一种无脐带线的微重力主动减振装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种无脐带线的微重力主动减振装置及方法，所述装置包括浮子和定子，浮子用于安装实验载荷，且浮子上有浮子电源和与浮子传输控制器，浮子电源连接载荷电源接口，浮子传输控制器连接载荷通信接口，所述定子上有定子电源、定子主控制器、位移传感器和激励器，定子电源连接定子主控制器，定子主控制器分别连接位移传感器和激励器，浮子上还安装有可充电电池，用于为浮子电源和载荷电源接口供电，且浮子传输控制器基于无线方式与定子主控制器相互通信。所述方法中利用可充电电池为浮子和载荷供电，用缓存方式或无线通讯方式进行定子与浮子间的通信。由于没有脐带线，本发明可以用更好的控制策略和参数，在本质上提升减振效果。
【专利说明】—种无脐带线的微重力主动减振装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空间微重力【技术领域】，特别是涉及一种无脐带线的微重力主动减振装置及方法。
【背景技术】
[0002]生命科学、流体物理、材料科学以及基础物理等空间微重力科学实验对微重力环境有较高要求，然而科学实验载荷会受到空间飞行器上的各种扰动作用力(例如姿/轨控发动机动作、设备和有效载荷动作、宇航员活动、泵、风扇、离心机等仪器设备的振动)的影响，微重力水平并不理想。
[0003]因此，为了抑制在卫星和飞船上的一些振动，达到更高的微重力水平，在国际上，普遍采用减振技术。按照机理可以分为被动减振和主动减振两种。被动减振主要依靠各类阻尼器件(如弹簧、橡胶等)进行减振，装置结构简单，减振效果好；但在装置的固有频率点，反而会增大振动。主动减振是在振动控制过程中，根据传感器检测到的载荷振动，应用一定的控制策略，经过实时计算，驱动致动器对载荷施加一定的力或力矩，以抑制载荷振动，达到低频振动隔离的目的。国外已有的整柜级微重力主动减振装置采用的是接触式主动减振，如美国NASA的ARIS，而载荷级微重力主动减振装置通常采用非接触式主动减振，如STABLE、MM、g-UMIT、MVIS等，我国也已经研制了主动减振样机，并准备在后续载人航天任务中验证。下面介绍几种现有技术中的常用减振方案。
[0004]I) PaRIS
[0005]PaRIS被动减振系统由NASA和Boeing公司联合开发，依靠空气阻尼弹簧减振器实现振动隔离，不需要电子学与控制系统，主要用于消减IHz以上的振动，对极低频的振动抑制不明显。而且由于被动减振装置也有自身的固有频率，所以在某些频段还容易引起共振。
[0006]2) ARIS
[0007]ARIS是NASA和Boeing公司联合开发研制的整柜级主动减振装置，能控制低至
0.0lHz的振动，高频段减振性能和PaRIS类似，ISS内美国实验室位置上的7个ISPR机柜采用ARIS主动减振装置，3个采用PaRIS被动减振装置。ARIS的主要部件包括8个接触式激励器，I个控制器，I个电源驱动器，3个微电子单元，3个三轴加速度计。通过加速度计感应外部的振动，并通过滤波器把数据传给控制器，控制器启动激励器来抵消外部的振动。
[0008]3) MM-MVIS 系列
[0009]MM系列是加拿大空间局开发的载荷级主动减振装置。MM系列振动隔离装置安装在EXPRESS和EDR机柜中，用于有效载荷局部减振，其减振原理与ARIS接近，也是采用8个悬浮式激励器实现对载荷的6自由度冗余控制，由于系统总体尺寸相对较小，对于加速度测量环节进行了简化。从90年代开始，加拿大研制开发了四代MIM系列产品。第一代MIM和第二代MIM-2分别在和平号空间站和航天飞机进行试验飞行，取得了良好的减振效果。第三代MVIS是专为欧洲的哥伦布舱中的流体物理实验室设计的较大型振动隔离设备，包括8个悬浮执行组件,3个加速度计组件,4个PSD(Position Sensitive Detector,位置敏感探测器)组件，4个缓冲器等组件组成，第四代MIM BU利用两级浮子结构改进减振与激振性能。
