一种高精度指向定位三自由度气浮模拟器

摘要

一种高精度指向定位三自由度气浮模拟器，包括平动平台和姿态平台；平动平台以气浮的方式将整个模拟器安放在微重力环境中，平动平台与姿态平台之间固连，平动平台为整个模拟器提供动力源；所述的姿态平台包括CCD相机(1)、伺服系统(2)、iGPS非接触接收器(3)、指向机构惯性导航系统(5)、轨道运动控制器(6)、气浮模拟器惯性导航系统(7)、姿态平台底板(8)；所述的伺服系统(2)包括指向杆(21)、圆弧导轨(22)、导向滑轮(24)、驱动装置(26)、旋转轴承(27)。

权利要求

1.一种高精度指向定位三自由度气浮模拟器，其特征在于：包括平动平台和姿态平台；

平动平台以气浮的方式将整个模拟器安放在微重力环境中，平动平台与姿态平台之间固连，平动平台为整个模拟器提供动力源；

所述的姿态平台包括CCD相机(1)、伺服系统(2)、iGPS非接触接收器(3)、指向机构惯性导航系统(5)、轨道运动控制器(6)、气浮模拟器惯性导航系统(7)、姿态平台底板(8)；所述的伺服系统(2)包括指向杆(21)、圆弧导轨(22)、导向滑轮(24)、驱动装置(26)、旋转轴承(27)；

姿态平台底板(8)为圆形结构；圆弧导轨(22)安装在姿态平台底板(8)上；指向杆(21)通过旋转轴承(27)连接在姿态平台底板(8)的中心位置，并可绕旋转轴承(27)沿圆弧导轨(22)转动；在指向杆(21)上与圆弧导轨(22)配合处均设置有导向滑轮(24)，指向机构惯性导航系统(5)和驱动装置(26)安装在指向杆(21)上，iGPS非接触接收器(3)安装在姿态平台底板(8)上，用于采集目标中心点的坐标，并将采集的坐标发送至轨道运动控制器(6)；指向机构惯性导航系统(5)测量指向杆(21)与姿态平台底板(8)之间的相对转动角度并将该角度发送至轨道运动控制器(6)；轨道运动控制器(6)根据接收的坐标及转动角度进行闭环控制，通过驱动装置(26)使指向杆(21)一直指向目标，所述的圆弧导轨(22)为双层结构，上层为V型突起，与导向滑轮(24)上的V型槽配合，圆弧导轨(22)下层为齿圈结构，与驱动装置(26)的驱动齿轮啮合实现对指向杆(21)沿圆周方向的驱动；气浮模拟器惯性导航系统(7)测量模拟器行进过程中姿态平台底板(8)相对大地坐标系Z轴旋转的角度，将该角度发送至轨道运动控制器(6)，轨道运动控制器(6)根据该旋转的角度进行轨道闭环控制，通过控制安装在姿态平台底板上的喷管，消除姿态平台底板(8)相对大地坐标系Z轴旋转；指向杆(21)前端安装CCD相机，通过CCD相机对进入相机视场角范围内安装在目标上的可见光靶标进行距离测量。

2.根据权利要求1所述的模拟器，其特征在于：所述的驱动装置(26)安装在指向杆(21)上且远离姿态平台底板(8)中心的位置。

3.根据权利要求1所述的模拟器，其特征在于：还包括安装在指向杆(21)上的润滑快，润滑块与圆弧导轨(22)的V型突起配合润滑。

4.根据权利要求1所述的模拟器，其特征在于：指向杆(21)伸出圆弧导轨(22)的部分至少为圆弧导轨(22)半径的1.5倍。

5.根据权利要求1所述的模拟器，其特征在于：圆弧导轨(22)的外齿圈啮合的回差小于

1mm。

说明书

一种高精度指向定位三自由度气浮模拟器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高精度指向定位三自由度气浮模拟器，具体说涉及一种空间微重力环境高精度末端指向定位装置。

