空间结构的大范围高精度二维伺服跟踪系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空间结构的大范围高精度二维伺服跟踪系统，属于空间结构微低重力模拟技术领域。
【背景技术】
[0002]开展深空探测对提高一个国家在国际上的威望以及维护其在国际外太空事物中的权益具有巨大政治意义，同时也可促进国家科技的发展。空间结构在发射前需要在地面进行运动试验，而空间结构的设计工作环境多为微低重力环境，因此需要一套微低重力模拟系统以满足空间结构微低重力模拟试验的需要。目前，常用的微低重力模拟方式包括悬吊式、气浮式、落塔式和水浮式等方法，其中悬吊式更适用于长期且多维的微低重力模拟系统。悬吊式微低重力模拟系统通常由一套恒拉力系统和一套二维跟踪系统所组成。恒拉力系统通过绳索吊拉目标空间结构，从而抵消其一部分重量实现微低重力的模拟。二维跟踪系统对目标空间结构进行水平面内的二维伺服跟踪，以保证吊索的铅垂。
[0003]目前，大范围的二维跟踪系统多采用二维天车来实现。二维天车具有行程大和承载大等优点，但其重量大且控制响应慢等缺点使其很难实现快响应且高精度的伺服跟踪控制。二维跟踪平台能够实现快响应且高精度的伺服跟踪控制，但是其运动行程很难满足大范围运动的行程要求。
【发明内容】
[0004]本发明目的是为了解决现有空间结构的跟踪系统不能同时实现大行程且高精度的模拟跟踪的问题，提供了一种空间结构的大范围高精度二维伺服跟踪系统。
[0005]本发明所述空间结构的大范围高精度二维伺服跟踪系统，它包括二维运动天车和二维跟踪平台，它还包括CCD测量相机、测量标志器和地面测控台；二维运动天车包括天车X向运动系统和天车Y向运动系统，二维跟踪平台包括X向跟踪平台和Y向跟踪平台；
[0006]二维运动天车的横梁作为天车Y向运动系统，天车X向运动系统通过导轨安装在天车Y向运动系统的下表面上；二维跟踪平台连接在天车X向运动系统上，并且二维跟踪平台上的X轴导轨滑动连接X向跟踪平台，二维跟踪平台上的Y轴导轨滑动连接Y向跟踪平台；天车Y向运动系统、天车X向运动系统、Y向跟踪平台和X向跟踪平台由上至下依次对应布置；
[0007]X向跟踪平台在对应于待跟踪空间结构的一侧固定CCD测量相机，测量标志器固定在待跟踪空间结构上，
[0008]CXD测量相机用于采集测量标志器的位置图像，CXD测量相机的图像信号传输给地面测控台；
[0009]地面测控台根据接收的图像信号计算获得当前二维跟踪平台与待跟踪空间结构之间的相对位置信息;地面测控台的测控计算机根据相对位置信息通过模糊控制驱动天车X向运动系统和天车Y向运动系统运动;地面测控台的测控计算机根据相对位置信息通过比例微分控制驱动X向跟踪平台和Y向跟踪平台运动。
[0010]测量标志器由多个红外LED光源、锂电池和铝制框架组成，铝制框架固定在待跟踪空间结构上，多个红外LED光源固定在铝制框架上，多个红外LED光源由锂电池供电。
[0011]本发明的优点:本发明将大范围运动天车和二维跟踪平台结合形成两级伺服控制方案，通过CCD相机对空间结构进行非接触测量得到相对位置信息，再分别通过模糊控制和比例微分控制产生控制信号驱动天车及跟踪平台运动，实现对目标空间结构的大范围高精度二维伺服跟踪，从而配合恒拉力系统实现空间结构的地面微低重力模拟。本发明涉及了视觉测量技术及位置伺服控制技术。将大范围运动天车和高精度跟踪平台有机的结合起来，天车采用模糊控制方法实现大范围但低精度的控制，跟踪平台在天车粗控的基础上采用比例微分控制实现高精度高响应的跟踪控制，从而实现对目标空间结构的大范围高精度二维伺服跟踪。
【附图说明】
[0012]图1是本发明所述空间结构的大范围高精度二维伺服跟踪系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0013]【具体实施方式】一:下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述空间结构的大范围高精度二维伺服跟踪系统，它包括二维运动天车和二维跟踪平台，它还包括CCD测量相机
1、测量标志器2和地面测控台3; 二维运动天车包括天车X向运动系统4和天车Y向运动系统5，二维跟踪平台包括X向跟踪平台6和Y向跟踪平台7;
[0014]二维运动天车的横梁作为天车Y向运动系统5，天车X向运动系统4通过导轨安装在天车Y向运动系统5的下表面上；二维跟踪平台连接在天车X向运动系统4上，并且二维跟踪平台上的X轴导轨滑动连接X向跟踪平台6，二维跟踪平台上的Y轴导轨滑动连接Y向跟踪平台7;天车Y向运动系统5、天车X向运动系统4、Y向跟踪平台7和X向跟踪平台6由上至下依次对应布置；
[0015]X向跟踪平台6在对应于待跟踪空间结构8的一侧固定CXD测量相机I，测量标志器2固定在待跟踪空间结构8上，
[0016]CXD测量相机I用于采集测量标志器2的位置图像，CXD测量相机I的图像信号传输给地面测控台3;