[0010]4 ) g-LIMIN 和 STABLE
[0011]g-LIMIT和STABLE均属于单元级主动减振装置，g-LIMIT应用于微重力科学手套箱(MSG)内小型实验设备及样品的减振。g-LIMIT由NASA的MSFC研制，其内部激励器为3组悬浮式双向驱动洛伦兹力音圈激励器，使浮子平台对外界扰动进行6自由度的主动振动隔离。STABLE由MSFC与波音公司联合研制，在航天飞机上进行了试验飞行。
[0012]5)空间应用中心的MAIS系统
[0013]空间科学与应用总体部从2006年开始研发高微重力主动减振装置。目前已经攻克了空间高精度微重力测量技术、空间主动控制技术、洛伦兹力激励技术等关键技术，并设计了基于气垫悬浮原理的主动减振地面测试系统，对高微重力主动减振装置原理样机进行各项性能测试。
[0014]综上来看，目前国内外的高微重力主动减振技术采用的方法大致相同，都是基于非接触式电磁力作为执行器，加速度计作为传感器，控制方法以PID算法为主，鲁棒控制和自适应控制备选。如图1所示，这些系统虽能够达到很好的减振效果，但都由浮子I和定子2两部分组成，定子是隔振系统的支撑单元，而浮子是实验载荷3的支撑单元，浮子I和定子2之间通过脐带线4相连，系统通过安装在浮子上的加速度计测量浮子加速度，通过安装在浮子和定子上的激励器5提供作用力。浮子和定子非接触式连接，唯一振动传递通道是“脐带线”，用来提供浮子的供电和通信。系统通过洛伦兹力控制浮子加速度，并保持其不与定子碰撞。控制原理如图2所示:定子加速度、浮子加速度、相对位移的数据采集后送到定子主控制器；定子主控制器通过控制算法，计算输出力，驱动电磁激励器给出反馈力，抵消浮子受到的振动，并保证两者相对位移在一定范围内。其中浮子加速度值通过浮子传输控制器采集后经过脐带线的信号线传送给定子控制器；浮子电源也通过脐带线的电源线传送；浮子上载荷和载荷的通信也通过脐带线直接和外部接口连接。
[0015]因此，上述方案中浮子的数据、电源以及浮子上载荷的数据、电源、测控必须通过脐带线才能提供，脐带线的数量达到近20根，且脐带线的刚度和阻尼都很大，使定子的扰动直接传递到浮子。减振主动控制的指标受脐带线因素的影响很大。首先，在主动减振的动力学模型，脐带线的建模非常困难，而且参数具有时变、非线性等特性，几乎无法进行参数辨识；其次，脐带线的固有特性和安装点位置偏差都会使系统产生六个自由度耦合，加大了控制的难度；此外，为减小脐带线影响，必须尽量采用软线，并减少线数，给设计人员带来很多不便。
[0016]针对上述问题，本发明提出了一种无脐带线的微重力主动减振装置及方法。
【发明内容】
[0017]本发明所要解决的技术问题是提供一种无脐带线的微重力主动减振装置及方法，用于解决现有空间微重力主动减振技术中的脐带线对主动减振控制性能存在较大影响的问题。
[0018]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种无脐带线的微重力主动减振装置，包括浮子和定子，所述浮子用于安装实验载荷，且所述浮子上有浮子电源和与所述浮子电源连接的浮子传输控制器，所述浮子电源连接载荷电源接口，所述浮子传输控制器连接载荷通信接口，所述定子上有定子电源、定子主控制器、位移传感器和激励器，所述定子电源连接所述定子主控制器，所述定子主控制器分别连接位移传感器和非接触式电磁激励器，所述浮子上还安装有可充电电池，其与浮子电源和载荷电源接口均相连，用于为浮子电源和载荷电源接口供电；所述浮子传输控制器基于无线方式与所述定子主控制器相互通信。
