一种同心局部球面高精度姿态稳定装置制造方法
【专利摘要】本发明提出了一种同心局部球面姿态稳定装置，所述姿态稳定装置包括：同心局部球面支撑部件；切向调节驱动部件，用于产生球面切向驱动力；用于将所述同心局部球面支撑部件、所述切向调节驱动部件与被支撑物体相连接的连接部件；用于将所述同心局部球面支撑部件、所述切向调节驱动部件与外部随动部件相连接的连接部件；其中各所述同心局部球面支撑部件的局部球面共球面，且共球面的球心与被支撑物体的质心重合。本发明可隔离外界对被支撑物体的姿态干扰，并可修正微小姿态误差，高精度的保持被支撑物体的姿态稳定。
【专利说明】一种同心局部球面高精度姿态稳定装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械电子领域中的一种姿态稳定支撑与调节装置，具体是一种同心局部球面高精度姿态稳定装置。
【背景技术】
[0002]空间天文观测、星间光通信等领域需观察仪器具备高精度的惯性姿态，利用航天器平台提供的较粗精度姿态，进一步精级的姿态采用双框架结构、机械臂、快摆镜等方式对实现更高精度的姿态调节。
[0003]二十一世纪以来，在国内外众多的星间、星地激光通信试验中广泛采用的ATP装置，就是在光学系统的双框架的两维转台上，通过种子激光器的反馈测量，利用快摆镜的闭环控制实现发射或接收光路的精确共轴指向；美欧合作的詹姆斯.韦伯空间望远镜(JWST)，采用减振器隔离卫星平台的动量轮等机构引起的结构的振动，采用快摆镜方式实现对天区的稳定控制；在美国规划的未来巨型空间望远镜项目(ATLAST)的一个拼接镜面的提议方案中，在其具有角分精度的机械臂的末端，采用了三个平行作动的音圈电机来实现望远镜的精密指向的倾斜。
[0004]这些姿态调节装置通过双框架结构或是机械臂上的高精度电机的运动来控制望远镜，或者利用望远镜光路内部快摆镜的运动，使其指向目标的区域。为了实现较为稳定的闭环指向控制，对以上装置中的各部分结构件刚度都有一定的要求，此时的代价体现在两个方面:一方面增加了作动元件的负载，如电机、压电陶瓷或音圈电机的作动力进一步加大，同等条件下增大了系统的功耗；另外一方面，刚性的增加使得航天器平台内部机构引起的高频振动干扰，能够作用到望远镜部分，这种高频颤振对望远镜视轴的稳定性形成干扰，因此以上的装置通常还需要增加被动的减振环节。
【发明内容】
[0005]为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出一种同心局部球面高精度姿态稳定装置，该姿态稳定装置释放对被支撑物的转动扰动，利用被支撑物在惯性空间中的姿态保持特性维持基本姿态，同时提供切向驱动力补偿误差项，实现被支撑物的高精度姿态。
[0006]本发明提出了一种同心局部球面姿态稳定装置，所述姿态稳定装置包括:
[0007]同心局部球面支撑部件，所述同心局部球面支撑部件的局部球面为有厚度的局部球面，包括外表面和内表面；
[0008]切向调节驱动部件，安装于所述同心局部球面支撑部件处，用于产生球面切向驱动力；
[0009]连接部件3，用于将所述同心局部球面支撑部件、所述切向调节驱动部件与被支撑物体相连接；
[0010]连接部件4，用于将所述同心局部球面支撑部件、所述切向调节驱动部件与外部随动部件相连接；
[0011]其中，所述同心局部球面支撑部件、所述切向调节驱动部件和所述连接部件3共同组成一套支撑设备，所述姿态稳定装置包括3套或以上所述支撑设备；其中各所述同心局部球面支撑部件的局部球面的外表面均共球面，即均位于同一空间球面上，各所述同心局部球面支撑部件的局部球面的内表面均共球面，即均位于同一空间球面上，且各所述同心局部球面支撑部件的局部球面的外表面以及内表面的球心重合，该球心称为所述同心局部球面支撑部件的特征球心，且所述同心局部球面支撑部件的特征球心与被支撑物体的质心重合；所述姿态稳定装置形成了相对于被支撑物体质心的球面支撑、转动与驱动结构。
