一種基於無線傳輸的三自由度空間模擬器的製造方法
2023-09-17 18:41:55
一種基於無線傳輸的三自由度空間模擬器的製造方法
【專利摘要】一種基於無線傳輸的三自由度空間模擬器，屬於航空航天領域模擬設備領域。為了解決空間仿真試驗設備中幹擾較大的問題。所述模擬器包括兩自由度平動部分和單自由度旋轉部分，所述模擬器的支撐面之間採用高壓氣瓶利用氣浮原理設計，兩自由度平動部分通過氣浮導軌、氣浮槽、X軸光柵尺和Y軸光柵尺實現水平XY方向的水平運動，單自由度旋轉部分通過旋轉軸、反作用飛輪和圓光柵尺實現360°順逆時針方向的運動，所述模擬器還包括三個通信控制器，分別採集X軸方向、Y軸方向和旋轉軸方向的位置信息，同時還用於驅動模擬器的噴嘴進行噴氣。所述三個通信控制器通過無線模塊與上位機進行通訊。它用於航空航天實驗模擬外太空微重力和微幹擾環境。
【專利說明】—種基於無線傳輸的三自由度空間模擬器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種航空航天領域模擬設備，特別是一種使用於航空航天設備模擬微重力和微幹擾的實驗環境裝置。
【背景技術】
[0002]目前隨著航空航天事業的蓬勃發展，太空飛行器的不斷研發，空間模擬仿真試驗是在太空飛行器發射太空之前必不可少的一環，空間模擬仿真的結果很大部分取決於空間模擬器在模擬太空微重力微幹擾的性能。目前，大多數的空間模擬器採用有線傳輸的方式，給模擬器帶來了幹擾。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是為了解決空間仿真試驗設備中幹擾較大的問題，本發明提供一種基於無線傳輸的三自由度空間模擬器。
[0004]本發明的一種基於無線傳輸的三自由度空間模擬器，
[0005]所述三自由度空間模擬器包括基座、X軸光柵尺、氣浮導軌、5個高壓氣瓶、X軸通信控制模塊、氣浮橫梁、下板、旋轉軸通信控制模塊、反作用飛輪、上板、旋轉軸、3個調壓閥、6個帶有電磁閥的噴嘴、氣浮套、Y軸光柵尺、圓光柵尺和Y軸通信控制模塊；
[0006]基座的頂面上設有兩條互相平行的氣浮槽，氣浮橫梁設置在基座上，氣浮橫梁的兩端的底部分別固定有氣浮導軌，且兩個氣浮導軌分別設置在基座的兩條氣浮槽內，所述氣浮橫梁頂部的兩端分別設置一個高壓氣瓶，所述兩個高壓氣瓶分別用於驅動兩個浮導軌形成氣浮面，X軸光柵尺設置在基座上，且與氣浮槽平行對齊設置；x軸通信控制模塊設置在靠近X軸光柵尺的氣浮導軌上；
[0007]氣浮套在氣浮橫梁的中部，下板設置在氣浮套的頂部，下板的中心位置與旋轉軸的固定端固定連接，所述下板上設置有2個高壓氣瓶、2個調壓閥、4個帶電磁閥的噴嘴和Y軸通信控制模塊，所述2個高壓氣瓶分別設置在旋轉軸的兩側；且所述2個高壓氣瓶的出氣口分別與所述2個調壓閥的進氣口連通；所述2個調壓閥的出氣口同時與所述4個帶電磁閥的噴嘴的進氣口連通；所述4個帶電磁閥的噴嘴的位置關於下板的中心位置且均勻分布；
[0008]Y軸光柵尺固定在氣浮橫梁上，所述Y軸光柵尺與氣浮橫梁的長度方向平行；
[0009]旋轉軸的旋轉端與上板的中心位置固定連接，所述上板的底面上固定由I個高壓氣瓶、旋轉軸通信控制模塊、蓄電池、I個調壓閥和2個帶有電磁閥的噴嘴，所述高壓氣瓶的出氣口與所述調壓閥的進氣口連通，該調壓閥的出氣口同時與所述2個帶有電磁閥的噴嘴的進氣口連通；所述2個帶有電磁閥的噴嘴的位置關於上板的中心位置呈鏡像對稱；反作用飛輪和圓光柵尺固定在上板的頂面上，該反作用飛輪的轉軸、所述圓光柵尺中心軸線和旋轉軸的中心軸線均重合；
[0010]X軸光柵尺的X軸檢測信號輸出端與X軸通信控制模塊的X軸檢測信號輸入端連接，
