五自由度氣浮仿真試驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)的研制及其關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、地面氣浮仿真試驗(yàn)系統(tǒng)一般包括一個(gè)或多個(gè)氣浮臺(tái)及其相關(guān)配套測(cè)控設(shè)備，氣浮臺(tái)可以用來(lái)模擬衛(wèi)星等航天器的空間活動(dòng)，這是研制衛(wèi)星等航天器過(guò)程中特有的一種地面全物理仿真方法，與數(shù)學(xué)仿真相比，直接以硬件接入回路，對(duì)于驗(yàn)證航天器控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的正確性，檢驗(yàn)實(shí)際控制系統(tǒng)的功能和性能十分重要。早期的航天器全物理仿真試驗(yàn)基本是在一個(gè)靜止的氣浮臺(tái)上進(jìn)行，但隨著航天技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代小衛(wèi)星需要在太空中有很高的機(jī)動(dòng)性，往往需要變軌飛行，在地面對(duì)其測(cè)試需要一個(gè)動(dòng)態(tài)

2、的氣浮臺(tái)以提供更多的空間自由度。國(guó)外已有大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始開(kāi)發(fā)多自由度氣浮仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)對(duì)此研究起步較晚，特別是關(guān)于三自由度以上氣浮仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的研究基本空白，這與我國(guó)日益發(fā)展的航天事業(yè)不甚協(xié)調(diào)。
　　本文在分析五自由度氣浮仿真試驗(yàn)系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況，提出一套氣浮仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)造方案，并進(jìn)行了關(guān)鍵部件平面氣浮軸承和球面氣浮軸承的理論計(jì)算與試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了氣浮軸承供氣回路，研究了作為氣浮臺(tái)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器的冷氣推

3、進(jìn)系統(tǒng)特性，對(duì)臺(tái)體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模及質(zhì)量特性分析，在此基礎(chǔ)上研制開(kāi)發(fā)了一套五自由度氣浮仿真試驗(yàn)系統(tǒng)樣機(jī)。
　　本文研制的樣機(jī)依靠三個(gè)平面氣浮軸承和一個(gè)球面氣浮軸承形成的高壓氣膜使氣浮臺(tái)能夠近似無(wú)摩擦、低干擾地實(shí)現(xiàn)平面上X、Y兩個(gè)方向的平移運(yùn)動(dòng)以及繞橫滾軸、俯仰軸、偏航軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此可以在地面環(huán)境下模擬航天器軌道與姿態(tài)聯(lián)合動(dòng)作的空間任務(wù)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　由于五自由度氣浮臺(tái)運(yùn)動(dòng)自由度的增多，如何描述其五個(gè)自

4、由度的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及建立相應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型是研究中的關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)氣浮臺(tái)運(yùn)動(dòng)情況，定義系統(tǒng)的六個(gè)坐標(biāo)系，以軌道系原點(diǎn)坐標(biāo)陣及姿態(tài)平臺(tái)歐拉角分別描述氣浮臺(tái)軌道運(yùn)動(dòng)及姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)；基于歐拉動(dòng)力學(xué)原理，并通過(guò)分析球面氣浮軸承的力傳遞過(guò)程，建立了氣浮臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型；推導(dǎo)了氣浮臺(tái)在以冷氣推進(jìn)作為軌道及姿態(tài)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器情況下的系統(tǒng)狀態(tài)方程；歸納分析了系統(tǒng)中干擾力和干擾力矩產(chǎn)生的原因及相應(yīng)消除措施，為氣浮臺(tái)的軌道及姿態(tài)控制提供了理論基礎(chǔ)。
　　

5、基于圖像識(shí)別技術(shù)推導(dǎo)了一種定位算法，利用單目視覺(jué)裝置配合現(xiàn)有姿態(tài)敏感器實(shí)現(xiàn)氣浮臺(tái)軌道位置坐標(biāo)的非接觸測(cè)量；基于EKF理論對(duì)姿態(tài)敏感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。對(duì)本五自由度氣浮臺(tái)開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析，研究了質(zhì)心偏移、慣性積及噴嘴推力對(duì)氣浮臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響，針對(duì)五自由度氣浮臺(tái)運(yùn)動(dòng)具有非線性、軌道及姿態(tài)運(yùn)動(dòng)耦合的特點(diǎn)，基于滑模變結(jié)構(gòu)控制理論設(shè)計(jì)氣浮臺(tái)的控制率。
　　在研制樣機(jī)的基礎(chǔ)上，完成VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下五自由度氣浮臺(tái)控制程序及La