[0017]地面测控台3根据接收的图像信号计算获得当前二维跟踪平台与待跟踪空间结构8之间的相对位置信息;地面测控台3的测控计算机根据相对位置信息通过模糊控制驱动天车X向运动系统4和天车Y向运动系统5运动，实现大范围、低精度的伺服跟踪控制;地面测控台3的测控计算机根据相对位置信息通过比例微分控制驱动X向跟踪平台6和Y向跟踪平台7运动，实现小范围、高精度且高响应速度的伺服跟踪控制。
[0018]测量标志器2由多个红外LED光源、锂电池和铝制框架组成，铝制框架固定在待跟踪空间结构8上，多个红外LED光源固定在铝制框架上，多个红外LED光源由锂电池供电。
[0019]多个红外LED光源相对空间结构质心的相对位置关系需要通过专用设备精确标定。
[0020]CCD测量相机I拍照获得的图像通过千兆网传输到地面测控台中的测控计算机。测控计算机对图像进行特征提取，再结合已标定得出的测量标志器2中LED光源相对空间结构质心的相对位置关系，解算出跟踪平台相对空间结构的相对位置关系。天车Y向运动系统5由于跨度较大，可采用双电机同步控制实现，驱动方式为齿轮齿条驱动。天车X向运动系统4安装在天车Y向运动系统5上，可采用单电机产生动力，驱动方式为齿轮齿条驱动。Y向跟踪平台7安装在天车X向运动系统4下，采用交流伺服电机进行精确控制，驱动方式为滚珠丝杠驱动，直线导轨配合直线轴承进行导向。X向跟踪平台6安装在Y向跟踪平台7下，采用交流伺服电机进行精确控制，驱动方式为滚珠丝杠驱动，直线导轨配合直线轴承进行导向。
[0021]本发明中，地面测控台根据CCD相机所采集的图像，解算得出跟踪平台与目标空间结构之间的相对位置信息，用做伺服跟踪控制的测量信息，二维跟踪平台安装在二维运动天车上。本发明用于与恒拉力系统配合实现空间结构的地面微低重力模拟。
[0022]在航天领域中，空间结构在发射前需要进行地面试验，以提高任务的成功概率。而空间结构的设计工作环境多为微低重力环境，因此需要一套微低重力模拟系统以满足空间结构微低重力模拟试验的需要。目前，经常采用的伺服悬吊微低重力模拟方式中多只采用一套二维跟踪系统，很难兼顾大范围且高精度的跟踪要求。本发明针对以上问题，提出一种结合大范围运动天车和高精度跟踪平台的大范围高精度二维伺服跟踪系统，相对于伺服天车方式提高了跟踪精度及响应速度，相对于跟踪平台方式增大了跟踪范围。
【主权项】
1.一种空间结构的大范围高精度二维伺服跟踪系统，它包括二维运动天车和二维跟踪平台，其特征在于，它还包括CCD测量相机(I)、测量标志器(2)和地面测控台(3);二维运动天车包括天车X向运动系统(4)和天车Y向运动系统(5)，二维跟踪平台包括X向跟踪平台(6)和Y向跟踪平台(7); 二维运动天车的横梁作为天车Y向运动系统(5)，天车X向运动系统(4)通过导轨安装在天车Y向运动系统(5)的下表面上；二维跟踪平台连接在天车X向运动系统(4)上，并且二维跟踪平台上的X轴导轨滑动连接X向跟踪平台(6)，二维跟踪平台上的Y轴导轨滑动连接Y向跟踪平台(7);天车Y向运动系统(5)、天车X向运动系统(4)、Y向跟踪平台(7)和X向跟踪平台(6)由上至下依次对应布置； X向跟踪平台(6)在对应于待跟踪空间结构(8)的一侧固定CCD测量相机(I)，测量标志器(2)固定在待跟踪空间结构(8)上， CCD测量相机(I)用于采集测量标志器(2)的位置图像，CCD测量相机(I)的图像信号传输给地面测控台(3); 地面测控台(3)根据接收的图像信号计算获得当前二维跟踪平台与待跟踪空间结构(8)之间的相对位置信息;地面测控台(3)的测控计算机根据相对位置信息通过模糊控制驱动天车X向运动系统(4)和天车Y向运动系统(5)运动;地面测控台(3)的测控计算机根据相对位置信息通过比例微分控制驱动X向跟踪平台(6)和Y向跟踪平台(7)运动。2.根据权利要求1所述的空间结构的大范围高精度二维伺服跟踪系统，其特征在于，测量标志器(2)由多个红外LED光源、锂电池和铝制框架组成，铝制框架固定在待跟踪空间结构(8)上，多个红外LED光源固定在铝制框架上，多个红外LED光源由锂电池供电。
【专利摘要】空间结构的大范围高精度二维伺服跟踪系统，属于空间结构微低重力模拟技术领域。本发明是为了解决现有空间结构的跟踪系统不能同时实现大行程且高精度的模拟跟踪的问题。二维运动天车的横梁作为天车Y向运动系统，天车X向运动系统通过导轨安装在天车Y向运动系统的下表面上；二维跟踪平台连接在天车X向运动系统上，并且二维跟踪平台上的X轴导轨滑动连接X向跟踪平台，二维跟踪平台上的Y轴导轨滑动连接Y向跟踪平台；天车Y向运动系统、天车X向运动系统、Y向跟踪平台和X向跟踪平台由上至下依次对应布置；X向跟踪平台在对应于待跟踪空间结构的一侧固定CCD测量相机，测量标志器固定在待跟踪空间结构上。本发明用于空间结构的二维伺服跟踪。
【IPC分类】G05D3/12
【公开号】CN105676883
【申请号】CN201610182780
【发明人】霍明英, 齐乃明, 刘延芳, 周啟航, 孙启龙, 林海奇
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年3月28日