[0012]所述同心局部球面姿态稳定装置，其中，
[0013]所述同心局部球面支撑部件的局部球面还包括靠近所述外表面的局部球面1.3和靠近所述内表面的局部球面1.2，且各所述同心局部球面支撑部件的局部球面1.3均共球面，各所述同心局部球面支撑部件的局部球面1.2均共球面，局部球面1.3和局部球面
1.2的球心均与所述同心局部球面支撑部件的特征球心重合；所述外表面和所述内表面连接形成空腔；局部球面1.3和局部球面1.2连接所构成的中间层被约束在所述空腔中。
[0014]所述同心局部球面姿态稳定装置，其中，
[0015]在所述外表面和所述局部球面1.3之间以及所述内表面和所述局部球面1.2之间均设置互相排斥的永磁力，所述永磁力的方向垂直于所述外表面和所述内表面。
[0016]所述同心局部球面姿态稳定装置，其中，
[0017]所述球面切向至少包括正交的两个方向。
[0018]所述同心局部球面姿态稳定装置，其中，
[0019]所述切向调节驱动部件包括局部球面2.1和局部球面2.2 ；
[0020]各所述切向调节驱动部件的局部球面2.1共球面，各所述切向调节驱动部件的局部球面2.2共球面，且所述局部球面2.1和所述局部球面2.2对应的球心重合，该球心为所述切向调节驱动部件的特征球心，所述切向调节驱动部件的特征球心与所述同心局部球面支撑部件的特征球心重合；
[0021]所述切向调节驱动部件包括位于局部球面2.1和局部球面2.2上在至少正交的两个方向上布置的非接触式直线电机，所述非接触式直线电机的驱动方向与其所布置位置处的球面相切。
[0022]所述同心局部球面姿态稳定装置，其中，
[0023]所述切向调节驱动部件用于补偿由于实际运行中误差的存在造成的被支撑物体的姿态扰动，从而保持被支撑物体的姿态稳定。
[0024]所述的同心局部球面姿态稳定装置，其中，
[0025]所述外部随动部件通过对被支撑物体的随动保证所述同心局部球面支撑部件的运动保持在行程范围内。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明同心局部球面姿态稳定装置的结构示意图；
[0027]图2为本发明同心局部球面姿态稳定装置的结构剖面示意图；
[0028]图3为本发明同心局部球面支撑部件与切向调节驱动部件结构剖面示意图；[0029]图4为本发明同心局部球面姿态稳定装置的一实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0030]下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0031]图1为本发明同心局部球面姿态稳定装置的结构示意图。其中I为同心局部球面支撑部件，2为切向调节驱动部件，3为同心局部球面支撑部件与被支撑物体间的连接部件，4为用于连接各同心局部球面支撑部件的连接部件，连接部件4还用于将各同心局部球面支撑部件与外部随动部件相连接，5为被支撑物体，6为外部随动部件。图1中的同心局部球面姿态稳定装置形成了相对于被支撑物体质心的球面支撑、转动与驱动结构。
[0032]图1中各个同心局部球面支撑部件I的局部球面为有厚度的局部球面，包括外表面和内表面。各球面支撑部件I的局部球面的外表面均共球面，即各局部球面的外表面均位于同一空间球面上。各球面支撑部件I的局部球面的内表面均共球面，即各局部球面的内表面均位于同一空间球面上。各局部球面的外表面以及内表面的球心重合，该球心称为同心局部球面支撑部件I的特征球心，且同心局部球面支撑部件I的特征球心与被支撑物体5的质心高精度重合。各个同心局部球面支撑部件I之间具有一定的间距。
[0033]图1中的每个同心局部球面支撑部件I处都安装有切向调节驱动部件2，切向调节驱动部件2用于产生球面切向驱动力，所述球面切向至少包括正交的两个方向。
[0034]图1中的连接部件3用于将同心局部球面支撑部件1、切向调节驱动部件2与被支撑物体5相连接；连接部件4用于将同心局部球面支撑部件1、切向调节驱动部件2与外部随动部件6相连接。
