和轨道推进系统的控制律进行初步设计，研究姿态控制系统的相平面控制律和轨道控制系统的比例微分控制律。在最终逼近段，追踪航天器一般沿视线以准直线轨迹逼近目标航天器，根据飞行轨迹安全性，相对导航视场角，以及捕获与对接的技术要求，实施相对位置和姿态自主控制。相对位姿及其变化率由相对导航系统获得，计算机视觉系统是相对位姿确定的常用手段。一般情况下，目标航天器是合作航天器，相对惯性坐标系或Hill坐标系(目标航天器轨道坐标系)保持本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种磁悬浮演示航天器交会对接科教装置，其特征在于，所述磁悬浮演示航天器交会对接科教装置设置有：2台用于提供动能的电机，两台电机通过传动装置将两根不同长度的轨道绕圆心做圆周运动；2条电动推杆，所述电动推杆安装于所述电机的顶部，每条所述电动推杆通过传动装置与一个所述电机连接；以及用于对所述电机进行转速和转向进行调节的磁悬浮装置，所述磁悬浮装置通过导线连接所述电机。
【技术特征摘要】
1.一种磁悬浮演示航天器交会对接科教装置，其特征在于，所述磁悬浮演示航天器交会对接科教装置设置有：2台用于提供动能的电机，两台电机通过传动装置将两根不同长度的轨道绕圆心做圆周运动；2条电动推杆，所述电动推杆安装于所述电机的顶部，每条所述电动推杆通过传动装置与一个所述电机连接；以及用于对所述电机进行转速和转向进行调节的磁悬浮装置，所述磁悬浮装置通过导线连接所述电机。2.如权利要求1所述的磁悬浮演示航天器交会对接科教装置，其特征在于，所述磁悬浮装置由磁铁、浮、线圈和电路板组成，通过制作线圈和电路板，通上电以后让浮子稳定悬浮。...
【专利技术属性】
技术研发人员：钱航，
申请(专利权)人：钱航，
类型：发明
国别省市：北京,11
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