[0019]在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0020]进一步，所述浮子上还设有与浮子传输控制器连接的浮子加速度计，其用于采集浮子加速度信息，并将采集的浮子加速度信息传输至浮子传输控制器；浮子传输控制器通过无线通讯模块，将浮子加速度信息以无线方式实时地发送给定子主控制器；所述定子上还设有与定子主控制器连接的定子加速度计，其用于采集定子加速度信息，并将采集的定子加速度信息传输给所述定子主控制器。
[0021 ] 进一步，所述可充电电池上设有一个位于浮子侧面的第一充电口和/或一个与定子充电口相对的第二充电口:所述第一充电口连接标准化的电源线，用于通过外部向可充电电池充电；所述第二充电口与定子充电口通过可插拔式的接插件连接，用于通过定子向可充电电池充电。
[0022]进一步，所述浮子传输控制器是具有数据缓存能力的控制器，其用于缓存载荷数据，并通过浮子外部通信接口直接输出缓存数据和/或通过定子主控制器输出缓存数据。进一步，所述浮子和所述定子上各自集成有一个分别与浮子传输控制器和定子主控制器相连的无线通讯模块，且所述浮子传输控制器和所述定子主控制器通过对应的无线通讯模块实现基于无线方式的相互通信。
[0023]进一步，所述无线通讯模块采用红外模块、Wifi模块、蓝牙模块和/或射频模块。
[0024]对应相应形式的微重力主动减振装置，本发明的技术方案还包括一种无脐带线的微重力主动减振方法，具体步骤如下:
[0025]供电步骤:在浮子内部设置可充电电池，使其与浮子电源和载荷电源接口均相连，通过该可充电电池为浮子电源和载荷电源接口供电；
[0026]通信步骤:浮子传输控制器以无线方式与定子主控制器相互通信，且浮子传输控制器通过载荷通信接口获取载荷信息，并输出载荷信息；
[0027]减振步骤:定子主控制器接收定子上的位移传感器传输的位移信息，并根据位移信息设计反馈控制器，计算出相应的输出力，以输出力驱动激励器给出反馈力，通过反馈力抵销浮子受到的振动。
[0028]进一步，所述通信步骤还包括:设置浮子加速度计采集浮子加速度信息，并将浮子加速度信息传输给浮子传输控制器，所述浮子传输控制器再通过红外方式、Wifi方式、蓝牙方式和/或射频方式实时地将浮子加速度信息传输给定子主控制器进行处理；设置定子加速度计采集定子加速度信息，并将定子加速度信息传输给定子主控制器；当设置有浮子加速度计和定子加速度计时，所述减振步骤中根据位移信息、浮子加速度信息和定子加速度信息设计反馈控制器。
[0029]进一步，所述通信步骤采用以下任意一种或两种方式输出载荷信息:
[0030]方式一:先将载荷信息缓存在浮子传输控制器中，完成可充电电池和定子电源的充电后，通过浮子外部通信接口输出载荷信息；
[0031]方式二:先将缓存的载荷数据传给所述定子主控制器，再由定子控制器输出。
[0032]进一步，所述反馈控制器采用PID控制器、鲁棒控制器、最优控制器、自适应控制器、自抗扰控制器、无源控制器或神经网络控制器。
[0033]本发明的有益效果是:脐带线使系统产生耦合、非线性、时变等特性，给控制系统建模和控制器设计带来了很大困难。本发明不采用任何脐带线，利用可充电电池为浮子和载荷供电，利用缓存方式或无线通信方式进行定子与浮子间的通信，并且因为取消了脐带线，可以用不同的反馈控制器，并选取较小的控制参数实现更好的减振效果，从而为科学实验提供更好的微重力实验环境。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1为现有微重力主动减振系统的结构示意图；
[0035]图2为现有微重力王动减振系统的原理不意图；
[0036]图3为本发明实施例一的微重力主动减振装置的结构示意图；
[0037]图4为本发明采用PID控制器计算输出力的示意图；
[0038]图5为本发明实施例二的微重力主动减振装置的结构示意图；
[0039]图6为本发明采用双闭环控制器计算输出力的示意图；
[0040]图7为有脐带线和无脐带线的微重力主动减振装置的减振效果对比图。
[0041]附图中标号的意义如下:
[0042]1、浮子，2、定子，3、实验载荷，4、脐带线，5、激励器。
