一种用于评价微重力双轴回转器的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于评价微重力双轴回转器的方法，该双轴回转器由内、外环组成，所述的用于评价微重力双轴回转器的方法包含如下步骤：１１）对双轴回转器进行物理建模；１２）建立基座坐标系、内环坐标系和外环坐标系三个坐标系，如附图２所示，其中，基座坐标系为固定坐标系；１３）利用坐标系旋转的矢量特性，最终推导出物体的视重力加速度公式，该视重力加速度为重力加速度在内环坐标系下的投影，其值为内、外环旋转产生的加速度和重力加速度的矢量和；１４）根据微重力双轴回转器设置的参数，利用视重力加速度公式和仿真平台评价参数设置模拟微重力的效果，如果得到的视重力加速度能达到所有的旋转位置则该参数设置能模拟微重力效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及模拟生物微重力效应的双轴回转器，特别涉及。
技术介绍
随着航天事业的发展，太空中的微重力效应逐渐引起了科研人员的重视。生物、材料等物质在微重力环境下会显现出在重力环境中所不具备的一些独特特性，从而带动了相关领域的科技发展，其中生物学的微重力学效应更是微重力学研究的热点之一。但由于航天环境复杂、费用高昂，令许多实验无法开展，因此，利用地面实验装置进行微重力效应模拟成为了许多实验的首选。 在生物学失重效应的模拟当中，微重力回转器(Clinostat)是一种较好的模拟方法。与其它模拟方法相比，回转器具有模拟时间长、运转费用低、环境单一等特点，因此受到了研究者们的广泛欢迎。 回转器是利用了某些生物学实验中实验品对重力的变化有滞后效应(如某些生物细胞，植物的根、茎等)，在短时间内使实验品所受到的重力方向连续改变，就可以在这种实验品上等效的模拟出微重力环境下的生物学过程。回转器参数的设定对于微重力效应的模拟起着至关重要的作用。但由于可调节的运动参数较多，试验品在回转器中的运动和受力情况复杂，因此，不同的参数设置对试验品运动情况的影响如何，一直都是一个困扰研究人员的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于，为克服不同的参数设置对试验品运动情况的影响如何，提出了，并借助Matlab平台对不同的参数设置进行模拟。 为实现上述专利技术目的，本专利技术提出了，该双轴回转器由内、外环组成，内、外环分别独立围绕各自的轴进行360度旋转，物体固定在内环上随内环旋转，其特征在于，所述的用于评价微重力双轴回转器的方法包含如下步骤 11)对双轴回转器进行物理建模； 12)建立基座坐标系、内环坐标系和外环坐标系三个坐标系，如附图2所示，其中，基座坐标系为固定坐标系； 13)利用坐标系旋转的矢量特性，最终推导出物体的视重力加速度公式，该视重力加速度为重力加速度在内环坐标系下的投影，其值为内、外环旋转产生的加速度和重力加速度的矢量和； 14)根据微重力双轴回转器设置的参数，利用上述的视重力加速度公式评价该参数设置模拟微重力的效果，如果得到的视重力加速度能达到所有的旋转位置则该参数设置能模拟微重力效果，微重力双轴回转器能模拟微重力，否则参数设置不当，微重力双轴回转器不能模拟微重力。 所述的用于评价微重力双轴回转器的方法，其特征在于，所述的外环固定在基座上，内环固定在外环上。 所述的用于评价微重力双轴回转器的定方法，其特征在于，所述的外环-基座之间的方向余弦如下表 所述的内环-外环之间的方向余弦如下表 由此，所述的内环-基座之间的方向余弦如下表 所述的用于评价微重力双轴回转器的方法，其特征在于，步骤13)进一步包含 13-1)根据旋转坐标系下的变换原理得到外环与基座之间和内环与外环之间的方向余弦，并推导出内环与基座之间的方向余弦； 物体在坐标系中的位置公式为； r＝xi+yj+zk 所述的固定在内环坐标系下的物体有固定的内环坐标(Xi，Yi，Zi)； 所述的物体在基座标系下的相应位置为 物体在基座坐标系下绝对角速度沿着x、y和z坐标轴的分量分别为 13-2)重力加速度为基座坐标系下垂直于地面大小为g的加速度，公式为g＝-gkb 根据内环与基座之间的坐标余弦表，可知 Zbkb＝-sinθicosθoXiii+sinθoYiji+cosθicosθoZiki 将重力加速度g在内环坐标轴上的分量用 表示则 由以上三个公式得到重力加速度 13-4)坐标系以角速度ω进行旋转，则矢量G的导数最终表示为 根据动力学以及空间旋转坐标系性质上式最终表示为 13-5)将旋转物体的速度v带入上式，得 物体由于坐标系旋转产生的绝对加速度在内环坐标系下的分量为 根据物体的视加速度A由重力加速度g和坐标系旋转产生的加速度W在内环坐标系下的投影之和，公式为A＝g+W 其沿内环坐标系下各轴的分量为 所述的微重力双轴回转器参数设定方法，其特征在于，物体运动过程中的加速度包含内外环旋转产生的加速度和重力加速度。 所述的微重力双轴回转器参数设定方法，其特征在于，步骤12)所述的外环固定在基座上，内环固定在外环上；内环，及外环围绕各自的轴进行独立360度旋转。 在回转器实验中，物件固定于内环坐标系下，并随内外环旋转而运动。