背景技术

[0002] 在智能化自主式的空间突防过程中，应用气浮模拟器提供空间突防有效性验证具有可行性。基于气浮模拟器上安装的红外探测器、主动雷达等多种探测器引导，制导控制系统实时计算目标位置并根据程序角指引实现目标跟踪，完成智能突防验证试验。

[0003] 传统的数学和半实物仿真无法真实模拟各系统的工作误差和响应延迟，很难对攻防过程和拦截能力进行准确描述与量化评估。气浮平台是一种新型的地面半实物仿真方式，通过微重力环境模拟攻防对抗过程，可对突防的近距离对抗过程进行准确描述，提升过载对抗突防有效性验证精度。为了保证两个模拟器能够进行碰撞模拟脱靶量，同时还要求模拟器本体自身不能碰撞，就需要在模拟器上端安装模拟碰撞点。但是考虑到模拟器控制是针对模拟器等效中心的控制，为了减少导引头测量误差和本体定位测角测量误差，通常希望导引头和定位装置在等效中心处。所以碰撞点的设计要保证对导引头测角和模拟器定位的需求。

[0004] 图2是两个模拟器等效碰撞点碰撞示意图，其中模拟器1的等效碰撞点为伸出式撞针，而模拟器2的碰撞点为中心式弹簧杆。

[0005] 三自由度高精度末端指向定位气浮模拟器是针对图2中模拟器1的实际需求提出，研制高精度末端指向定位三自由度气浮模拟器院研发中心某项目的基于气浮平台的过载对抗有效性验证试验验证需求提出，为验证突防有效性，需要通过微重力环境模拟对抗过程，并对近距离对抗过程进行准确描述，提升过载对抗有效性验证精度。

[0006] 模拟器1要求在运动过程中，红外目标等效点指向精度要求较高，本发明应用高精度惯导系统作为平台反馈，应用冷气喷嘴和飞轮进行组合控制，建立气浮模拟器沿偏航轴的稳定平台。采用圆弧导轨设计，提高长臂杆刚度的同时，采用独立惯导系统作为长臂杆姿态角度反馈，构建末端指向杆闭环控制系统，提高末端指向定位精度。

发明内容

[0007] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高精度指向定位三自由度气浮模拟器。

[0008] 本发明的技术解决方案是：一种高精度指向定位三自由度气浮模拟器，包括平动平台和姿态平台；

[0009] 平动平台以气浮的方式将整个模拟器安放在微重力环境中，平动平台与姿态平台之间固连，平动平台为整个模拟器提供动力源；

[0010] 所述的姿态平台包括CCD相机、伺服系统、iGPS非接触接收器、指向机构惯性导航系统、轨道运动控制器、气浮模拟器惯性导航系统、姿态平台底板；所述的伺服系统包括指向杆、圆弧导轨、导向滑轮、驱动装置、旋转轴承；

[0011] 姿态平台底板为圆形结构；圆弧轨道安装在姿态平台底板上；指向杆通过旋转轴承连接在姿态平台底板的中心位置，并可绕旋转轴承沿圆弧导轨转动；在指向杆上与圆弧导轨配合处均设置有导向滑轮，指向机构惯性导航系统和驱动装置安装在指向杆上，iGPS非接触接收器安装在姿态平台底板上，用于采集目标中心点的坐标，并将采集的坐标发送至轨道运动控制器；指向机构惯性导航系统测量指向杆与姿态平台底板之间的相对转动角度并将该角度发送至轨道运动控制器；轨道运动控制器根据接收的坐标及转动角度进行闭环控制，使指向杆一直指向目标；气浮模拟器惯性导航系统测量模拟器行进过程中姿态平台底板相对大地坐标系Z轴旋转的角度，将该角度发送至轨道运动控制器，轨道运动控制器根据该旋转的角度进行轨道闭环控制，通过控制安装在姿态平台底板上的喷管，消除姿态平台底板相对大地坐标系Z轴旋转；指向杆前端安装CCD相机，通过CCD相机对进入相机视场角范围内安装在目标上的可见光靶标进行距离测量。

