重力补偿系统、航天器相对运动地面悬吊实验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种重力补偿系统、航天器相对运动地面悬吊实验系统及方法，其中悬吊式重力补偿系统包括支撑架、随动单元、第一吊索和第一控制器，所述随动单元设于支撑架上；第一吊索的一端与随动单元固连，第一吊索的另一端用于与追踪模拟器固连；随动单元的控制端与第一控制器电连接；第一控制器用于根据追踪模拟器的位置和速度信息控制随动平台改变水平位置，使得随动平台在水平方向跟随追踪模拟器的运动轨迹。本发明专利技术利用悬吊式重力补偿系统提供三维相对位置运动条件，从而能够在地面开展模拟器的三维相对位置运动地面实验，大大拓展了实验的可信度和应用范围。

【技术实现步骤摘要】
重力补偿系统、航天器相对运动地面悬吊实验系统及方法
本专利技术属于航天器相对运动地面实验领域，特别涉及一种重力补偿系统、航天器相对运动地面悬吊实验系统及方法。
技术介绍
在控制方法应用到真实空间航天器之前，需要通过实验对其进行严格的验证。最理想的方式是专门发射一颗卫星到太空以对姿轨控制方法进行验证，这种验证方式由于风险过大、成本过高而在现实中较难实现。目前较可行的方式是在地面实验台验证姿轨控制算法。为了能在地面实验室真实反映空间中两航天器间的相对运动动力学关系，有两个关键问题需要解决。一是如何将空间中真实航天器的大尺度相对运动与地面模拟器的小尺度相对运动建立相似关系。二是地面实验台能否真实模拟空间中的微重力环境。第一个问题可以通过相似性分析法和量纲分析法来解决。针对第二个问题，目前主流的方法是通过建立地面气浮台以给地面模拟器提供近乎无摩擦的二维平面运动和地面模拟器自身的一维姿态转动。对于三维相对位置运动的模拟，地面气浮台显然无法满足要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对现有技术中无法为地面模拟器提供三维相对位置运动条件的不足，提供一种重力补偿系统、航天器相对运动地面悬吊实验系统及方法，利用悬吊式重力补偿系统提供三维相对位置运动条件，从而能够在地面开展模拟器的三维相对位置运动地面实验，大大拓展了实验的可信度和应用范围。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种悬吊式重力补偿系统，其特点是包括支撑架、随动单元、第一吊索和第一控制器，其中：所述随动单元设于支撑架上；第一吊索的一端与随动单元固连，第一吊索的另一端用于与追踪模拟器固连；随动单元的控制端与第一控制器电连接；第一控制器：用于根据追踪模拟器的位置和速度信息控制随动平台改变水平位置，使得随动平台在水平方向跟随追踪模拟器的运动轨迹。作为一种优选方式，还包括第一通讯单元，追踪模拟器的第一惯导系统通过第一通讯单元与第一控制器电连接；第一惯导系统：用于获取追踪模拟器的位置和速度信息，并通过第一通讯单元将获得的位置和速度信息发送至第一控制器。基于同一个专利技术构思，本专利技术还提供了一种航天器相对运动地面悬吊实验系统，包括追踪模拟器和目标模拟器，追踪模拟器具有第一星载计算机和喷气系统；第一星载计算机内置有姿轨控制算法；第一星载计算机与喷气系统的控制端电连接；其特点是还包括第二控制器和所述的悬吊式重力补偿系统，第一控制器和第二控制器均与第一星载计算机电连接；目标模拟器通过第二吊索悬吊于所述支撑架，追踪模拟器通过第一吊索悬吊于所述随动单元；第二控制器：用于获得目标模拟器的位置、速度、姿态和角速度信息并将其发送给第一星载计算机；第一控制器：用于获得追踪模拟器的位置、速度、姿态和角速度信息并将其发送给第一星载计算机；第一星载计算机：用于根据第一控制器和第二控制器发送的信息，计算出目标模拟器和追踪模拟器二者的相对位置、相对速度、相对姿态和相对角速度；用于根据目标模拟器和追踪模拟器二者的相对关系，运用姿轨控制算法求得控制追踪模拟器的喷气系统的控制指令；喷气系统：用于根据控制指令喷出冷气，获得对追踪模拟器的姿轨进行控制的对应控制力和控制力矩，使得追踪模拟器追踪目标模拟器。