一種用於評價微重力雙軸迴轉器的方法
2023-07-20 07:53:56 1
專利名稱：一種用於評價微重力雙軸迴轉器的方法
技術領域：
本發明涉及模擬生物微重力效應的雙軸迴轉器，特別涉及一種用於評價微重力雙軸迴轉器的方法。
背景技術：
隨著航天事業的發展，太空中的微重力效應逐漸引起了科研人員的重視。生物、材料等物質在微重力環境下會顯現出在重力環境中所不具備的一些獨特特性，從而帶動了相關領域的科技發展，其中生物學的微重力學效應更是微重力學研究的熱點之一。但由於航天環境複雜、費用高昂，令許多實驗無法開展，因此，利用地面實驗裝置進行微重力效應模擬成為了許多實驗的首選。
在生物學失重效應的模擬當中，微重力迴轉器(Clinostat)是一種較好的模擬方法。與其它模擬方法相比，迴轉器具有模擬時間長、運轉費用低、環境單一等特點，因此受到了研究者們的廣泛歡迎。
迴轉器是利用了某些生物學實驗中實驗品對重力的變化有滯後效應(如某些生物細胞，植物的根、莖等)，在短時間內使實驗品所受到的重力方向連續改變，就可以在這種實驗品上等效的模擬出微重力環境下的生物學過程。迴轉器參數的設定對於微重力效應的模擬起著至關重要的作用。但由於可調節的運動參數較多，試驗品在迴轉器中的運動和受力情況複雜，因此，不同的參數設置對試驗品運動情況的影響如何，一直都是一個困擾研究人員的問題。
發明內容
本發明目的在於，為克服不同的參數設置對試驗品運動情況的影響如何，提出了一種用於評價微重力雙軸迴轉器的方法，並藉助Matlab平臺對不同的參數設置進行模擬。
為實現上述發明目的，本發明提出了一種用於評價微重力雙軸迴轉器的方法，該雙軸迴轉器由內、外環組成，內、外環分別獨立圍繞各自的軸進行360度旋轉，物體固定在內環上隨內環旋轉，其特徵在於，所述的用於評價微重力雙軸迴轉器的方法包含如下步驟 11)對雙軸迴轉器進行物理建模； 12)建立基座坐標系、內環坐標系和外環坐標系三個坐標系，如附圖2所示，其中，基座坐標係為固定坐標系； 13)利用坐標系旋轉的矢量特性，最終推導出物體的視重力加速度公式，該視重力加速度為重力加速度在內環坐標系下的投影，其值為內、外環旋轉產生的加速度和重力加速度的矢量和； 14)根據微重力雙軸迴轉器設置的參數，利用上述的視重力加速度公式評價該參數設置模擬微重力的效果，如果得到的視重力加速度能達到所有的旋轉位置則該參數設置能模擬微重力效果，微重力雙軸迴轉器能模擬微重力，否則參數設置不當，微重力雙軸迴轉器不能模擬微重力。
所述的用於評價微重力雙軸迴轉器的方法，其特徵在於，所述的外環固定在基座上，內環固定在外環上。
所述的用於評價微重力雙軸迴轉器的定方法，其特徵在於，所述的外環-基座之間的方向餘弦如下表
所述的內環-外環之間的方向餘弦如下表
由此，所述的內環-基座之間的方向餘弦如下表
所述的用於評價微重力雙軸迴轉器的方法，其特徵在於，步驟13)進一步包含 13-1)根據旋轉坐標系下的變換原理得到外環與基座之間和內環與外環之間的方向餘弦，並推導出內環與基座之間的方向餘弦； 物體在坐標系中的位置公式為； r＝xi+yj+zk 所述的固定在內環坐標系下的物體有固定的內環坐標(Xi，Yi，Zi)； 所述的物體在基座標系下的相應位置為 物體在基座坐標系下絕對角速度沿著x、y和z坐標軸的分量分別為 13-2)重力加速度為基座坐標系下垂直於地面大小為g的加速度，公式為g＝-gkb 根據內環與基座之間的坐標餘弦表，可知 Zbkb＝-sinθicosθoXiii+sinθoYiji+cosθicosθoZiki 將重力加速度g在內環坐標軸上的分量用
表示則 由以上三個公式得到重力加速度 13-4)坐標系以角速度ω進行旋轉，則矢量G的導數最終表示為 根據動力學以及空間旋轉坐標系性質上式最終表示為 13-5)將旋轉物體的速度v帶入上式，得 物體由於坐標系旋轉產生的絕對加速度在內環坐標系下的分量為 根據物體的視加速度A由重力加速度g和坐標系旋轉產生的加速度W在內環坐標系下的投影之和，公式為A＝g+W 其沿內環坐標系下各軸的分量為 所述的微重力雙軸迴轉器參數設定方法，其特徵在於，物體運動過程中的加速度包含內外環旋轉產生的加速度和重力加速度。