[0012] 所述的驱动装置安装在指向杆上且远离姿态平台底板中心的位置。

[0013] 所述的圆弧导轨为双层结构，上层为V型突起，与导向滑轮上的V型槽配合，圆弧导轨下层为齿圈结构，与驱动装置的驱动齿轮啮合实现对指向杆沿圆周方向的驱动。

[0014] 还包括安装在指向杆上的润滑快，润滑块与圆弧导轨的V型突起配合润滑。

[0015] 指向杆伸出圆弧导轨的部分至少为圆弧导轨半径的1.5倍。

[0016] 圆弧导轨的外齿圈啮合的回差小于1mm。

[0017] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0018] (1)实现微重力环境长臂杆末端精确指向定位技术。方案采用气浮模拟器结合机电伺服系统实现，具体方法为：气浮模拟器和指向杆系统具备独立的位姿监测和闭环控制系统，末端指向杆以气浮台为稳定平台进行伺服控制，实现长臂杆的末端高精度位姿指向定位。

[0019] (2)采用iGPS接收器安装于气浮模拟器中心设计，实现气浮模拟器位置控制与姿态控制分离。具体为：将iGPS安装于模拟器中心位置，通过构建位置闭环控制系统，实现模拟器高精度位置控制。通过气浮模拟器惯性导航系统构建激光闭环控制系统，实现对三自由度气浮模拟器本体姿态的精确控制和调节。通过指向机构惯性导航系统构建机电伺服闭环控制系统，实现对末端指向杆高精度角度控制。

[0020] (3)采用高像素CCD相机俯视测试方案，可实现相机视场角范围内所有可见光靶标的非接触测量，有效避免了大距离高精度二维非接触测量问题。具体为：在指向杆末端加装高像素CCD相机，相机可实现对其市场范围内可见光靶标的高精度距离测量，本方案拟选用OMRON的FZ5系列500万像素高速CCD相机，相机分辨率为2500X1900，则视野理论测量精度可以达到：0.06(mm/像素)，考虑算法控制精度及相机视野边界畸变影响，该方案位置测量精度：小于0.5(mm)，从而实现平面二维高精度非接触测量。

附图说明

[0021] 图1为本发明模拟器示意图；

[0022] 图2为本发明平动平台示意图；

[0023] 图3为本发明姿态平台示意图；

[0024] 图4为本发明CCD相机非接触测量原理图。

具体实施方式

[0025] 气浮式运动模拟器可以在地面用来模拟航天器微重力情况下的空间活动，这是研制卫星等航天器过程中特有的一种地面全物理仿真方法，与数学仿真相比，直接以硬件接入回路，对于验证航天器控制系统方案设计的正确性，检验实际控制系统的功能和性能十分重要。

[0026] 如图1所示，本发明三自由度气浮模拟器包括平动平台和姿态平台；姿态平台的主要功能是控制指向杆的精确指向并对模拟器的位姿实时控制；平动平台主要功能是通过平面气浮轴承以气浮的方式将整个模拟器安放在微重力环境中；平动平台与姿态平台之间固连，平动平台为整个模拟器提供动力源；下面分别对每个部分进行详细说明。

[0027] (一)位姿平台

[0028] 姿态平台包括CCD相机1、伺服系统2、iGPS非接触接收器3、指向机构惯性导航系统5、轨道运动控制器6、气浮模拟器惯性导航系统7、姿态平台底板8；所述的伺服系统2包括指向杆21、圆弧导轨22、导向滑轮24、驱动装置26、旋转轴承27；

