八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节装置及方法
【专利摘要】本发明公开一种八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节装置及方法，主要由含4个相同竖直安装力执行器的竖直单元和4个相同水平安装力执行器的水平单元组成，所有8个力执行器均布置在卫星服务舱与载荷舱之间，并通过螺栓将两者连成一体，竖直安装力执行器和水平安装力执行器相对于平台中心轴线呈圆周阵列布置，竖直与水平安装力执行器呈相互交错布置，且8个力执行器整体为正交布置。基于合力矩为零不影响姿态和合力为零不产生平移的基本力学原理，通过本八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节装置的力执行器的伸缩运动组合，可以实现载荷平动和转动六自由度位姿调节。
【专利说明】八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航天【技术领域】，更具体的说，涉及一种八杆连接式非接触卫星平台的载荷位置和姿态调节装置与方法。
【背景技术】
[0002]传统平台与载荷刚性连接的一体化构型卫星高精度姿态控制主要是基于动量交换装置实现，典型代表如飞轮，其具有对卫星质心运动不产生干扰等优点，但飞轮高速旋转对支承要求很高，同时其不平衡引起的振动尤为明显，严重影响卫星光轴指向精度及稳定度，是高分成像发展的主要制约因素之一。
[0003]目前，针对卫星飞轮等旋转部件振动抑制进行了大量研究，主要有被动和主动两种隔振形式，各有优劣。被动隔振结构简单，稳定可靠，且不需额外提供能源及测量装置，但低频抑制效果较差；主动隔振理论上有更好的性能，但控制系统复杂，稳定性差，且具有水床效应，放大了低频响应。
[0004]基于主被动形式的接触型隔振系统性能提升难度大，且潜力有限。鉴于此，国外发展了一种非接触卫星平台构型，利用音圈电机形成六杆Stewart平台，线圈通电时，与永久磁铁产生磁悬浮效应，在可隔离平台干扰情况下，实现载荷的三轴姿态控制，但其各方向姿态控制耦合严重，需要求解复杂的雅克比矩阵，且当雅克比矩阵奇异时，导致无解，极大增加了航天器姿态控制系统的复杂性，实际应用困难。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种八杆连接式非接触卫星平台的载荷位置和姿态调节装置及方法，通过本载荷位姿调节装置和方法，可以实现载荷六自由度高精度指向控制。可以应用于甚高精度遥感卫星、深空探测天文望远镜等。
[0006]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0007]—种八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节装置，主要包括两组力执行器单元；一组为竖直安装力执行器单元，其由4个相同的竖直安装力执行器Al、A2、A3和A4组成；一组为水平安装力执行器单元，其由4个相同的水平安装力执行器B1、B2、B3和B4组成。
[0008]所述力执行器是指通过静电力或电磁力等形式实现直线伸缩运动的一种部件，如永磁直线电机等。
[0009]设置三维直角坐标系0ΧΥΖ，该坐标系三个坐标轴OX、0Y、OZ分别与卫星平台机械坐标系平行。
[0010]所有力执行器均布置在服务舱与载荷舱之间，并通过螺栓将两者连成一体，上述三维直角坐标系OXYZ的原点位于载荷舱质心。其中，4个竖直安装力执行器布置在服务舱主传力路径上，相对于坐标轴OZ呈对称排列，且成对布置在面OXZ或面OYZ的两侧；4个水平安装力执行器相对于坐标轴OZ呈90°的圆周排列，均布置在坐标轴OX和坐标轴OY在服务舱力执行器安装面的投影上，且与竖直安装力执行器呈相互交错布置。8个力执行器整体为正交布置，竖直安装力执行器之间相互平行；水平安装力执行器相邻垂直，相隔平行；竖直安装力执行器与水平安装力执行器之间相互垂直。
[0011]通过控制上述力执行器的伸缩运动组合，可以实现八杆连接式非接触卫星平台载荷的平动和转动六自由度位姿调节。
