一種用于探測(cè)器地外天體起飛試驗(yàn)的位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置

劉萬(wàn)龍，孔凡超，邱法維，張奎好，胡旭坤，孫樹江，牛向楠

（1.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074；2.北京三強(qiáng)同維機(jī)電液壓科技發(fā)展有限公司，北京 102200）

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)地外天體的表面詳盡勘測(cè)，人類多次執(zhí)行了地外天體的采樣返回任務(wù)。1996年12月4日，美國(guó)NASA發(fā)射了“火星探路者號(hào)”探測(cè)器，并于1997年7月4日在火星表面著陸，向火星釋放了人類第一部火星車[1-2]。2003年5月9日，日本用M-5 運(yùn)載火箭發(fā)射了“隼鳥號(hào)”（Hayabusa）小行星探測(cè)器，對(duì)Itokawa 小行星（編號(hào)25143）進(jìn)行采樣勘測(cè)，并于2010年6月13日成功返回地球[3-4]。中國(guó)正在實(shí)施探月工程計(jì)劃，已成功將“月兔號(hào)”月球車送上月球。而探月工程三期的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)月面軟著陸和自動(dòng)采樣返回，開 展月球科學(xué)探測(cè)[5-6]。

探測(cè)器在執(zhí)行返回發(fā)射時(shí)，會(huì)遇到一些問題，如發(fā)射場(chǎng)地的地形對(duì)發(fā)射位姿的影響。探測(cè)器在研制中需要針對(duì)此問題開展充分的評(píng)價(jià)試驗(yàn)。在高真空環(huán)境下，探測(cè)器進(jìn)行返回發(fā)射時(shí)還會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)羽流的影響。在返回模塊與著陸模塊完全分離過程中，由于受到排放空間的限制，使發(fā)動(dòng)機(jī)羽流效應(yīng)更加明顯，羽流擾動(dòng)力可能對(duì)發(fā)射起飛造成較大影響。在空間環(huán)境模擬試驗(yàn)中測(cè)量和評(píng)價(jià)羽流力矩對(duì)返回模塊的影響同時(shí)，還需要對(duì)返回模塊的位姿和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。模擬試驗(yàn)須在真空艙內(nèi)進(jìn)行，通過位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置改變返回模塊的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)。

1 位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置的用途與組成

按照試驗(yàn)需要，位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置具備靜態(tài)位姿調(diào)整和動(dòng)態(tài)位姿調(diào)整的功能，要求在真空艙內(nèi)完成模擬試驗(yàn)。返回模塊豎直安裝在承力支架上，上端與力測(cè)量裝置相連；著陸模塊安裝在位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置上，位于返回模塊的正下方，通過位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置來(lái)改變著陸模塊與返回模塊之間的相對(duì)位姿和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。

圖1 位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置在真空艙內(nèi)安裝示意圖 Fig.1 Schematic diagram of the attitude and motion simulation device in the vacuum chamber

真空艙內(nèi)設(shè)有三排導(dǎo)軌，位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置固定在導(dǎo)軌上。位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置的位移、角度、加速度等參數(shù)測(cè)量信號(hào)為4～20 mA 電流信號(hào)，各種信號(hào)控制電纜通過真空插頭穿入真空艙。通過真空機(jī)組、液氮熱沉、氦深冷泵使真空艙內(nèi)環(huán)境滿足模擬試驗(yàn)的空間環(huán)境要求。

1.1 位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置主要技術(shù)指標(biāo)

位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）靜態(tài)位姿調(diào)整

① 著陸模塊沿-z軸移動(dòng)范圍為0～400 mm， 位移控制精度優(yōu)于1 mm；

② 著陸模塊沿x軸移動(dòng)范圍為-100～100 mm，位移控制精度優(yōu)于1 mm。

③ 著陸模塊繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-6°～6°，角度控制精度優(yōu)于0.1°。

2）動(dòng)態(tài)位姿調(diào)整

① 可帶動(dòng)著陸模塊沿-z軸方向快速移動(dòng)，并要求其運(yùn)動(dòng)加速度與返回模塊起飛時(shí)一致，測(cè)量系統(tǒng)的反應(yīng)靈敏度優(yōu)于10 ms，加速度曲線如圖2所示。

