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

1、地面氣浮仿真試驗系統(tǒng)一般包括一個或多個氣浮臺及其相關(guān)配套測控設(shè)備，氣浮臺可以用來模擬衛(wèi)星等航天器的空間活動，這是研制衛(wèi)星等航天器過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，對于驗證航天器控制系統(tǒng)方案設(shè)計的正確性，檢驗實際控制系統(tǒng)的功能和性能十分重要。早期的航天器全物理仿真試驗基本是在一個靜止的氣浮臺上進(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)動性，往往需要變軌飛行，在地面對其測試需要一個動態(tài)

2、的氣浮臺以提供更多的空間自由度。國外已有大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開始開發(fā)多自由度氣浮仿真試驗系統(tǒng)，相對來說國內(nèi)對此研究起步較晚，特別是關(guān)于三自由度以上氣浮仿真試驗系統(tǒng)的研究基本空白，這與我國日益發(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系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際情況，提出一套氣浮仿真試驗系統(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算與試驗，設(shè)計了氣浮軸承供氣回路，研究了作為氣浮臺運(yùn)動執(zhí)行器的冷氣推

3、進(jìn)系統(tǒng)特性，對臺體機(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)上研制開發(fā)了一套五自由度氣浮仿真試驗系統(tǒng)樣機(jī)。
　　本文研制的樣機(jī)依靠三個平面氣浮軸承和一個球面氣浮軸承形成的高壓氣膜使氣浮臺能夠近似無摩擦、低干擾地實現(xiàn)平面上X、Y兩個方向的平移運(yùn)動以及繞橫滾軸、俯仰軸、偏航軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此可以在地面環(huán)境下模擬航天器軌道與姿態(tài)聯(lián)合動作的空間任務(wù)，具有較高的實際應(yīng)用價值。
　　由于五自由度氣浮臺運(yùn)動自由度的增多，如何描述其五個自

4、由度的運(yùn)動狀態(tài)及建立相應(yīng)動力學(xué)模型是研究中的關(guān)鍵問題。根據(jù)氣浮臺運(yùn)動情況，定義系統(tǒng)的六個坐標(biāo)系，以軌道系原點坐標(biāo)陣及姿態(tài)平臺歐拉角分別描述氣浮臺軌道運(yùn)動及姿態(tài)運(yùn)動的狀態(tài)；基于歐拉動力學(xué)原理，并通過分析球面氣浮軸承的力傳遞過程，建立了氣浮臺的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型；推導(dǎo)了氣浮臺在以冷氣推進(jìn)作為軌道及姿態(tài)運(yùn)動執(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，為氣浮臺的軌道及姿態(tài)控制提供了理論基礎(chǔ)。
　　

5、基于圖像識別技術(shù)推導(dǎo)了一種定位算法，利用單目視覺裝置配合現(xiàn)有姿態(tài)敏感器實現(xiàn)氣浮臺軌道位置坐標(biāo)的非接觸測量；基于EKF理論對姿態(tài)敏感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)估計。對本五自由度氣浮臺開環(huán)運(yùn)動特性進(jìn)行分析，研究了質(zhì)心偏移、慣性積及噴嘴推力對氣浮臺運(yùn)動的影響，針對五自由度氣浮臺運(yùn)動具有非線性、軌道及姿態(tài)運(yùn)動耦合的特點，基于滑模變結(jié)構(gòu)控制理論設(shè)計氣浮臺的控制率。
　　在研制樣機(jī)的基礎(chǔ)上，完成VxWorks實時操作系統(tǒng)下五自由度氣浮臺控制程序及La