[0012]基于载荷平动和转动六自由度运动需求，竖直安装力执行器Al、A2、A3和A4可成对布置在面OYZ的两侧，其伸缩运动方向与坐标轴OZ平行；水平安装力执行器BI和B3可布置在坐标轴OX在服务舱力执行器安装面的投影上，其伸缩运动方向与坐标轴OY平行；水平安装力执行器B2和B4可布置在坐标轴OY在服务舱力执行器安装面的投影上，其伸缩运动方向与坐标轴OX平行。
[0013]基于上述布置方法，载荷沿坐标轴OX方向的平动可由竖直安装力执行器Al、A2、A3、A4和水平安装力执行器B2、B4组合运动实现。此时，要求水平安装力执行器B2、B4产生方向相同的输出力，且要求水平安装力执行器B2、B4输出力引起的绕坐标轴OZ的力矩代数和为零；同时要求竖直安装力执行器Al、A2、A3、A4的输出力产生的绕坐标轴OY的力矩与水平安装力执行器B2、B4的输出力引起的绕坐标轴OY的力矩的代数和为零；同时要求竖直安装力执行器A1、A2、A3、A4的输出力产生的绕坐标轴OX的力矩代数和为零。
[0014]基于上述布置方法，载荷沿轴坐标OY方向的平动可由竖直安装力执行器Al、A2、A3、A4和水平安装力执行器B1、B3组合运动实现。此时，要求水平安装力执行器B1、B3产生方向相同的输出力，且要求水平安装力执行器B1、B3输出力引起的绕坐标轴OZ的力矩代数和为零；同时要求竖直安装力执行器Al、A2、A3、A4的输出力产生的绕坐标轴OX的力矩与水平安装力执行器B1、B3的输出力引起的绕坐标轴OX的力矩的代数和为零；同时要求竖直安装力执行器A1、A2、A3、A4的输出力产生的绕坐标轴OY的力矩代数和为零。
[0015]基于上述布置方法，载荷沿坐标轴OZ方向的平动可由竖直安装力执行器Al、A2、A3、A4组合运动实现。此时，要求竖直安装力执行器Al、A2、A3、A4产生输出力的代数和不为零，且要求该输出力产生的绕坐标轴OX的力矩的代数和为零，同时要求其输出力产生的绕坐标轴OY的力矩的代数和也为零。
[0016]基于上述布置方法，载荷沿坐标轴OX方向的转动可由竖直安装力执行器Al、A2、A3、A4组合运动实现。此时，要求竖直安装力执行器Al、A2、A3、A4的输出力产生的绕坐标轴OX的力矩代数和不为零，且要求该输出力的代数和为零，同时要求该输出力产生绕坐标轴OY的力矩代数和为零。
[0017]基于上述布置方法，载荷沿坐标轴OY方向的转动可由竖直安装力执行器Al、A2、A3、A4组合运动实现。此时，要求竖直安装力执行器Al、A2、A3、A4的输出力产生的绕坐标轴OY的力矩代数和不为零，且要求该输出力的代数和为零，同时要求该输出力产生绕坐标轴OX的力矩代数和为零。
[0018]基于上述布置方法，载荷沿坐标轴OZ方向的转动可由水平安装力执行器B1、B2、B3、B4组合运动实现。此时，要求水平安装力执行器B1、B2、B3、B4的输出力产生的绕坐标轴OZ的力矩代数和不为零，且要求沿坐标轴OX和坐标轴OY方向的力的代数和均为零，同时要求该输出力产生绕坐标轴OX和坐标轴OY的力矩代数和均为零。
[0019]本发明提供的八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节装置及其调节方法，可以实现卫星载荷三轴任意方向的平动和转动，且各个方向运动没有耦合，因此相互之间没有任何干扰，控制简单；同时，由于采用八杆力执行器组合连接形式实施六自由度位姿调节，故可实现部件冗余备份，较六杆连接形式显著提升系统可靠性。本发明可用于非接触超静平台的超高精度指向有效载荷六自由度位姿调节。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0021]图1是本发明八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节装置结构示意图；
[0022]图2是载荷沿坐标轴OX方向平动调节力执行器配置示意图；
[0023]图3是载荷沿坐标轴OY方向平动调节力执行器配置示意图；
[0024]图4是载荷沿坐标轴OZ方向平动调节力执行器配置示意图；
[0025]图5是为载荷沿坐标轴OX方向转动调节力执行器配置示意图；
[0026]图6是载荷沿坐标轴OY方向转动调节力执行器配置示意图；