[0011]Y軸光柵尺的Y軸檢測信號輸出端與Y軸通信控制模塊的Y軸檢測信號輸入端連接，
[0012]圓光柵尺的旋轉軸檢測信號輸出端與Y軸通信控制模塊的旋轉軸檢測信號輸入端連接；
[0013]反作用飛輪的力矩速率信號輸出端與旋轉軸通信控制模塊的力矩速率信號輸入端連接；
[0014]Y軸通信控制模塊的噴氣控制信號輸出端與位於下板的4個帶有電磁閥的噴嘴的噴氣控制信號輸入端連接，
[0015]旋轉軸通信控制模塊的噴氣控制信號輸出端與位於上板的2個帶有電磁閥的噴嘴的噴氣控制信號輸入端連接；
[0016]旋轉軸通信控制模塊的力矩速率控制信號輸出端與反作用飛輪的力矩速率控制信號輸入端連接；
[0017]所述三自由度空間模擬器通過無線模塊與上位機進行通訊；
[0018]所述X軸通信控制模塊包括X軸控制器和第一無線模塊；
[0019]所述Y軸通信控制模塊包括Y軸控制器和第二無線模塊；
[0020]所述旋轉軸通信控制模塊包括旋轉軸控制器和第三無線模塊；
[0021]所述X軸控制器通過第一無線模塊向上位機發送X軸位置數據；
[0022]所述Y軸控制器通過第二無線模塊向上位機發送Y軸位置數據；
[0023]上位機通過第二無線模塊向Y軸控制器發送噴嘴噴氣控制指令；
[0024]所述旋轉軸控制器通過第三無線模塊向上位機發送反作用飛輪的力矩速率數據；
[0025]上位機通過第三無線模塊向旋轉軸控制器發送反作用飛輪的力矩速率控制指令和噴嘴噴氣指令。
[0026]本發明的優點在於，
[0027](I)幹擾性小
[0028]本發明通過無線模塊連接上位機和空間模擬器上的通信控制模塊，同時空間模擬器可以自帶蓄電池和高壓氣瓶，使整個空間模擬器與外界無任何有形的接觸。極大的減少了外界給空間仿真帶來的幹擾。
[0029](2)通用性強
[0030]本發明裝載能力大於100kg，且採用平面設計，滿足大多數太空飛行器仿真的需要。
[0031](3)結構簡單、維護方便
[0032]本發明的基座、氣浮導軌、氣浮橫梁和氣浮套採用大理石，性能穩定、耐腐蝕、美觀大氣。上下板、相關緊固件採用硬鋁合金，質量輕、強度高、不易生鏽。
[0033](4)精度高
[0034]本發明採用解耦設計，便於各個自由度獨立運動，平動位置控制精度優於I毫米，姿態角控制精度優於2X 10_3度。
[0035](5)擾動小
[0036]本發明採用氣浮技術，材料選用光滑度較高的大理石面和硬鋁合金，摩擦力小。[0037](6)實時性好
[0038]本發明採用RTX處理，實現微秒級準確定時控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]圖1為【具體實施方式】一所述的一種基於無線傳輸的三自由度空間模擬器的結構示意圖。
[0040]圖2為圖1的俯視圖。
[0041]圖3為圖1的右視圖。
[0042]圖4為【具體實施方式】一所述的一種基於無線傳輸的三自由度空間模擬器的電氣原理示意圖。
【具體實施方式】
[0043]【具體實施方式】一:結合圖1、圖2、圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式所述的一種基於無線傳輸的三自由度空間模擬器，所述三自由度空間模擬器包括基座1、X軸光柵尺2、氣浮導軌3、5個高壓氣瓶4、X軸通信控制模塊5、氣浮橫梁6、下板7、旋轉軸通信控制模塊8、反作用飛輪9、上板10、旋轉軸11、3個調壓閥12、6個帶有電磁閥的噴嘴13、氣浮套14、Y軸光柵尺15、圓光柵尺16和Y軸通信控制模塊17 ；