【具体实施方式】
[0043]以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0044]实施例一
[0045]如图3所示，实施例一给出了一种无脐带线的微重力主动减振装置，包括浮子I和定子2，所述浮子用于安装实验载荷3，且所述浮子上有浮子电源和与所述浮子电源连接的浮子传输控制器，所述浮子电源连接载荷电源接口，所述浮子传输控制器连接载荷通信接口，所述定子上有定子电源、定子主控制器、位移传感器和激励器，所述定子电源连接所述定子主控制器，所述定子主控制器分别连接位移传感器和非接触式电磁激励器，所述浮子上还安装有可充电电池，其与浮子电源和载荷电源接口均相连，用于为浮子电源和载荷电源接口供电；且所述浮子传输控制器基于缓存的无线方式与所述定子主控制器相互通信。
[0046]另外，所述可充电电池上设有一个位于浮子侧面的第一充电口和/或一个与定子充电口相对的第二充电口:所述第一充电口连接标准化的机柜电源线，用于通过机柜电源线向可充电电池充电；所述第二充电口与定子充电口通过滑动式接插件连接，用于通过定子向可充电电池充电。
[0047]实施例一中，所述浮子传输控制器是具有数据缓存能力的控制器，采用具有临时存储数据功能的DSP芯片、ARM芯片等均可实现，其将载荷数据缓存后，通过浮子外部通信接口直接输出，也可传输给定子主控制器，再通过定子主控制器输出缓存数据。所述可充电电池可采用蓄电池，所述定子主控制器采用本领域常用的数据处理芯片(DSP、单片机等)即可，定子主控制器还用于采集定子电源、定子温度等定子自身的遥测数据，并将获得的遥测数据发送到外部，同时也采集外部的指令和遥测数据，并发送给浮子传输控制器及浮子上的载荷。同时，为了能测量得到多个维度的位移信息，需采用多个位移传感器，较优的选择为至少3个。实际应用中，所述激励器采用非接触式电磁激励器，其采用永磁铁和可控电磁线圈组合而成，激励器数量为6至8个，优选为大于6个。
[0048]对应该微重力主动减振装置，其进行微重力主动减振主要涉及以下三个步骤，需注意以下三个步骤各自完成微重力主动减振中涉及的不同事项，在步骤实现上不存在一定的逻辑次序。
[0049]供电步骤Al:在浮子内部设置可充电电池，使其与浮子电源和载荷电源接口均相连，通过该可充电电池为浮子电源和载荷电源接口供电；
[0050]通信步骤B1:浮子传输控制器通过载荷通信接口获取载荷信息，并输出载荷信息；
[0051]减振步骤Cl:定子主控制器接收定子上的位移传感器传输的位移信息，并根据位移信息设计反馈控制器，计算出相应的输出力，以输出力驱动激励器给出反馈力，通过反馈力抵销浮子受到的振动。
[0052]其中，所述通信步骤BI采用基于缓存的无线方式，具体是通过以下任意一种或两种方式输出载荷信息:
[0053]方式一:先 将载荷信息缓存在浮子传输控制器中，完成可充电电池和定子电源的充电后，通过浮子外部通信接口输出载荷信息；
[0054]方式二:先将缓存的载荷数据传给所述定子主控制器，再由定子控制器输出。
[0055]另外，所述反馈控制器采用PID控制器、鲁棒控制器、最优控制器、自适应控制器、自抗扰控制器、无源控制器或神经网络控制器等，也可采用其他类型的先进控制器。因为本实施例的微重力主动减振装置无脐带线，其构建的系统模型和参数固定，所以采用先进控制器的参数易于通过仿真选取。
[0056]下面以PID控制器为例，说明计算出相应输出力的原理。如图4所示，采用“位移”PID控制器，具体方法包括以下几点:
[0057]I)不需采集加速度计的信号。
[0058]2)实时采集位移传感器信号，换算成6维位移信号\(s)，送入设置的采用PID控制的位置控制器。
[0059]3)输出力采用下列公式进行计算，其中kd\kp\ki为控制器参数。
【权利要求】