② 靜態(tài)承載能力＞1.5 t，并確保在試驗(yàn)過程中不發(fā)生形變和位移。

圖2 返回模塊起飛的加速度曲線 Fig.2 The acceleration curve of return module takeoff

1.2 位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置方案選擇

位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置的工作原理類似于飛行模擬器[7]。根據(jù)試驗(yàn)的需要，位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置采用了六自由度Stewart 平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式，由上平臺(tái)、下平臺(tái)、6 個(gè)數(shù)字信號(hào)控制的電動(dòng)作動(dòng)器、控制系統(tǒng)和控制軟件等組成（參見圖3）。其中上平臺(tái)與著陸模塊相連，下平臺(tái)與真空艙內(nèi)的導(dǎo)軌相連。該裝置可在其運(yùn)動(dòng)極限范圍內(nèi)，根據(jù)軟件靈活設(shè)定其上平臺(tái)的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)過程。電動(dòng)作動(dòng)器是一種技術(shù)先進(jìn)的加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備[8]，不需要使用液壓油及冷卻水等，其突出的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)爬行現(xiàn)象、無(wú)噪聲、無(wú)油、體積小、重量輕。電動(dòng)作動(dòng)器的傳動(dòng)部分采用了高精度的絲杠和潤(rùn)滑裝置，可以長(zhǎng)期使用免維護(hù)。

圖3 運(yùn)動(dòng)模擬裝置示意圖 Fig.3 Schematic diagram of the motion simulation device

六自由度Stewart 平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)描述采用2 個(gè)坐標(biāo)系，上平臺(tái)運(yùn)動(dòng)采用Oxyz動(dòng)坐標(biāo)系，下平臺(tái)采用O′x′y′z′ 靜坐標(biāo)系（又稱參考坐標(biāo)系）。動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)選取為負(fù)載物和上平臺(tái)的綜合質(zhì)心，垂直方向?yàn)閦方向，x方向和y方向如圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的坐標(biāo)定義 Fig.4 Coordinates for the motion platform

1.3 位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置的平臺(tái)設(shè)計(jì)

位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置的運(yùn)動(dòng)控制原理為：在位移控制模式下，設(shè)定上平臺(tái)期望的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)波形，據(jù)此波形可以求出每一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)上的期望姿態(tài)Q=(q1,q2,q3,q4,q5,q6)，根據(jù)該期望姿態(tài)進(jìn)一步計(jì)算出相應(yīng)的位移控制指令 即各作動(dòng)器的伸縮量ΔLi，并傳送給控制器進(jìn)行實(shí)際的控制操作，該計(jì)算過程稱為位置逆解[9-10]。根據(jù)位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)及尺寸如圖5所示。中位時(shí)，x方向位移范圍為 ±470 mm，y方向位移范圍為±440 mm，z方向最大位移為490 mm，繞x軸和y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍分別為±22°和±21°。作動(dòng)器全收縮狀態(tài)時(shí)的兩端球鉸中心距為800 mm，作動(dòng)器行程為450 mm。

圖5 平臺(tái)結(jié)構(gòu)及外形尺寸 Fig.5 Overall dimensions of the platform

2 模擬裝置的控制系統(tǒng)

2.1 平臺(tái)的控制原理

平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是一種典型的多軸實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[11]，傳統(tǒng)的控制方式有電液驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用了可編程計(jì)算機(jī)控制器、數(shù)字智能伺服系統(tǒng)和專用軟件操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的控制。

平臺(tái)采用集中管理、分散控制的上位機(jī)+下位機(jī)的模式，其中上位機(jī)采用工控機(jī)，主要完成指令的輸入，平臺(tái)的位姿逆解計(jì)算，參數(shù)的設(shè)定，控制過程的實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、打印以及系統(tǒng)安全保護(hù)；下位機(jī)由主控制器、6 個(gè)驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（由驅(qū)動(dòng)器和作動(dòng)器組成）以及傳感器組成，主要是執(zhí)行指令并完成動(dòng)作和數(shù)據(jù)采集及反饋?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。上位機(jī)與主控制器間通過實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信方式傳輸指令和參數(shù)，而主控制器通過實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)控制驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。數(shù)據(jù)采集和處理采用專用高速數(shù)據(jù)處理模塊，將各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送至主控制器，并通過與上位機(jī)之間的通信接口，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)在上位機(jī)中，以便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)比較、分析計(jì)算。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.6 The control system structure

2.2 上位機(jī)控制

上位機(jī)控制軟件在Windows 操作平臺(tái)下，利用VisualC++語(yǔ)言和面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)方法設(shè)計(jì)了上位機(jī)控制軟件，以實(shí)現(xiàn)可視化用戶界面。上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信接口。用戶通過上位機(jī)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)輸入、參數(shù)設(shè)定、路徑規(guī)劃、任務(wù)指定等工作。上位機(jī)的主要任務(wù)是指令控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前的工作情況，對(duì)它的人機(jī)交互功能、安全性和可靠性要求極高。因此，在選擇上位機(jī)時(shí)既要考慮軟件資源需求又要考慮硬件性能。上位機(jī)的主要功能如下：