[0035]图1中示意性的给出了三组同心局部球面支撑部件1，但并不限于三组。本发明不对同心局部球面支撑部件中局部球面的大小进行特别的限定，球面大小与被支撑物质量、扰动加速度等相关，可以根据实际情况设计适当大小的局部球面。
[0036]图1中给出的本发明同心局部球面姿态稳定装置，其中，同心局部球面支撑部件的特征球心与被支撑物体的质心重合，支撑部件为纯球面切向滑动，径向力不产生转动力矩，切向扰动力经支撑部件后可完全释放，外界对被支撑物体的姿态干扰被消除。同心局部球面支撑部件在同一球面上实现，使得每个支撑点的作用力均通过被支撑物体的质心，从而避免了外部随动部件的运动对被支撑物体姿态的影响。
[0037]图2为本发明同心局部球面姿态稳定装置的结构剖面示意图，给出了同心局部球面高精度姿态稳定装置的整体剖面，显示其中一个球面支撑部件I的内部结构。图2中可见其内部所有球面均共球心，该球心即同心局部球面支撑部件I的特征球心，且该球心与被支撑物体5的质心G在三维空间高精度重合。
[0038]图3为本发明同心局部球面支撑部件与切向调节驱动部件结构剖面示意图，图3显示了球面支撑部件I和切向调节驱动部件2的局部放大剖视B。图3中球面支撑部件I的局部球面包括相对于被支撑物5由近到远的局部球面1.1、局部球面1.2、局部球面1.3、局部球面1.4，其中局部球面1.1和局部球面1.2为一对局部球面，局部球面1.3和局部球面1.4为另一对局部球面。每个球面支撑部件I的这些局部球面均分别对应共球面，即每个球面支撑部件I的局部球面1.1位于同一空间球面BI上，每个球面支撑部件I的局部球面1.2位于同一空间球面B2上，每个球面支撑部件I的局部球面1.3位于同一空间球面B3上，每个球面支撑部件I的局部球面1.4位于同一空间球面B4上。局部球面1.1、局部球面1.2、局部球面1.3、局部球面1.4均共球心，即空间球面B1、B2、B3和B4共球心，该球心即同心局部球面支撑部件I的特征球心，且该球心与被支撑物体5的质心G高精度重合。局部球面1.1和局部球面1.4连接形成空腔，局部球面1.2和局部球面1.3连接所构成的中间层被约束在所述空腔中。在每个球面支撑部件I的每对局部球面之间，即局部球面1.1和局部球面1.2组成的局部球面对之间、局部球面1.3和局部球面1.4组成的局部球面对之间，设置互相排斥的永磁力，这些永磁力的方向垂直于局部球面，每对局部球面的间隙均非常小，约为亚毫米级。当局部球面对1.1和1.2相互靠近时，由于强互斥永磁力的存在，球面支撑部件I通过连接部件3为被支撑物体5提供过质心的拉力，当局部球面对1.3和
1.4相互靠近时，由于强互斥永磁力的存在，球面支撑部件I通过连接部件3为被支撑物体5提供过质心的推力。根据磁场力的特性，其在极小的位移内能提供很大的作用力。由于通过球面支撑部件I传递的所有作用力均通过被支撑物体5的质心，所以该作用力只会对被支撑物体5产生平动加速度，不会产生转动加速度，从而不会影响被支撑物体5的姿态。由于采用永磁体，球面支撑部件I为无源器件，没有功率消耗。由于采用非接触方式，所以由外部随动部件6传递的高频振动将被隔离，不会对被支撑物体造成干扰。
[0039]图3所示的同心局部球面支撑部件为本发明的一种优选实现方式，其中的实现手段并不构成对本发明的限制。例如，本发明的同心局部球面支撑部件的局部球面也可仅为单层局部球面，采用本领域常规的固定连接方式，只要同心局部球面支撑部件具备图1所描述的基本特征，即可解决相应的技术问题。
[0040]在图3中，还有局部球面2.1和局部球面2.2，它们是切向调节驱动部件2对应的局部球面，各个切向调节驱动部件2的局部球面2.1共球面，各个切向调节驱动部件2的局部球面2.2共球面，且局部球面2.1和局部球面2.2对应的球心重合，该球心为切向调节驱动部件2的特征球心,且与局部球面1.1、1.2、1.3、1.4同球心。局部球面2.1和局部球面