1.一种无脐带线的微重力主动减振装置，包括浮子和定子； 所述浮子用于安装实验载荷，且所述浮子上有浮子电源和与所述浮子电源连接的浮子传输控制器，所述浮子传输控制器连接载荷通信接口 ； 所述定子上有定子电源、定子主控制器、位移传感器和激励器，所述定子电源连接所述定子主控制器，所述定子主控制器分别连接位移传感器和非接触式电磁激励器； 其特征在于，所述浮子上还安装有可充电电池，其与浮子电源和载荷电源接口均相连，用于为浮子电源和载荷电源接口供电；且所述浮子传输控制器基于无线方式与所述定子主控制器相互通信。
2.根据权利要求1所述的微重力主动减振装置，其特征在于，所述浮子上还设有与浮子传输控制器连接的浮子加速度计，其用于采集浮子加速度信息，并将采集的浮子加速度信息传输至浮子传输控制器，浮子传输控制器通过无线通讯模块，将浮子加速度信息以无线方式实时地发送给定子主控制器；所述定子上还设有与定子主控制器连接的定子加速度计，其用于采集定子加速度信息，并将采集的定子加速度信息传输给所述定子主控制器。
3.根据权利要求1或2所述的微重力主动减振装置，其特征在于，所述可充电电池上设有一个位于浮子侧面的第一充电口和/或一个与定子充电口相对的第二充电口:所述第一充电口连接标准化的电源线，用于通过外部向可充电电池充电；所述第二充电口与定子充电口通过可插拔式的接插件连接，用于通过定子向可充电电池充电。
4.根据权利要求1或2所述的微重力减振装置，其特征在于，所述浮子传输控制器是具有数据缓存能力的控制器，其用于缓存载荷数据，并通过浮子外部通信接口直接输出缓存数据和/或通过定子主控制器输出缓存数据。
5.根据权利要求2所述的微重力主动减振装置，其特征在于，所述浮子和所述定子上各自集成有一个分别与浮子传输控制器和定子主控制器相连的无线通讯模块，且所述浮子传输控制器和所述定子主控 制器通过对应的无线通讯模块实现基于无线方式的相互通信。
6.根据权利要求5所述的微重力主动减振装置，其特征在于，所述无线通讯模块采用红外模块、Wifi模块、蓝牙模块和/或射频模块。
7.一种无脐带线的微重力主动减振方法，其特征在于，包括: 供电步骤:在浮子内部设置可充电电池，使其与浮子电源和载荷电源接口均相连，通过该可充电电池为浮子电源和载荷电源接口供电； 通信步骤:浮子传输控制器以无线方式与定子主控制器相互通信，且浮子传输控制器通过载荷通信接口获取载荷信息，并输出载荷信息； 减振步骤:定子主控制器接收定子上的位移传感器传输的位移信息，并根据位移信息设计反馈控制器，计算出相应的输出力，以输出力驱动激励器给出反馈力，通过反馈力抵销浮子受到的振动。
8.根据权利要求7所述的微重力主动减振方法，其特征在于，所述通信步骤还包括:设置浮子加速度计采集浮子加速度信息，并将浮子加速度信息传输给浮子传输控制器，所述浮子传输控制器再通过红外方式、Wifi方式、蓝牙方式和/或射频方式实时地将浮子加速度信息传输给定子主控制器进行处理；设置定子加速度计采集定子加速度信息，并将定子加速度信息传输给定子主控制器； 当设置有浮子加速度计和定子加速度计时，所述减振步骤中根据位移信息、浮子加速度信息和定子加速度信息设计反馈控制器。
9.根据权利要求7或8所述的微重力主动减振方法，其特征在于，所述通信步骤采用以下任意一种或两种方式输出载荷信息: 方式一:先将载荷信息缓存在浮子传输控制器中，完成可充电电池和定子电源的充电后，通过浮子外部通信接口输出载荷信息； 方式二:先将缓存的载荷数据传给所述定子主控制器，再由定子控制器输出。
10.根据权利要求7或8所述的微重力主动减振方法，其特征在于，所述反馈控制器采用PID控制器、鲁棒控制器、最优控制器、自适应控制器、自抗扰控制器、无源控制器或神经网络控 制器。
【文档编号】G08C17/02GK103761852SQ201410034050
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】董文博, 吕世猛, 高玉娥, 宋伶才, 于梦溪, 任维佳, 李宗峰, 刘伟 申请人:中国科学院空间应用工程与技术中心