作为一种优选方式，还包括第一通讯单元和第二通讯单元，追踪模拟器还具有第一惯导系统，目标模拟器具有第二惯导系统；第一惯导系统通过第一通讯单元与第一控制器电连接；第二惯导系统通过第二通讯单元与第二控制器电连接；第一惯导系统：用于获取追踪模拟器的位置、速度、姿态和角速度信息，并通过第一通讯单元将获得的信息发送至第一控制器；第二惯导系统：用于获取目标模拟器的位置、速度、姿态和角速度信息，并通过第二通讯单元将获得的信息发送至第二控制器。进一步地，还包括与第二控制器电连接的人机交互单元；所述追踪模拟器还具有摄像单元，摄像单元通过第二通讯单元与第二控制器电连接；第二控制器还包括显示单元；摄像单元：用于获取目标模拟器的图像信息并将该图像信息通过第二通讯单元发送至第二控制器的显示单元显示；人机交互单元：用于通过第二控制器发出姿轨控制指令至第一星载计算机；第一星载计算机：用于根据姿轨控制指令控制追踪模拟器的喷气系统喷出冷气，获得对追踪模拟器的姿轨进行控制的对应控制力和控制力矩，使得追踪模拟器追踪目标模拟器。基于同一个专利技术构思，本专利技术还提供了一种利用所述航天器相对运动地面悬吊实验系统的试验方法，包括自动控制模式，自动控制模式包括以下步骤：步骤A1，获得目标模拟器的位置、速度、姿态和角速度信息并将其发送给第一星载计算机；获得追踪模拟器的位置、速度、姿态和角速度信息并将其发送给第一星载计算机；步骤B1，根据第一控制器和第二控制器发送的信息，计算出目标模拟器和追踪模拟器二者的相对位置、相对速度、相对姿态和相对角速度；根据目标模拟器和追踪模拟器二者的相对关系，运用姿轨控制算法求得控制追踪模拟器的喷气系统的控制指令；步骤C1，喷气系统根据控制指令喷出冷气，获得对追踪模拟器的姿轨进行控制的对应控制力和控制力矩，使得追踪模拟器追踪目标模拟器。进一步地，还包括手动控制模式，手动控制模式包括以下步骤：步骤A2，获取目标模拟器的图像信息并将该图像信息通过第二通讯单元发送至第二控制器的显示单元显示；步骤B2，根据图像信息，人机交互单元通过第二控制器发出姿轨控制指令至第一星载计算机；步骤C2，第一星载计算机根据姿轨控制指令控制追踪模拟器的喷气系统喷出冷气，获得对追踪模拟器的姿轨进行控制的对应控制力和控制力矩，使得追踪模拟器追踪目标模拟器。与现有技术相比，本专利技术利用悬吊式重力补偿系统提供三维相对位置运动条件，从而能够在地面开展模拟器的三维相对位置运动地面实验，大大拓展了实验的可信度和应用范围。附图说明图1为本专利技术悬吊式重力补偿系统机械结构示意图。图2为本专利技术航天器相对运动地面悬吊实验系统电路结构示意图。图3为地面模拟器质心相对运动控制方框图。图4为施密特触发器工作原理图。图5为追踪模拟器与目标模拟器的欧拉角变化曲线图。图6为追踪模拟器与目标模拟器的角速度变化曲线图。图7为追踪模拟器对接口与目标模拟器对接口的三维运动图。图8为追踪模拟器对接口与目标模拟器对接口的相对距离变化曲线图。图9为追踪模拟器质心位置各分量与相应期望位置随时间的变化曲线图。图10为追踪模拟器质心速度各分量随时间变化曲线。图11为追踪模拟器的控制力矩变化曲线图。图12为追踪模拟器的控制加速度变化曲线图。其中，1为悬吊式重力补偿系统，101为支撑架，102为随动单元，103为第一吊索，104为第一控制器，105为第一通讯单元，2为追踪模拟器，201为第一星载计算机，202为第一惯导系统，203为摄像单元，204为喷气系统，3为目标模拟器，301为第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种悬吊式重力补偿系统，其特征在于，包括支撑架(101)、随动单元(102)、第一吊索(103)和第一控制器(104)，其中：/n所述随动单元(102)设于支撑架(101)上；第一吊索(103)的一端与随动单元(102)固连，第一吊索(103)的另一端用于与追踪模拟器(2)固连；随动单元(102)的控制端与第一控制器(104)电连接；/n第一控制器(104)：用于根据追踪模拟器(2)的位置和速度信息控制随动平台改变水平位置，使得随动平台在水平方向跟随追踪模拟器(2)的运动轨迹。/n