[0027]图7是载荷沿坐标轴OZ方向转动调节力执行器配置示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0029]如图1?图7所示，本发明提供的八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节装置，主要包括服务舱100、载荷舱300，竖直安装力执行器单元的力执行器A1211、A2212、A3213和A4214，水平安装力执行器单元的力执行器B1221、B2222、B3223和B4224。
[0030]如图1所示，主要包括两组力执行器单元；一组为竖直安装力执行器单元，其由4个完全相同的竖直安装力执行器A1211、A2212、A3213和A4214组成；一组为水平安装力执行器单元，其由4个完全相同的水平安装力执行器B1221、B2222、B3223和B4224组成。所述力执行器是指通过静电力或电磁力等形式实现直线伸缩运动的一种部件，如永磁直线电机等。
[0031]如图1所示，设置三维直角坐标系0ΧΥΖ，该坐标系三个坐标轴0Χ、0Υ、0Ζ分别与卫星平台机械坐标系平行。
[0032]如图1所示，所有力执行器均布置在服务舱100与载荷舱300之间，并通过螺栓将两者连成一体，上述三维直角坐标系OXYZ的原点位于载荷舱300质心。其中，4个竖直安装力执行器Α1211、Α2212、Α3213和Α4214—般布置在服务舱100主传力路径上，相对于坐标轴OZ呈对称排列，且成对布置在面OXZ或面OYZ的两侧；4个水平安装力执行器Β1221、Β2222、Β3223和Β4224相对于坐标轴OZ呈90。的圆周排列，均布置在坐标轴OX和坐标轴OY在服务舱100力执行器安装面的投影上，且与竖直安装力执行器呈相互交错布置。8个力执行器整体为正交布置，竖直安装力执行器之间相互平行；水平安装力执行器相邻垂直，相隔平行；竖直安装力执行器与水平安装力执行器之间相互垂直。通过控制上述八个力执行器的伸缩运动组合，可以实现八杆连接式非接触卫星平台载荷的平动和转动六自由度位姿调节。
[0033]基于载荷平动和转动六自由度运动需求，竖直安装力执行器A1211、A2212、A3213和A4214可成对布置在面OYZ的两侧，其伸缩运动方向与坐标轴OZ平行；水平安装力执行器B1221和B3223可布置在坐标轴OX在服务舱100力执行器安装面的投影上，其伸缩运动方向与坐标轴OY平行；水平安装力执行器B2222和B4224可布置在坐标轴OY在服务舱100力执行器安装面的投影上，其伸缩运动方向与坐标轴OX平行。
[0034]如图2所示，基于上述布置方法，载荷沿坐标轴OX方向的平动可由竖直安装力执行器A1211、A2212、A3213、A4214和水平安装力执行器B2222、B4224组合运动实现。此时，要求水平力执行器B2222、B4224产生方向相同的输出力，且要求水平力执行器B2222、B4224输出力引起的绕坐标轴OZ的力矩代数和为零；同时要求竖直安装力执行器A1211、A2212、A3213、A4214的输出力产生的绕坐标轴OY的力矩与水平力执行器B2222、B4224的输出力引起的绕坐标轴OY的力矩的代数和为零；同时要求竖直安装力执行器A1211、A2212、A3213、A4214的输出力产生的绕坐标轴OX的力矩代数和为零。
[0035]如图3所示，基于上述布置方法，载荷沿坐标轴OY方向的平动可由竖直安装力执行器A1211、A2212、A3213、A4214和水平安装力执行器B1221、B3223组合运动实现。此时，要求水平力执行器B1221、B3223产生方向相同的输出力，且要求水平力执行器B1221、B3223输出力引起的绕轴OZ的力矩代数和为零；同时要求竖直安装力执行器A1211、A2212、A3213、A4214的输出力产生的绕坐标轴OX的力矩与水平力执行器B1221、B3223的输出力引起的绕坐标轴OX的力矩的代数和为零；同时要求竖直安装力执行器A1211、A2212、A3213、A4214的输出力产生的绕坐标轴OY的力矩代数和为零。