1）控制指令的輸入和調(diào)節(jié)參數(shù)的設(shè)定，可自動(dòng)或者手動(dòng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，如位移及速度控制指令等。上位機(jī)對(duì)位移傳感器檢測(cè)到的各作動(dòng)器位置信號(hào)與指令給出的6 個(gè)自由度位置信號(hào)進(jìn)行比 較，形成閉環(huán)控制，適時(shí)適當(dāng)調(diào)整控制回路增益和參數(shù)。

2）實(shí)時(shí)可靠地反映當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測(cè)各點(diǎn)傳感器反饋的信號(hào)，如平臺(tái)狀態(tài)、作動(dòng)器位移、各點(diǎn)載荷等，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、打印等功能。

3）實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程的故障報(bào)警以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控和安全保護(hù)功能。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的工作情況和關(guān)鍵指令的動(dòng)作，通過軟件限位保護(hù)確保平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)安全。

2.3 下位機(jī)控制

下位機(jī)工作過程主要有：

1）主控制器通過網(wǎng)絡(luò)通信接收上位機(jī)給定的位姿信號(hào)并處理后，再通過網(wǎng)絡(luò)通信向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制指令，驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器平滑、穩(wěn)定地伸縮。

2）接收傳感器實(shí)時(shí)采集的平臺(tái)姿態(tài)、過載、振動(dòng)等信息，并將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的位移反饋給上位機(jī)；方便在上位機(jī)界面上觀察。

下位機(jī)的主控制器擁有多任務(wù)的分時(shí)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)功能強(qiáng)大，具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、效率高等優(yōu)點(diǎn)。主控制器與上位機(jī)間采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，各通道驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過網(wǎng)絡(luò)通信與主控制器相互通信，還可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制與高速數(shù)據(jù)采集，從而保證了多通道的同步性控制精度在0.01 mm之內(nèi)。下位機(jī)根據(jù)上位機(jī)下達(dá)的指令完成相應(yīng)的控制，同時(shí)又向上位機(jī)反饋相應(yīng)的位移和負(fù)載數(shù)據(jù)，在上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控。

3 軟件功能簡(jiǎn)介

位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置的軟件系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示平臺(tái)的動(dòng)畫效果，并與實(shí)際平臺(tái)保持同步，使用戶可以生動(dòng)、形象地在線觀察平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)情況。軟件界面如圖7所示。

軟件可以設(shè)置各種位移波形，如地震波、隨機(jī)波、正弦波、三角波、方波等，并可以修改波形幅值及頻率的大小及循環(huán)次數(shù)，觀察實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)及圖形，進(jìn)行各種分析試驗(yàn)。軟件可保存?zhèn)鞲衅魉杉脑囼?yàn)數(shù)據(jù)，以數(shù)值和相關(guān)曲線的形式實(shí)時(shí)地顯示平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)情況并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。具有位移閉環(huán)控制功能、輸入波形與實(shí)際運(yùn)動(dòng)波形的比較功能、在線模擬運(yùn)行功能（可以事先預(yù)測(cè)用戶給定的位姿是否處于平臺(tái)的正常運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)）。

軟件設(shè)置了多種保護(hù)功能，如作動(dòng)器的位移和載荷的超限保護(hù)，進(jìn)行在線模擬運(yùn)行檢測(cè)時(shí)的位移限值保護(hù)及報(bào)警（如果超出了正常運(yùn)動(dòng)空間范圍，則會(huì)啟動(dòng)位移限值保護(hù)及報(bào)警，可避免正式運(yùn)行時(shí)發(fā)生意外）。

圖7 軟件界面 Fig.7 The software interface

4 結(jié)束語(yǔ)

本文借用六自由度Stewart 平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了用于探測(cè)器地外天體返回起飛試驗(yàn)的位姿及運(yùn)動(dòng)模擬裝置，根據(jù)模擬試驗(yàn)的需要，該裝置主要具有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)位姿調(diào)整的功能，其中靜態(tài)位姿調(diào)整用來(lái)模擬地形不平對(duì)探測(cè)器返回模塊返回起飛的影響，動(dòng)態(tài)位姿調(diào)整用來(lái)模擬返回模塊與著陸模塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，能夠滿足探測(cè)器在地外天體返回起飛過程中位姿及運(yùn)動(dòng)的模擬試驗(yàn)要求。

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