基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置与方法制造方法及图纸

基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置与方法，属于飞行器控制与地面仿真技术领域，解决卫星全物理仿真系统复杂、且不能实现平动，同时模拟适用范围较小并且模拟精度不高问题。本发明专利技术的装置包括：图像获取装置、靶标、仪表平台、气浮导轨、气浮轴承、水箱气瓶组、浮箱、水箱、气足和平台；没有悬线以及放置悬线的龙门架等所以结构简单；该装置上方无悬线与仪表平台相连接，无接触该装置相比于含有悬线等的三维模拟装置，结构简单；相比于现有磁液悬浮技术只能模拟垂向微重力模拟，该装置有平动机构，因此能够实现三自由度模拟，该装置相比于磁液悬浮系统，具有能够模拟三自由度运动的优点。本发明专利技术适用于航天器三维平动模拟。本发明专利技术适用于航天器三维平动模拟。本发明专利技术适用于航天器三维平动模拟。

【技术实现步骤摘要】
基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置与方法


[0001]本申请涉及飞行器控制与地面仿真
，尤其涉及基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真。

技术介绍

[0002]论文“空间飞行器三维微重力模拟技术”（哈尔滨工业大学硕士学位论文，姜宏操，20210601）仿真效果较好，但是该方法需要在实验平台上方加装支撑架、滑轨伺服电机等辅助设备，系统较为复杂。
[0003]论文“微重力模拟用磁气悬吊系统混合磁单元设计”（天津大学硕士学位论文，刘征，20210601）只对垂向重力进行了抵消，即只能对航天器进行垂向微重力模拟而不能实现平动。
[0004]现有技术如公告号为CN111086662A，公开日为2020年05月01日的中国专利公开一种基于磁液混浮的微重力效应地面模拟方法中载荷质量模拟范围较小，同时可能由于水中含磁杂质等影响导致模拟器受到其他影响。
[0005]综上，现有航天器三维平动模拟装置的系统复杂、且不能实现平动，同时模拟适用范围较小并且模拟精度不高。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的是为了解决现有卫星全物理仿真系统复杂、且不能实现平动，同时模拟适用范围较小并且模拟精度不高的问题，提供了基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置、方法和设备。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术一方面，提供一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置，所述仿真装置包括：图像获取装置、靶标、仪表平台、气浮导轨、气浮轴承、水箱气瓶组、浮箱、水箱、气足和平台；气足通过其产生的气膜悬浮在平台上，气足上端与水箱底部连接；浮箱完全浸没在水箱内的流体中；水箱气瓶组对称安装在水箱的外侧；气浮轴承安装在水箱上壁；气浮导轨穿过气浮轴承与仪表平台相连，起着连接浮箱及水箱的作用；仪表平台上安装靶标；图像获取装置放置在靶标的上方，用于获取靶标的图像信息；图像获取装置通过靶标来获取仪表平台水平面内的位置姿态信息，并通过无线传输将位置姿态信息传输给仪表平台中的控制单元，所述控制单元进行位置姿态控制。
[0008]进一步地，浮箱包括箱体、通讯管路、控制盒、粗精调比例阀、粗精调水泵、压力传感器和橡胶球；通讯管路为若干根中空管道，数量与气浮导轨相同，通讯管路上端安装位置为气
浮导轨与箱体的连接处，下端与控制盒顶部固连，管路之间相互平行，用于放置数据传输线；控制盒固定安装在箱体底部，包括电源模块以及控制模块；其中，电源模块负责控制模块、粗精调比例阀、粗精调水泵以及压力传感器的供电；控制模块接收上平台重力补偿指令以及光栅的反馈信号，并控制粗精调比例阀以及粗精调水泵使液体排出或进入箱体；粗精调比例阀以及粗精调水泵数量若干，以箱体底部中心为原点呈对称分布，粗精调比例阀用于排出箱体中的水，粗精调水泵用于使水进入箱体中；橡胶球对称安装在箱体两侧，其内部充有气体。