[0036]如图4所示，基于上述布置方法，载荷沿坐标轴OZ方向的平动可由竖直安装力执行器A1211、A2212、A3213、A4214组合运动实现。此时，要求竖直安装力执行器A1211、A2212、A3213、A4214产生输出力的代数和不为零，且要求该输出力产生的绕坐标轴OX的力矩的代数和为零，同时要求其输出力产生的绕坐标轴OY的力矩的代数和也为零。
[0037]如图5所示，基于上述布置方法，载荷沿坐标轴OX方向的转动可由竖直安装力执行器A1211、A2212、A3213、A4214组合运动实现。此时，要求竖直安装力执行器A1211、A2212、A3213、A4214的输出力产生的绕坐标轴OX的力矩代数和不为零，且要求该输出力的代数和为零，同时要求该输出力产生绕坐标轴OY的力矩代数和为零。
[0038]如图6所示，基于上述布置方法，载荷沿坐标轴OY方向的转动可由竖直安装力执行器A1211、A2212、A3213、A4214组合运动实现。此时，要求竖直安装力执行器A1211、A2212、A3213、A4214的输出力产生的绕坐标轴OY的力矩代数和不为零，且要求该输出力的代数和为零，同时要求该输出力产生绕坐标轴OX的力矩代数和为零。
[0039]如图7所示，基于上述布置方法，载荷沿坐标轴OZ方向的转动可由水平安装力执行器B1221、B2222、B3223、B4224组合运动实现。此时，要求水平安装力执行器B1221、B2222、B3223、B4224的输出力产生的绕坐标轴OZ的力矩代数和不为零，且要求沿坐标轴OX和坐标轴OY方向的力的代数和均为零，同时要求该输出力产生绕坐标轴OX和坐标轴OY的力矩代数和均为零。
[0040]除上述给出的力执行器具体布置方法外，也可以采用其他布置方法，如竖直安装力执行器A1211、A2212、A3213和A4214可成对布置在面OXZ的两侧，其伸缩运动方向与坐标轴OZ平行；水平安装力执行器B1221和B3223可布置在坐标轴OY在服务舱100力执行器安装面的投影上，其伸缩运动方向与坐标轴OX平行；水平安装力执行器B222)和B4224可布置在坐标轴OX在服务舱100力执行器安装面的投影上，其伸缩运动方向与坐标轴OY平行。这些方法实现载荷平动和转动的思想策略与上述给出的力执行器具体布置方法完全相同。
[0041]本发明上述实施例，并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的内容对本发明所提出的方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明的技术内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节装置，实现载荷六自由度平动和转动位姿调节，其特征在于， 主要由4个相同的竖直安装力执行器A1、A2、A3、A4组成的竖直安装力执行器单元和4个相同的水平安装力执行器B1、B2、B3、B4组成的水平安装力执行器单元组成，所有安装力执行器均布置在卫星服务舱与载荷舱之间，并通过螺栓将两者连成一体； 设置三维直角坐标系OXYZ，OX, OY, OZ分别为三个坐标轴，使4个竖直安装力执行器布置在服务舱主传力路径上，相对于坐标轴OZ呈对称排列，且成对布置在面OXZ或面OYZ的两侧；4个水平安装力执行器相对于坐标轴OZ呈90°的圆周排列,均布置在坐标轴OX和坐标轴OY在服务舱力执行器安装面的投影上，且与竖直安装力执行器呈相互交错布置；8个安装力执行器整体为正交布置，竖直安装力执行器之间相互平行，水平安装力执行器相邻垂直，相隔平行，竖直安装力执行器与水平安装力执行器之间相互垂直。
2.根据权利要求1所述的八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节装置，其特征在于，所述三维直角坐标系OXYZ的三个坐标轴0Χ、0Υ、0Ζ分别与卫星平台机械坐标系平行，其原点位于载荷舱质心。
3.根据权利要求1所述的八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节装置，其特征在于，所述竖直安装力执行器Α1、Α2、Α3和Α4成对布置在面OYZ的两侧，其伸缩运动方向与坐标轴OZ平行；水平安装力执行器BI和Β3布置在坐标轴OX在服务舱力执行器安装面的投影上，其伸缩运动方向与坐标轴OY平行；水平安装力执行器Β2和Β4布置在坐标轴OY在服务舱力执行器安装面的投影上，其伸缩运动方向与坐标轴OX平行。