所述的微重力雙軸迴轉器參數設定方法，其特徵在於，步驟12)所述的外環固定在基座上，內環固定在外環上；內環，及外環圍繞各自的軸進行獨立360度旋轉。
在迴轉器實驗中，物件固定於內環坐標系下，並隨內外環旋轉而運動。此時物件所感受的加速度稱為「視加速度」，即為物件的相對於地面坐標系的絕對加速度在內環坐標系下的投影。
物件在運動過程中的加速度主要由2部分構成由於內外環旋轉產生的加速度和重力加速度。因此，計算物件的視加速度即為旋轉產生的加速度和重力加速度在內環坐標系下的投影。
參數定義 設內環和外環的參數分別用下標o和i來表示，上標0表示初始值。這樣，參數定義即表1所示
雙軸迴轉器經過旋轉後，內外環與初始位置的夾角θ為 而角速度ω為 角速度的導數即為角加速度ξ為 另外，在本文的分析中，假設內外環的角加速度為常量，即 本發明的優點在於，提出了一些有助於判斷微重力雙軸迴轉器模擬微重力效應的參數指標，可以輔助使用迴轉器進行生物學微重力效應研究的科研人員進行迴轉器參數的設計，更準確的把握不同參數設置對微重力模擬的效果。
圖1是內外環構成的雙軸迴轉器； 圖2是建立基座標系，內環坐標系以及外環坐標系； 圖3是空間中單位矢量； 圖4是Matlab仿真平臺； 圖5是當Xi＝Yi＝Zi＝0.1(m)，ωi＝ωo＝0.1(rad/s)時運行情況圖； 圖6是當Xi＝Yi＝Zi＝0.1(m)，ωi＝ωo＝1(rad/s)時運行情況圖； 圖7是當Xi＝Zi＝0.1(m)Yi＝0(m)，ωi＝0.1(rad/s)ωo＝1(rad/s)時運行情況圖； 圖8是當Xi＝Yi＝Zi＝0.1(m)，ωiωo隨機時的運行情況圖； 圖9是Xi＝Zi＝0.1(m)Yi＝0(m)，ωiωo隨機時的運行情況圖； 圖10是當Xi＝Zi＝0.01(m)Yi＝0(m)，ωiωo隨機時的運行情況圖； 圖11是當Xi＝Zi＝0.01(m)Yi＝0.1(m)，ωiωo隨機時的運行情況圖； 圖12是當Xi＝0.12(m)，Yi＝0.08(m)，Zi＝0.19(m)，ωi＝0.2(rpm)ωo＝0.2(rpm)定速旋轉時的運行情況圖； 圖13是當Xi＝0.12(m)，Yi＝0.08(m)，Zi＝0.19(m)，ωi＝0.5(rpm)ωo＝0.5(rpm)定速旋轉時的運行情況圖； 圖14是當Xi＝0.12(m)，Yi＝0.08(m)，Zi＝0.19(m)，ωi＝2(rpm)ωo＝2(rpm)定速旋轉時的運行情況圖； 圖15是當Xi＝0.12(m)，Yi＝0.08(m)，Zi＝0.19(m)，ωiωo隨機旋轉時運行情況圖。
具體實施例方式 下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細的說明。
1)建立坐標系並進行坐標變換 建立基座標系，外環坐標系和內環坐標系，如附圖2所示； 設基座、外環和內環分別用下標b、o和i表示，根據旋轉坐標系下的變換原理，如下表2列出了外環-基座之間方向餘弦，；
如下表3內環-外環之間的方向餘弦；
由此表2和表3可得表4，即內環-基座之間的方向餘弦，如下
2)參數計算 2.1.1位置 如附圖7所示，物件在坐標系中的位置可以定義為 r＝xi+yj+zk(4) 實際運行過程中，物件由於固定在內環坐標系下，因此有著固定的內環坐標(Xi；Yi；Zi)。根據表4，物件在絕對坐標系(基座坐標系)下的相應位置為 2.1.2角速度與角加速度 由於物體固定在內環坐標系下，因此內環坐標的運動參數即為物體的運動參數。因此，根據表2和表3，物體在基座坐標系下絕對角速度沿著x、y和z坐標軸的分量分別為 其導數為 2.1.3視重力加速度 視重力加速度為重力加速度在內環坐標系下的投影。重力加速度為基座坐標系下垂直於地面大小為g的加速度，即 g＝-gkb(8) 由附圖6可知 Zbkb＝-sinθicosθoXiii+sinθoYiji+cosθicosθoZiki 將重力加速度g在內環坐標軸上的分量用