【技术特征摘要】
1.一种悬吊式重力补偿系统，其特征在于，包括支撑架(101)、随动单元(102)、第一吊索(103)和第一控制器(104)，其中：
所述随动单元(102)设于支撑架(101)上；第一吊索(103)的一端与随动单元(102)固连，第一吊索(103)的另一端用于与追踪模拟器(2)固连；随动单元(102)的控制端与第一控制器(104)电连接；
第一控制器(104)：用于根据追踪模拟器(2)的位置和速度信息控制随动平台改变水平位置，使得随动平台在水平方向跟随追踪模拟器(2)的运动轨迹。


2.如权利要求1所述的悬吊式重力补偿系统，其特征在于，还包括第一通讯单元(105)，追踪模拟器(2)的第一惯导系统(202)通过第一通讯单元(105)与第一控制器(104)电连接；
第一惯导系统(202)：用于获取追踪模拟器(2)的位置和速度信息，并通过第一通讯单元(105)将获得的位置和速度信息发送至第一控制器(104)。


3.一种航天器相对运动地面悬吊实验系统，包括追踪模拟器(2)和目标模拟器(3)，追踪模拟器(2)具有第一星载计算机(201)和喷气系统(204)；第一星载计算机(201)内置有姿轨控制算法；第一星载计算机(201)与喷气系统(204)的控制端电连接；
其特征在于，还包括第二控制器(4)和如权利要求1或2所述的悬吊式重力补偿系统(1)，第一控制器(104)和第二控制器(4)均与第一星载计算机(201)电连接；
目标模拟器(3)通过第二吊索(5)悬吊于所述支撑架(101)，追踪模拟器(2)通过第一吊索(103)悬吊于所述随动单元(102)；
第二控制器(4)：用于获得目标模拟器(3)的位置、速度、姿态和角速度信息并将其发送给第一星载计算机(201)；
第一控制器(104)：用于获得追踪模拟器(2)的位置、速度、姿态和角速度信息并将其发送给第一星载计算机(201)；
第一星载计算机(201)：用于根据第一控制器(104)和第二控制器(4)发送的信息，计算出目标模拟器(3)和追踪模拟器(2)二者的相对位置、相对速度、相对姿态和相对角速度；用于根据目标模拟器(3)和追踪模拟器(2)二者的相对关系，运用姿轨控制算法求得控制追踪模拟器(2)喷气系统(204)的控制指令；
喷气系统(204)：用于根据控制指令喷出冷气，获得对追踪模拟器(2)的姿轨进行控制的对应控制力和控制力矩，使得追踪模拟器(2)追踪目标模拟器(3)。


4.如权利要求3所述的航天器相对运动地面悬吊实验系统，其特征在于，还包括第一通讯单元(105)和第二通讯单元(6)，追踪模拟器(2)还具有第一惯导系统(202)，目标模拟器(3)具有第二惯导系统(302)；
第一惯导系统(202)通过第一通讯单元(105)与第一控制器(104)电连接；
第二惯导系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海阳，刘将辉，陆林，周剑勇，郭帅，何湘粤，杨路易，赵剑，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43