[0009]进一步地，浮箱包括通讯管路、控制盒、粗精调比例阀、粗精调水泵和橡胶外壳；控制盒包括电源模块以及控制模块；通讯管路为若干根中空管道，数量与气浮导轨相同，安装位置为气浮导轨与橡胶外壳的连接处，用于放置数据传输线；控制盒安装在橡胶外壳底部，包括电源模块以及控制模块；其中，电源模块负责控制模块、粗精调比例阀以及粗精调水泵的供电；控制模块接收上平台重力补偿指令以及光栅的反馈信号，并控制粗精调比例阀以及粗精调水泵使液体排出或进入橡胶外壳内部；粗精调比例阀以及粗精调水泵数量若干，以橡胶外壳底部中心为原点呈对称分布，粗精调比例阀用于排出橡胶外壳内部的水，粗精调水泵用于使水进入橡胶外壳中；橡胶外壳顶部和底部为不可伸缩的铝合金板，侧面材料为橡胶，通过向橡胶外壳内部进行充气或放气，达到改变浮箱初始浮力的作用。
[0010]进一步地，仪表平台包括冷气推进系统、仪表平台气瓶组、控制单元和通讯模块；所述通讯模块接收台下指令，所述控制单元控制计算机计算控制量并通过串口发送给驱动板，驱动板控制电磁阀排出气体进而控制整个气浮台进行三维平动；所述冷气推进系统通过对称安装的多组喷嘴喷出气体，气浮台受到反方向的力和力矩，进而控制气浮台进行三维平动或姿态调整；所述仪表平台气瓶组作为冷气推进系统的气源，为冷气推进系统提供一定压强的气体；所述冷气推进系统分布位置具体为：设台体坐标系为O
‑
XYZ，其中坐标系原点位于仪表平台几何中心，坐标轴X、Y夹角为90度且与仪表平台上下端面平行；Z轴与X、Y所构成的平面正交；冷气推力系统共有4组冷气推力装置，每套冷气推力装置包含安装底座以及4个喷嘴，4个喷嘴分布在长方体4个侧面的中心，喷口方向均朝外；四组冷气推力装置对称且侧向安装在仪表平台中心所在的水平面上，冷气推力装置A位于X轴正半轴，冷气推力装置B位于Y轴正半轴，冷气推力装置C位于Y轴负半轴冷气推力装置C位于X轴负半轴，冷气推力装置D位于Y轴负半轴。
[0011]第二方面，本专利技术提供一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真方法，所述方法包括：
步骤一、在加装仪表平台前，对仪表平台及其上载荷进行称重，获取仪表平台及其上载荷的重量，将所述仪表平台及其上载荷的重量减去浮箱、气浮导轨、仪表平台以及靶标的重量后，根据卸载装置内部空间分布计算得到装置内的初始期望排水体积；步骤二、加装仪表平台，开启粗精调比例阀以及粗精调水泵，待光栅检测到浮箱的位置在期望位置附近时，关闭粗精调比例阀以及粗精调水泵，此时粗调完成；步骤三、开启或关闭粗精调比例阀以及粗精调水泵，直到光栅检测到浮箱的位置有变化，使浮箱悬浮在水箱中央位置而不与水箱盖接触，关闭粗精调比例阀。
[0012]步骤四、待浮箱稳定后，即可以开始整个装置的三维平动模拟；步骤五、由于仪表平台的载荷为高压气体，高压气体不断消耗时，通过压强计测量气瓶内气压计算出质量变化后再调节粗精调比例阀或粗精调水泵来将变化的重力卸载。
[0013]进一步地，步骤一中，所述根据卸载装置内部空间分布计算得到装置内的初始期望排水体积，包括：根据卸载装置内部空间分布计算得到装置内水位的起始位置。
[0014]进一步地，步骤二包括：浮箱仍紧贴于水箱上盖底部时，开启粗精调比例阀，水箱内的水在大气压强及本身重力的作用下进入到浮箱内部，并压缩箱内气体，待压力传感器指示水位上升到期望水位附近时，关闭粗精调比例阀；步骤三包括：开启粗精调比例阀，直到光栅检测到浮箱的位置有变化，使浮箱悬浮在水箱内部而不与水箱盖接触，关闭粗精调比例阀；开启粗精调水泵，根据浮箱垂向位置和速度状态，不断调节粗精调水泵以及粗精调比例阀使浮箱在水箱中央位置悬浮。
[0015]进一步地，步骤一中，所述根据卸载装置内部空间分布计算得到装置内的初始期望排水体积，包括：所述浮箱为橡胶浮箱，将所述橡胶浮箱充气至期望体积。
[0016]进一步地，步骤三包括：开启粗精调水泵，根据浮箱垂向位置和速度，不断调节粗精调水泵以及粗精调比例阀使浮箱在水箱中央位置悬浮。