[0044]基座I的頂面上設有兩條互相平行的氣浮槽18，氣浮橫梁6設置在基座I上，氣浮橫梁6的兩端的底部分別固定有氣浮導軌3，且兩個氣浮導軌3分別設置在基座I的兩條氣浮槽內，所述氣浮橫梁6頂部的兩端分別設置一個高壓氣瓶4，所述兩個高壓氣瓶4分別用於驅動兩個浮導軌3形成氣浮面，X軸光柵尺2設置在基座I上，且與氣浮槽平行對齊設置；X軸通信控制模塊5設置在靠近X軸光柵尺2的氣浮導軌3上；
[0045]氣浮套14在氣浮橫梁6的中部，下板7設置在氣浮套14的頂部，下板7的中心位置與旋轉軸11的固定端固定連接，所述下板7上設置有2個高壓氣瓶4、2個調壓閥12、4個帶電磁閥的噴嘴13和Y軸通信控制模塊17，所述2個高壓氣瓶4分別設置在旋轉軸11的兩側；且所述2個高壓氣瓶4的出氣口分別與所述2個調壓閥12的進氣口連通；所述2個調壓閥12的出氣口同時與所述4個帶電磁閥的噴嘴13的進氣口連通；所述4個帶電磁閥的噴嘴13的位置關於下板7的中心位置且均勻分布；
[0046]Y軸光柵尺15固定在氣浮橫梁6上,所述Y軸光柵尺15與氣浮橫梁6的長度方向平行；
[0047]旋轉軸11的旋轉端與上板的中心位置固定連接，所述上板的底面上固定由I個高壓氣瓶4、旋轉軸通信控制模塊8、蓄電池、I個調壓閥12和2個帶有電磁閥的噴嘴13，所述高壓氣瓶4的出氣口與所述調壓閥12的進氣口連通，該調壓閥12的出氣口同時與所述2個帶有電磁閥的噴嘴13的進氣口連通；所述2個帶有電磁閥的噴嘴13的位置關於上板的中心位置呈鏡像對稱；反作用飛輪9和圓光柵尺16固定在上板的頂面上，該反作用飛輪9的轉軸、所述圓光柵尺16中心軸線和旋轉軸11的中心軸線均重合；
[0048]X軸光柵尺2的X軸檢測信號輸出端與X軸通信控制模塊5的X軸檢測信號輸入端連接，
[0049]Y軸光柵尺15的Y軸檢測信號輸出端與Y軸通信控制模塊17的Y軸檢測信號輸入端連接，
[0050]圓光柵尺16的旋轉軸檢測信號輸出端與Y軸通信控制模塊17的旋轉軸檢測信號輸入端連接；
[0051]反作用飛輪9的力矩速率信號輸出端與旋轉軸通信控制模塊8的力矩速率信號輸入端連接；
[0052]Y軸通信控制模塊17的噴氣控制信號輸出端與位於下板7的4個帶有電磁閥的噴嘴13的噴氣控制信號輸入端連接，
[0053]旋轉軸通信控制模塊8的噴氣控制信號輸出端與位於上板10的2個帶有電磁閥的噴嘴13的噴氣控制信號輸入端連接；
[0054]旋轉軸通信控制模塊8的力矩速率控制信號輸出端與反作用飛輪的力矩速率控制信號輸入端連接；
[0055]所述三自由度空間模擬器通過無線模塊與上位機進行通訊；
[0056]所述X軸通信控制模塊5包括X軸控制器和第一無線模塊；
[0057]所述Y軸通信控制模塊17包括Y軸控制器和第二無線模塊；
[0058]所述旋轉軸通信控制模塊8包括旋轉軸控制器和第三無線模塊；
[0059]所述X軸控制器通過第一無線模塊向上位機發送X軸位置數據；
[0060]所述Y軸控制器通過第二無線模塊向上位機發送Y軸位置數據；
[0061]上位機通過第二無線模塊向Y軸控制器發送噴嘴噴氣控制指令；
[0062]所述旋轉軸控制器通過第三無線模塊向上位機發送反作用飛輪的力矩速率數據；
[0063]上位機通過第三無線模塊向旋轉軸控制器發送反作用飛輪的力矩速率控制指令和噴嘴噴氣指令。
[0064]為了增加穩定性，所述基座I採用大理石材料製作。在實際應用時，大理石基座I放置在水平面上，X軸光柵尺2安裝在基座一側，氣浮導軌3分別固定在氣浮橫梁6的兩端，呈平行分布，氣浮橫梁6 —側安裝有Y軸光柵尺，同時氣浮橫梁6兩端分別安裝有一個9L高壓氣瓶4，