2.2构成一对局部球面，局部球面对2.1和2.2的间隙均非常小，约为亚毫米级。在局部球面对2.1和2.2上，在至少正交的两个方向上布置非接触式直线电机，非接触式直线电机的驱动方向与其所布置位置处的球面相切，使得局部球面1.2和局部球面1.3所形成的中间层沿与局部球面1.1和局部球面1.4相切的方向运动，用于补偿由于实际运行中误差的存在造成的被支撑物体5的姿态扰动。空间物体的转动有三个自由度，一般可看做两个指向和一个回转。局部球面对2.1和2.2上布置的非接触式直线电机，可补偿两个方向的指向和绕本体的回转运动，从而可实现被支撑物体5在三个自由度上的转动误差补偿。由于切向调节驱动部件2的作用力与局部球面相切，且局部球面的半径可设计的相对较大，从而使调节驱动部件2可实现高精度、小功耗，所以非常有利于工程应用。由于切向调节驱动部件2采用非接触式局部球面对2.1和2.2实现，从而避免了接触可能造成的微振动传递，同样可隔离从外部随动部件6传递的高频振动，不会对被支撑物体造成干扰。
[0041]图4为本发明同心局部球面姿态稳定装置的一实施例的示意图。该实施例示意的是在一个空间飞行器7上，连接了示意的多关节或万向节的外部随动部件6，外部随动部件6通过连接部件4实现与同心局部球面支撑部件I的连接，同心局部球面支撑部件I的另一端通过连接部件3与被支撑物体5连接在一起，这里的被支撑物可以是对天观测或目标跟踪的望远镜或者是天线等高精度要求的载荷。[0042]其工作原理为:
[0043]通过同心局部球面支撑部件I隔离航天器的几乎所有中、高频振动，悬浮跟随机构的运动范围并不用很大，对于每个作动点仅有几毫米的量级，仅需极低的功耗，就能补偿所有外部环境干扰造成的误差。
[0044]利用同心局部球面支撑部件I可实现高精度、高稳定度的惯性姿态或低动态特性的相对运动目标跟随控制，进一步实现更高精度及稳定度姿态的应用。利用飞行器7的姿态测量数据、被支撑物体5的测量的姿态数据及外部随动部件6的角度测量数据，外部随动部件6能够补偿飞行器平台本身存在的残差，实现对被支撑物体5的跟踪控制。
[0045]外部随动部件6对被支撑物体5的直接扰动作用仅为连接脐带线作用力及力矩；被支撑物体5 (如望远镜)基本与飞行器7所受的外部环境力及力矩相同，这些环境作用较为微弱，主要包含地球高层稀薄大气的自由分子流区域引起的气动阻力，扰动的力矩包含重力梯度力矩、气动偏心所致气动力矩以及更弱的光压作用力及力矩。
[0046]利用同心局部球面支撑部件I的每个点安装的切向调节驱动部件2，仅需要消耗很小的电功率，就可以克服以上较为低频的外部干扰力矩，相比外部振动主动补偿的控制快摆镜上的转动控制力矩，这些力作用十分微弱，由于利用同心局部球面支撑部件I是非接触的永磁结构，其可靠性相比快摆镜等主动控制所用的执行元件如压电陶瓷、大功率音圈电机等更为可靠，使用寿命更为长久。
[0047]在飞行器平台运动的情况下，随动部件6相对被支撑物体5业可能产生相对运动，同心局部球面支撑部件I的每个点可能偏离行程的中间位置，需要外部随动部件6跟随运动，以满足同心局部球面支撑部件I行程的约束。局部球面上径向磁场的作用，产生的磁力指向被支撑物体5的质心方向，在小偏差的条件下，作用在被支撑物体5上的力矩很小、基本为零，因此能够对被支撑物体5产生平移作用，同时基本不对被支撑物体5的转动产生影响，减小了对被支撑物体5姿态的扰动。
[0048]为了实现较长的姿态控制，一方面需要抵消外部弱作用，另外还需要抵消造成的长期漂移在作用点的切向平动累积，防止出现行程超限的情况，外部随动机构6应做跟随运动，使得同心局部球面姿态稳定装置的运动不超过其行程。
[0049]本发明具有以下优点:
[0050]1.本发明充分利用被支撑物在惯性空间中的姿态保持特性维持基本姿态，仅需对剩余误差项进行补偿调节，调节精度大大提高，调节功耗大幅度降低。
[0051]2.本发明同心局部球面支撑部件特征球心与被支撑物体质心重合，支撑部件为纯球面切向滑动，径向力不产生转动力矩，切向扰动力经支撑部件后可完全释放，外界对被支撑物体的姿态干扰被消除。