[0029] 姿态平台底板8为圆形结构；圆弧轨道22安装在姿态平台底板8上；指向杆21通过旋转轴承27连接在姿态平台底板8的中心位置，并可绕旋转轴承27沿圆弧导轨22转动；在指向杆21上与圆弧导轨22配合处均设置有导向滑轮24，指向机构惯性导航系统5和驱动装置26安装在指向杆21上，iGPS非接触接收器3安装在姿态平台底板8的中心位置，用于采集目标中心点的坐标，并将采集的坐标发送至轨道运动控制器6；指向机构惯性导航系统5测量指向杆21与姿态平台底板8之间的相对转动角度并将该角度发送至轨道运动控制器6；轨道运动控制器6根据接收的坐标及转动角度进行闭环控制，通过驱动装置26使指向杆21一直指向目标；气浮模拟器惯性导航系统7测量模拟器行进过程中姿态平台底板8相对大地坐标系Z轴旋转的角度，将该角度发送至轨道运动控制器6，轨道运动控制器6根据该旋转的角度进行轨道闭环控制，通过控制安装在姿态平台底板上的喷管，消除姿态平台底板8相对大地坐标系Z轴旋转。

[0030] 为了降低对驱动装置驱动精度的要求，本发明驱动装置26可以安装在指向杆21上且远离姿态平台底板8中心的位置。

[0031] 为了提高指向杆的指向精度，本方案采用圆弧导轨驱动方案。圆弧导轨采用双层结构，导轨上层为V型突起设计与指向杆的导向滑轮24配合，导向滑轮24有V型槽可以与导轨的V型突起紧密啮合实现导向作用。导轨下层为齿圈结构，与驱动装置26的驱动齿轮啮合实现驱动作用，圆弧导轨如图3所示。为了降低机构相对运动产生的摩擦，在指向杆21上安装润滑块，润滑块与圆弧导轨22的V型突起配合润滑。

[0032] 指向杆21伸出圆弧导轨22的部分至少为圆弧导轨22半径的1.5倍。指向杆21伸出圆弧导轨部分的前端安装CCD相机，通过CCD相机对进入相机视场角范围内安装在目标上的可见光靶标进行距离测量。

[0033] 根据项目实际需求，要求在一个二维环境内准确测量物体之间的距离。现有非接触式传感器不能很好的满足应用需求，设计如图4所示方案，利用高像素CCD相机实现撞针靶标的二维高精度非接触测量。具体为：在指向杆末端加装高像素CCD相机1，相机可实现对其市场范围内可见光靶标B的高精度距离测量(图中A为另一个可见光靶标)，本方案拟选用OMRON的FZ5系列500万像素高速CCD相机，相机分辨率为2500X1900，则视野理论测量精度可以达到：0.06(mm/像素)，考虑算法控制精度及相机视野边界畸变影响，该方案位置测量精度：小于0.5(mm)，从而实现平面二维高精度非接触测量。本发明采用高像素CCD相机俯视测试方案，可实现相机视场角范围内所有可见光靶标的非接触测量，有效避免了大距离高精度二维非接触测量难题。

[0034] 圆弧导轨(2)的外齿圈啮合的回差小于1mm。

[0035] (二)平动平台

[0036] 如图2所示平动平台示意图，平动平台包括升降柱13、第一气压管路14、第一控制器15、三个平面气浮轴承16、平动平台安装面板17以及平动平台锂电池；平动平台安装面板17为圆形；三个平面气浮轴承16均布在平动平台安装面板17下表面，用于支撑平动平台；升降柱13、第一气压管路14和第一控制器15均安装在平动平台安装面板17上表面，且升降柱
13位于平动平台安装面板17的中心位置，升降柱13为可伸缩升降柱，第一气压管路14用于为三个平面气浮轴承16供气；第一控制器15接收地面控制系统的启动指令和高度调节指令，根据地面控制系统的启动指令控制第一气压管路14的接通和关断，根据高度调节指令控制升降柱13的升降；第一控制器15还用于采集第一气压管路14的压力并输出给地面控制系统。当第一气压管路14的压力过低时，第一控制器15产生报警信号。

[0037] 在升降柱13中装有电机，第一控制器15通过控制电机来控制升降柱13的升降。

[0038] 平动平台锂电池安装在平动平台安装面板17上表面，用于为平动平台供电。TP平台通过三个平面气浮轴承6浮在水平面上，

[0039] 本发明说明书中未详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。