[0065]氣浮套14支撐下板7、旋轉軸和上板10。在氣浮狀態，氣浮橫梁6與氣浮套14之間上下面不接觸。下板7配有兩個9L高壓氣瓶4、兩個調壓閥、四個噴嘴、Y軸通信控制模塊17。上板10與下板7間安裝有旋轉軸，並在其與上板10連接端安裝有圓光柵尺16。上板10下配有一個4L高壓氣瓶、一個調壓閥、2個噴嘴和旋轉軸控制模塊。上板10上面中間安裝有最大角動量為1.5Nms的反作用飛輪。本實施方式所述的三自由度空間模擬器包括兩自由度平動部分和單自由度旋轉部分。其中兩自由度平動部分由平動氣浮臺沿X、Y向氣浮導軌運動實現，平動氣浮臺和旋轉氣浮臺均安放在一個氣浮橫梁6上，氣浮橫梁6可沿基座上的兩條氣浮槽運動，而平動氣浮臺可沿大理石氣浮橫梁運動，從而試驗臺可實現兩自由度的平動。旋轉氣浮臺安裝在平動氣浮臺上的旋轉軸上，可實現旋轉自由度。其中平動臺安放了四個噴嘴，作為平動執行機構，用以實現XY方向的運動；上板安放了 2個噴嘴和一個反作用飛輪，兩個噴嘴分別作為執行機構和外部幹擾力矩模擬器。所述平動氣浮臺由下板、氣浮橫梁和氣浮導軌組成，所述旋轉氣浮臺由上板和旋轉軸組成。
[0066]為了避免電纜對氣浮臺的幹擾，本實施方式的模擬器採用蓄電池供電。將高壓氣瓶均放置在平動氣浮臺上，這樣還可以有效減少氣浮臺的擾動。同時氣路上帶有調壓閥，可方便調節噴嘴氣體壓力，避免了壓力變化給仿真結果帶來的不良影響。
[0067]X軸控制器發送來自X軸光柵尺的位置信息給第一無線模塊。Y軸光柵尺15和圓光柵尺16分別將相應的位置信息和角度信息通過Y軸控制器發送給第二無線模塊。上位機接收來自第一無線模塊的數據，並通過RTX實時處理將控制信號發送分別通過第二無線模塊和第三無線模塊發送給Y軸控制器和旋轉軸控制器。Y軸控制器控制X向和Y向的平動運動。旋轉軸控制器採用噴氣和反作用飛輪複合控制旋轉軸的運動，首先通過噴氣粗調，在達到設定誤差範圍內時，再通過反作用飛輪精調，以達到控制精度。整個位置、速度信息都可以通過人機互動界面實時觀察。當達到要求的目標位置時，關閉噴氣，保持反作用飛輪勻速轉動。從而模擬外太空微重力和微幹擾環境。
[0068]所述無線模塊採用晶片UTClIOL實現。
[0069]【具體實施方式】二:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種基於無線傳輸的三自由度空間模擬器的進一步限定，所述氣浮導軌3的底部設有2X6個直徑為0.15mm氣浮孔，氣浮套14的底板上設有4X6個直徑為0.15mm氣浮孔。
[0070]【具體實施方式】三:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的三自由度空間模擬器的進一步限定，所述噴嘴13為拉瓦爾噴嘴。
【權利要求】
1.一種基於無線傳輸的三自由度空間模擬器，其特徵是在於，所述三自由度空間模擬器包括基座(l)、x軸光柵尺(2)、氣浮導軌(3)、5個高壓氣瓶(4)、X軸通信控制模塊(5)、氣浮橫梁(6)、下板(7)、旋轉軸通信控制模塊(8)、反作用飛輪(9)、上板(10)、旋轉軸(11)、3個調壓閥(12)、6個帶有電磁閥的噴嘴(13)、氣浮套(14)、Y軸光柵尺(15)、圓光柵尺(16)和Y軸通信控制模塊(17)； 基座(1)的頂面上設有兩條互相平行的氣浮槽(18 )，氣浮橫梁(6 )設置在基座(1)上，氣浮橫梁(6)的兩端的底部分別固定有氣浮導軌(3)，且兩個氣浮導軌(3)分別設置在基座(O的兩條氣浮槽(18)內，所述氣浮橫梁(6)頂部的兩端分別設置一個高壓氣瓶(4)，所述兩個高壓氣瓶(4)分別用於驅動兩個浮導軌3形成氣浮面，X軸光柵尺(2)設置在基座(1)上，且與氣浮槽(18 )平行對齊設置；X軸通信控制模塊(5 )設置在靠近X軸光柵尺(2 )的氣浮導軌(3)上； 氣浮套(14)在氣浮橫梁(6)的中部，下板(7)設置在氣浮套(14)的頂部，下板(7)的中心位置與旋轉軸(11)的固定端固定連接，所述下板(7)上設置有2個高壓氣瓶(4)、2個調壓閥(12)、4個帶電磁閥的噴嘴(13)和Y軸通信控制模塊(17)，所述2個高壓氣瓶(4)分別設置在旋轉軸(11)的兩側；且所述2個高壓氣瓶(4)的出氣口分別與所述2個調壓閥(12)的進氣口連通；所述2個調壓閥(12)的出氣口同時與所述4個帶電磁閥的噴嘴(13)的進氣口連通；所述4個帶電磁閥的噴嘴(13)的位置關於下板(7)的中心位置且均勻分布； Y軸光柵尺(15 )固定在氣浮橫梁(6 )上，所述Y軸光柵尺(15)與氣浮橫梁(6 )的長度方向平行； 旋轉軸(11)的旋轉端與上板的中心位置固定連接，所述上板的底面上固定由I個高壓氣瓶(4)、旋轉軸通信控制模塊(8)、蓄電池、I個調壓閥(12)和2個帶有電磁閥的噴嘴(13)，所述高壓氣瓶(4)的出氣口與所述調壓閥(12)的進氣口連通，該調壓閥(12)的出氣口同時與所述 2個帶有電磁閥的噴嘴(13)的進氣口連通；所述2個帶有電磁閥的噴嘴(13)的位置關於上板的中心位置呈鏡像對稱；反作用飛輪(9)和圓光柵尺(16)固定在上板的頂面上，該反作用飛輪(9)的轉軸、所述圓光柵尺(16)中心軸線和旋轉軸(11)的中心軸線均重合； X軸光柵尺(2)的X軸檢測信號輸出端與X軸通信控制模塊(5)的X軸檢測信號輸入端連接， Y軸光柵尺(15)的Y軸檢測信號輸出端與Y軸通信控制模塊(17)的Y軸檢測信號輸入端連接， 圓光柵尺(16)的旋轉軸檢測信號輸出端與Y軸通信控制模塊(17)的旋轉軸檢測信號輸入端連接； 反作用飛輪(9)的力矩速率信號輸出端與旋轉軸通信控制模塊(8)的力矩速率信號輸入端連接； Y軸通信控制模塊(17)的噴氣控制信號輸出端與位於下板(7)的4個帶有電磁閥的噴嘴(13)的噴氣控制信號輸入端連接， 旋轉軸通信控制模塊(8)的噴氣控制信號輸出端與位於上板(10)的2個帶有電磁閥的噴嘴(13)的噴氣控制信號輸入端連接； 旋轉軸通信控制模塊(8)的力矩速率控制信號輸出端與反作用飛輪的力矩速率控制信號輸入端連接； 所述三自由度空間模擬器通過無線模塊與上位機進行通訊； 所述X軸通信控制模塊(5)包括X軸控制器和第一無線模塊； 所述Y軸通信控制模塊(17)包括Y軸控制器和第二無線模塊； 所述旋轉軸通信控制模塊(8)包括旋轉軸控制器和第三無線模塊； 所述X軸控制器通過第一無線模塊向上位機發送X軸位置數據； 所述Y軸控制器通過第二無線模塊向上位機發送Y軸位置數據； 上位機通過第二無線模塊向Y軸控制器發送噴嘴噴氣控制指令； 所述旋轉軸控制器通過第三無線模塊向上位機發送反作用飛輪的力矩速率數據；上位機通過第三 無線模塊向旋轉軸控制器發送反作用飛輪的力矩速率控制指令和噴嘴噴氣指令。
2.根據權利要求1所述的一種基於無線傳輸的三自由度空間模擬器，其特徵在於，所述氣浮導軌(3)的底部設有2X6個直徑為0.15mm氣浮孔，氣浮套(14)的底板上設有4X6個直徑為0.15mm氣浮孔。
3.根據權利要求1所述的一種基於無線傳輸的三自由度空間模擬器，其特徵在於，所述噴嘴(13)為拉瓦爾噴嘴。
【文檔編號】B64G7/00GK103847985SQ201410128665
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年4月1日 優先權日:2014年4月1日
【發明者】劉楊, 劉啟循, 付振憲, 陳興林, 周乃新, 李浩然, 董嶽, 陳震宇, 王偉峰 申請人:哈爾濱工業大學