表示，則 對比式(8)、(9)和式(10)即可得 2.1.4旋轉坐標系下的矢量導數 設某坐標系中有某矢量G，其可以表示為 G＝Gxi+Gyj+Gzk(12) 設此坐標系以角速度ω進行旋轉，則該矢量G的導數dG/dt為 式中的第一項表示相對微商。
根據運動學，在空間旋轉坐標系下有 因此在式(13)中的第二項即為 而由於 ＝(ωyGz-ωzGy)i+(ωzGx-ωxGz)j+(ωxGy-ωyGx)k 因此式(13)最終可以寫為 2.1.5旋轉視加速度 為求旋轉物體的速度v，將式(4)代入(17)，得 為求物體的加速度a＝dv/dt，將v＝G代入式(17)，可得 由於物件固定於內環坐標系中，其相對速度和相對加速度都為0，即 設物件由於坐標系旋轉而產生的絕對加速度為W 其在基座坐標系下沿各軸的分量為 則物件由於坐標系旋轉而產生的絕對加速度在內環坐標系下的分量為 根據表4，物件的視加速度A由重力加速度g和坐標系旋轉產生的的加速度W在內環坐標系下投影之和組成，即 A＝g+W 其沿內環坐標系下各軸的分量為 3)仿真 3.1仿真參數及各參數定義 通過設置位置參數及內、外環旋轉角速度並藉助Matlab仿真平臺對得到的視重力加速度進行模擬，進而判斷參數設置對微重力模擬的效果，其中仿真界面如附圖4所示。
用戶的參數輸入部分和數值結果輸出在界面的頂部，從左至右主要包括以下幾個部分 位置指需要仿真的位置在內環坐標系下的坐標值； 角速度包括定值和隨機兩種模式。選擇定值模式時，內外環可以選擇一個固定的角速度進行仿真；選擇隨機模式時，在設定了最高角速度與角加速度之後，仿真程序將隨機選擇內外環的轉速； 時間分別包括模擬時間的總長、模擬步長和分析窗長； 結果當用戶點擊「計算」按鈕時，仿真系統將運行。包含最大加速度、最小加速度、1*10-3範圍內加速度百分比和平滑速度周期。
軟體界面的下部分是圖形輸出結果，主要包括以下幾個部分 視加速度絕對值包括視加速度在絕對坐標系下的絕對值，以及沿著x、y和z坐標軸的分量的絕對值； 平均視加速度是指在分析窗長內視加速度矢量和的絕對值； 空間運行軌跡指按照步長所分析的，在絕對坐標系下的運行位置； 視加速度空間視圖； 加速度分布； 3.2典型參數仿真結果 附圖5顯示了內外環轉速均勻時的運行情況，由空間位置圖可以看到其運行軌跡顯示為空間環狀，視加速度朝向整體偏重於向下。附圖6顯示了外環轉速6倍於內環轉速時的情況，其運行軌跡為球缺表面的線狀軌跡，視加速度方向向各個方向發散。另外對比兩個模擬結果可以看出，在重力1*10-3範圍內加速度的百分比上，附圖5為100％，附圖10約為24.5％。
對比附圖5和附圖7可以看出，當設定參數Yi＝0(m)時，空間運行軌跡由球缺上的固定軌跡變成整個球面的固定軌跡。附圖8將內外環的角速度設定為隨機模式，由於坐標位置的關係，空間運行位置為球缺的整個表面。
附圖9中為參數Yi＝0(m)時、角速度隨機值的仿真結果，可以看出圖中運行位置可以達到整個球的表面。附圖10中的位置參數為附圖9中的1/10，可以看到在重力1*10-3範圍內加速度的百分比上，附圖10約為99.3％，附圖9約為48.4％。
3.3結果分析 附圖12所示為安裝在中國科學院空間科學與應用研究中心研製的迴轉器上的實驗樣品以及仿真結果。在附圖12、附圖13以及附圖14所示分別為不同轉速的定速旋轉時的仿真結果和實驗結果。根據仿真結果可以看出，由於進行的是定速旋轉，視加速度不能達到所有的旋轉位置，因此實驗樣品也沒有出現微重力效應。而附圖15所示為隨機旋轉時的仿真結果和實驗結果。視加速度可以旋轉至指向空間的所有位置，實驗樣品也出現了微重力效應。