[0017]第三方面，本专利技术提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置，其特征在于，所述仿真装置包括：图像获取装置（1）、靶标（2）、仪表平台（3）、气浮导轨（4）、气浮轴承（5）、水箱气瓶组（6）、浮箱（7）、水箱（8）、气足（9）和平台（10）；气足（9）通过其产生的气膜悬浮在平台（10）上，气足（9）上端与水箱（8）底部连接；浮箱（7）完全浸没在水箱（8）内的流体中；水箱气瓶组（6）对称安装在水箱（8）的外侧；气浮轴承（5）安装在水箱（8）上壁；气浮导轨（4）穿过气浮轴承（5）与仪表平台（3）相连，起着连接浮箱（7）及水箱（8）的作用；仪表平台（3）上安装靶标（2）；图像获取装置（1）放置在靶标（2）的上方，用于获取靶标（2）的图像信息；图像获取装置（1）通过靶标（2）来获取仪表平台（3）水平面内的位置姿态信息，并通过无线传输将位置姿态信息传输给仪表平台（3）中的控制单元，所述控制单元进行位置姿态控制。2.根据权利要求1所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置，其特征在于，浮箱（7）包括箱体（20）、通讯管路（21）、控制盒（22）、粗精调比例阀（25）、粗精调水泵（26）、压力传感器（27）和橡胶球（28）；通讯管路（21）为若干根中空管道，数量与气浮导轨（4）相同，通讯管路（21）上端安装位置为气浮导轨（4）与箱体（20）的连接处，下端与控制盒（22）顶部固连，管路之间相互平行，用于放置数据传输线；控制盒（22）固定安装在箱体（20）底部，包括电源模块（23）以及控制模块（24）；其中，电源模块（23）负责控制模块（24）、粗精调比例阀（25）、粗精调水泵（26）以及压力传感器（27）的供电；控制模块（24）接收上平台重力补偿指令以及光栅的反馈信号，并控制粗精调比例阀（25）以及粗精调水泵（26）使液体排出或进入箱体（20）；粗精调比例阀（25）以及粗精调水泵（26）数量若干，以箱体（20）底部中心为原点呈对称分布，粗精调比例阀（25）用于排出箱体（20）中的水，粗精调水泵（26）用于使水进入箱体（20）中；橡胶球（28）对称安装在箱体（20）两侧，其内部充有气体。3.根据权利要求1所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置，其特征在于，浮箱（7）包括通讯管路（21）、控制盒（22）、粗精调比例阀（25）、粗精调水泵（26）和橡胶外壳（37）；控制盒（22）包括电源模块（23）以及控制模块（24）；通讯管路（21）为若干根中空管道，数量与气浮导轨（4）相同，安装位置为气浮导轨与橡胶外壳（37）的连接处，用于放置数据传输线；控制盒（22）安装在橡胶外壳（37）底部，包括电源模块（23）以及控制模块（24）；其中，电源模块（23）负责控制模块（24）、粗精调比例阀（25）以及粗精调水泵（26）的供电；控制模块（24）接收上平台重力补偿指令以及光栅的反馈信号，并控制粗精调比例阀（25）以及粗精调水泵（26）使液体排出或进入橡胶外壳（37）内部；
粗精调比例阀（25）以及粗精调水泵（26）数量若干，以橡胶外壳（37）底部中心为原点呈对称分布，粗精调比例阀（25）用于排出橡胶外壳（37）内部的水，粗精调水泵（26）用于使水进入橡胶外壳（37）中；橡胶外壳（37）顶部和底部为不可伸缩的铝合金板，侧面材料为橡胶，通过向橡胶外壳（37）内部进行充气或放气，达到改变浮箱（7）初始浮力的作用。4.根据权利要求1
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3任一项所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置，其特征在于，仪表平台（3）包括冷气推进系统、仪表平台气瓶组、控制单元和通讯模块；所述通讯模...

【专利技术属性】
技术研发人员：马广程，张伟伦，夏红伟，温奇咏，马长波，李莉，王常虹，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：