[0052]3.本发明切向驱动部件特征球心与被支撑物体质心高精度重合，姿态调节驱动效率高，多个切向驱动部件可在行程范围内合成任一方向任一角度的转动，驱动机构间功能冗余互备，可靠性高。
[0053]4.本发明支撑部件采用磁力悬浮方式，切向运动无自然阻尼，并对高频振动有隔尚作用。
[0054]5.本发明对被支撑物体姿态进行高精度调节过程中，仅需外部随动部件在行程范围内做角度跟踪，跟踪精度与控制带宽要求显著降低。
【权利要求】
1.一种同心局部球面姿态稳定装置，所述姿态稳定装置包括: 同心局部球面支撑部件，所述同心局部球面支撑部件的局部球面为有厚度的局部球面，包括外表面和内表面； 切向调节驱动部件，安装于所述同心局部球面支撑部件处，用于产生球面切向驱动力； 连接部件3，用于将所述同心局部球面支撑部件、所述切向调节驱动部件与被支撑物体相连接； 连接部件4，用于将所述同心局部球面支撑部件、所述切向调节驱动部件与外部随动部件相连接； 其中，所述同心局部球面支撑部件、所述切向调节驱动部件和所述连接部件3共同组成一套支撑设备，所述姿态稳定装置包括3套或以上所述支撑设备；其中各所述同心局部球面支撑部件的局部球面的外表面均共球面，即均位于同一空间球面上，各所述同心局部球面支撑部件的局部球面的内表面均共球面，即均位于同一空间球面上，且各所述同心局部球面支撑部件的局部球面的外表面以及内表面的球心重合，该球心称为所述同心局部球面支撑部件的特征球心，且所述同心局部球面支撑部件的特征球心与被支撑物体的质心重合；所述姿态稳定装置形成了相对于被支撑物体质心的球面支撑、转动与驱动结构。
2.如权利要求1所述的同心局部球面姿态稳定装置，其中， 所述同心局部球面支撑部件的局部球面还包括靠近所述外表面的局部球面1.3和靠近所述内表面的局部球面1.2，且各所述同心局部球面支撑部件的局部球面1.3均共球面，各所述同心局部球面支撑部件的局部球面1.2均共球面，局部球面1.3和局部球面1.2的球心均与所述同心局部球面支撑部件的特征球心重合；所述外表面和所述内表面连接形成空腔；局部球面1.3和局部 球面1.2连接所构成的中间层被约束在所述空腔中。
3.如权利要求2所述的同心局部球面姿态稳定装置，其中， 在所述外表面和所述局部球面1.3之间以及所述内表面和所述局部球面1.2之间均设置互相排斥的永磁力，所述永磁力的方向垂直于所述外表面和所述内表面。
4.如权利要求1所述的同心局部球面姿态稳定装置，其中， 所述球面切向至少包括正交的两个方向。
5.如权利要求1-3所述的同心局部球面姿态稳定装置，其中， 所述切向调节驱动部件包括局部球面2.1和局部球面2.2 ； 各所述切向调节驱动部件的局部球面2.1共球面，各所述切向调节驱动部件的局部球面2.2共球面，且所述局部球面2.1和所述局部球面2.2对应的球心重合，该球心为所述切向调节驱动部件的特征球心，所述切向调节驱动部件的特征球心与所述同心局部球面支撑部件的特征球心重合； 所述切向调节驱动部件包括位于局部球面2.1和局部球面2.2上在至少正交的两个方向上布置的非接触式直线电机，所述非接触式直线电机的驱动方向与其所布置位置处的球面相切。
6.如权利要求1所述的同心局部球面姿态稳定装置，其中， 所述切向调节驱动部件用于补偿由于实际运行中误差的存在造成的被支撑物体的姿态扰动，从而保持被支撑物体的姿态稳定。
7.如权利要求1所述的同心局部球面姿态稳定装置，其中， 所述外部随动部件通过对被支撑物体的随动保证所述同心局部球面支撑部件的运动保持在行程范围 内。
【文档编号】G05D3/12GK103744436SQ201410000135
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月2日 优先权日:2014年1月2日
【发明者】张涛, 刘兵山, 李新峰 申请人:中国科学院空间应用工程与技术中心