最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種用於評價微重力雙軸迴轉器的方法，該雙軸迴轉器由內、外環組成，內、外環分別獨立圍繞各自的軸進行360度旋轉，物體固定在內環上隨內環旋轉，其特徵在於，所述的用於評價微重力雙軸迴轉器的方法包含如下步驟
11)對雙軸迴轉器進行物理建模；
12)建立基座坐標系、內環坐標系和外環坐標系三個坐標系，如附圖2所示，其中，基座坐標係為固定坐標系；
13)利用坐標系旋轉的矢量特性，最終推導出物體的視重力加速度公式，該視重力加速度為重力加速度在內環坐標系下的投影，其值為內、外環旋轉產生的加速度和重力加速度的矢量和；
14)根據微重力雙軸迴轉器設置的參數，利用上述的視重力加速度公式評價該參數設置模擬微重力的效果，如果得到的視重力加速度能達到所有的旋轉位置則該參數設置能模擬微重力效果，微重力雙軸迴轉器能模擬微重力，否則參數設置不當，微重力雙軸迴轉器不能模擬微重力。
2.根據權利要求1所述的用於評價微重力雙軸迴轉器的方法，其特徵在於，所述的外環固定在基座上，內環固定在外環上。
3.根據權利要求1所述的用於評價微重力雙軸迴轉器的定方法，其特徵在於，所述的外環-基座之間的方向餘弦如下表
所述的內環-外環之間的方向餘弦如下表
由此，所述的內環-基座之間的方向餘弦如下表
4.根據權利要求3所述的用於評價微重力雙軸迴轉器的方法，其特徵在於，步驟13)進一步包含
13-1)根據旋轉坐標系下的變換原理得到外環與基座之間和內環與外環之間的方向餘弦，並推導出內環與基座之間的方向餘弦；
物體在坐標系中的位置公式為；
r＝xi+yj+zk
所述的固定在內環坐標系下的物體有固定的內環坐標(Xi，Yi，Zi)；
所述的物體在基座標系下的相應位置為
物體在基座坐標系下絕對角速度沿著x、y和z坐標軸的分量分別為
13-2)重力加速度為基座坐標系下垂直於地面大小為g的加速度，公式為g＝-gkb
根據內環與基座之間的坐標餘弦表，可知
Zbkb＝-sinθicosθoXiii+sinθoYiji+cosθicosθoZiki
將重力加速度g在內環坐標軸上的分量用
表示則
由以上三個公式得到重力加速度
13-4)坐標系以角速度ω進行旋轉，則矢量G的導數最終表示為
根據動力學以及空間旋轉坐標系性質上式最終表示為
13-5)將旋轉物體的速度v帶入上式，得
物體由於坐標系旋轉產生的絕對加速度在內環坐標系下的分量為
根據物體的視加速度A由重力加速度g和坐標系旋轉產生的加速度W在內環坐標系下的投影之和，公式為A＝g+W
其沿內環坐標系下各軸的分量為
全文摘要
本發明涉及一種用於評價微重力雙軸迴轉器的方法，該雙軸迴轉器由內、外環組成，所述的用於評價微重力雙軸迴轉器的方法包含如下步驟11)對雙軸迴轉器進行物理建模；12)建立基座坐標系、內環坐標系和外環坐標系三個坐標系，如附圖2所示，其中，基座坐標係為固定坐標系；13)利用坐標系旋轉的矢量特性，最終推導出物體的視重力加速度公式，該視重力加速度為重力加速度在內環坐標系下的投影，其值為內、外環旋轉產生的加速度和重力加速度的矢量和；14)根據微重力雙軸迴轉器設置的參數，利用視重力加速度公式和仿真平臺評價參數設置模擬微重力的效果，如果得到的視重力加速度能達到所有的旋轉位置則該參數設置能模擬微重力效果。
文檔編號G01M99/00GK101726426SQ20091024226
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月8日 優先權日2009年12月8日
發明者王迪, 蔣遠大, 張志遠, 王魯鋒, 李維寧, 翟光傑 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心