此时物件所感受的加速度称为“视加速度”，即为物件的相对于地面坐标系的绝对加速度在内环坐标系下的投影。 物件在运动过程中的加速度主要由2部分构成由于内外环旋转产生的加速度和重力加速度。因此，计算物件的视加速度即为旋转产生的加速度和重力加速度在内环坐标系下的投影。 参数定义 设内环和外环的参数分别用下标o和i来表示，上标0表示初始值。这样，参数定义即表1所示 双轴回转器经过旋转后，内外环与初始位置的夹角θ为 而角速度ω为 角速度的导数即为角加速度ξ为 另外，在本文的分析中，假设内外环的角加速度为常量，即 本专利技术的优点在于，提出了一些有助于判断微重力双轴回转器模拟微重力效应的参数指标，可以辅助使用回转器进行生物学微重力效应研究的科研人员进行回转器参数的设计，更准确的把握不同参数设置对微重力模拟的效果。 附图说明 图1是内外环构成的双轴回转器； 图2是建立基座标系，内环坐标系以及外环坐标系； 图3是空间中单位矢量； 图4是Matlab仿真平台； 图5是当Xi＝Yi＝Zi＝0.1(m)，ωi＝ωo＝0.1(rad/s)时运行情况图； 图6是当Xi＝Yi＝Zi＝0.1(m)，ωi＝ωo＝1(rad/s)时运行情况图； 图7是当Xi＝Zi＝0.1(m)Yi＝0(m)，ωi＝0.1(rad/s)ωo＝1(rad/s)时运行情况图； 图8是当Xi＝Yi＝Zi＝0.1(m)，ωiωo随机时的运行情况图； 图9是Xi＝Zi＝0.1(m)Yi＝0(m)，ωiωo随机时的运行情况图； 图10是当Xi＝Zi＝0.01(m)Yi＝0(m)，ωiωo随机时的运行情况图； 图11是当Xi＝Zi＝0.01(m)Yi＝0.1(m)，ωiωo随机时的运行情况图； 图12是当Xi＝0.12(m)，Yi＝0.08(m)，Zi＝0.19(m)，ωi＝0.2(rpm)ωo＝0.2(rpm)定速旋转时的运行情况图； 图13是当Xi＝0.12(m)，Yi＝0.08(m)，Zi＝0.19(m)，ωi＝0.5(rpm)ωo＝0.5(rpm)定速旋转时的运行情况图； 图14是当Xi＝0.12(m)，Yi＝0.08(m)，Zi＝0.19(m)，ωi＝2(rpm)ωo＝2(rpm)定速旋转时的运行情况图； 图15是当Xi＝0.12(m)，Yi＝0.08(m)，Zi＝0.19(m)，ωiωo随机旋转时运行情况图。 具体实施例方式 下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细的说明。 1)建立坐标系并进行坐标变换 建立基座标系，外环坐标系和内环坐标系，如附图2所示； 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于评价微重力双轴回转器的方法，该双轴回转器由内、外环组成，内、外环分别独立围绕各自的轴进行３６０度旋转，物体固定在内环上随内环旋转，其特征在于，所述的用于评价微重力双轴回转器的方法包含如下步骤：１１）对双轴回转器进行物理建模；１２）建立基座坐标系、内环坐标系和外环坐标系三个坐标系，如附图２所示，其中，基座坐标系为固定坐标系；１３）利用坐标系旋转的矢量特性，最终推导出物体的视重力加速度公式，该视重力加速度为重力加速度在内环坐标系下的投影，其值为内、外环旋转产生的加速度和重力加速度的矢量和；１４）根据微重力双轴回转器设置的参数，利用上述的视重力加速度公式评价该参数设置模拟微重力的效果，如果得到的视重力加速度能达到所有的旋转位置则该参数设置能模拟微重力效果，微重力双轴回转器能模拟微重力，否则参数设置不当，微重力双轴回转器不能模拟微重力。

【技术特征摘要】
1.一种用于评价微重力双轴回转器的方法，该双轴回转器由内、外环组成，内、外环分别独立围绕各自的轴进行360度旋转，物体固定在内环上随内环旋转，其特征在于，所述的用于评价微重力双轴回转器的方法包含如下步骤11)对双轴回转器进行物理建模；12)建立基座坐标系、内环坐标系和外环坐标系三个坐标系，如附图2所示，其中，基座坐标系为固定坐标系；13)利用坐标系旋转的矢量特性，最终推导出物体的视重力加速度公式，该视重力加速度为重力加速度在内环坐标系下的投影，其值为内、外环旋转产生的加速度和重力加速度的矢量和；14)根据微重力双轴回转器设置的参数，利用上述的视重力加速度公式评价该参数设置模拟微重力的效果，如果得到的视重力加速度能达到所有的旋转位置则该参数设置能模拟微重力效果，微重力双轴回转器能模拟微重力，否则参数设置不当，微重力双轴回转器不能模拟微重力。2.根据权利要求1所述的用于评价微重力双轴回转器的方法，其特征在于，所述的外环固定在基座上，内环固定在外环上。3.根据权利要求1所述的用于评价微重力双轴回转器的定方法，其特征在于，所述的外环-基座之间的方向余弦如下表所述的内环-外环之间的方向余弦如下表由此，所述的内环-基座之间的方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：王迪，蒋远大，张志远，王鲁锋，李维宁，翟光杰，
申请(专利权)人：中国科学院空间科学与应用研究中心，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]