4.一种八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的调节装置完成，通过控制所述力执行器的伸缩运动组合，实现八杆连接式非接触卫星平台载荷沿坐标轴0Χ、坐标轴0Υ、坐标轴OZ的六自由度平动位置调节和转动姿态调节。
5.根据权利要求4所述的八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节方法，其特征在于，载荷沿坐标轴OX方向的平动位置调节由竖直安装力执行器Al、Α2、A3、Α4和水平安装力执行器Β2、Β4组合运动实现，水平安装力执行器Β2、Β4产生方向相同的输出力，同时水平安装力执行器Β2、Β4输出力引起的绕坐标轴OZ的力矩代数和为零；同时竖直安装力执行器Α1、Α2、Α3、Α4的输出力产生的绕坐标轴OY的力矩与水平安装力执行器Β2、Β4的输出力引起的绕坐标轴OY的力矩的代数和为零，竖直安装力执行器Al、Α2、A3、Α4的输出力产生的绕坐标轴OX的力矩代数和为零。
6.根据权利要求4所述的八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节方法，其特征在于，载荷沿轴坐标OY方向的平动位置调节由竖直安装力执行器Al、Α2、A3、Α4和水平安装力执行器Β1、Β3组合运动实现，要求水平安装力执行器Β1、Β3产生方向相同的输出力，同时要求水平安装力执行器Β1、Β3输出力引起的绕坐标轴OZ的力矩代数和为零；同时要求竖直安装力执行器Al、Α2、Α3、Α4的输出力产生的绕坐标轴OX的力矩与水平安装力执行器B1、Β3的输出力引起的绕坐标轴OX的力矩的代数和为零；同时要求竖直安装力执行器Α1、Α2、Α3、Α4的输出力产生的绕坐标轴OY的力矩代数和为零。
7.根据权利要求4所述的八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节方法，其特征在于，载荷沿坐标轴OZ方向的平动位置调节由竖直安装力执行器Al、Α2、A3、Α4组合运动实现，要求竖直安装力执行器Al、Α2、A3、Α4产生输出力的代数和不为零，同时要求该输出力产生的绕坐标轴OX的力矩的代数和为零，同时要求其输出力产生的绕坐标轴OY的力矩的代数和也为零。
8.根据权利要求4所述的八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节方法，其特征在于，载荷沿坐标轴OX方向的转动姿态调节由竖直安装力执行器Al、A2、A3、A4组合运动实现，要求竖直安装力执行器Al、A2、A3、A4的输出力产生的绕坐标轴OX的力矩代数和不为零，同时要求该输出力的代数和为零，同时要求该输出力产生绕坐标轴OY的力矩代数和为零。
9.根据权利要求4所述的八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节方法，其特征在于，载荷沿坐标轴OY方向的转动姿态调节由竖直安装力执行器Al、A2、A3、A4组合运动实现，要求竖直安装力执行器Al、A2、A3、A4的输出力产生的绕坐标轴OY的力矩代数和不为零，同时要求该输出力的代数和为零，同时要求该输出力产生绕坐标轴OX的力矩代数和为零。
10.根据权利要求4所述的八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节方法，其特征在于，载荷沿坐标轴OZ方向的转动姿态调节可由水平安装力执行器B1、B2、B3、B4组合运动实现，要求水平安装力执行器B1、B2、B3、B4的输出力产生的绕坐标轴OZ的力矩代数和不为零，同时要求沿坐标轴OX和坐标轴OY方向的力的代数和均为零，同时要求该输出力产生绕坐标轴OX和坐标轴OY的力矩代数和均为零。
【文档编号】B64G1/24GK104163251SQ201410384258
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】许域菲, 袁金如, 张伟, 廖鹤, 葛升民, 赵洪波, 裘俊 申请人:上海卫星工程研究所