一种模拟火星引力的执行装置

1.本发明涉及一种模拟火星引力的执行装置，属于多自由度运动控制领域。


背景技术：

2.火星是距离地球较近的行星，它在很多方面与地球有相似之处，成为人类深空探测的首选目标星体之一。发射火星探测器，为人类登陆火星做前期的准备工作是必不可少的。火星距离地球遥远，从地球飞往火星需要几个月时间，探测器经过长时间飞行后的气动特性、质量特性等都存在很大的不确定性，火星大气、重力场、气候等外部环境因素也存在很大的不确定性，测控通讯延时大，而且捕获制动的机会只有一次，一旦捕获制动失败，探测器要么飞出火星成为环绕太阳的行星探测器，要么撞击火星。探测器的捕获制动控制效果决定了是否能成功捕获火星的关键因素，因此有必要通过地面全物理仿真试验来分析探测器火星捕获的全过程，进而提高发射火星探测器的成功率。
3.探测器在捕获火星过程如下：探测器在大推力发动机和火星引力的共同作用下变轨，到达预定分离点后探测器的环绕器与着陆器进行分离，着陆器在火星引力作用下在火星表面着陆，环绕器在发动机推力和火星引力作用下升轨，返回环绕轨道，进而完成火星捕获全过程。在地面上进行全物理仿真时，使用火星引力模拟系统模拟探测器火星捕获过程中受到火星引力对探测器轨道控制和姿态控制具有重要作用。
4.现有技术中是根据两块永磁体之间同性相斥、异性相吸的原理进行火星引力模拟，此方法产生的引力大小精度较低而且不可控，无法真实的模拟探测器在不同工作阶段的受力情况。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种模拟火星引力的执行装置。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种模拟火星引力的执行装置，所述模拟火星引力的执行装置包括x向直线运动机构、探测器、非接触姿态视觉检测机构、模拟引力执行器、z向旋转机构、y向直线运动机构、牵引模块、支撑立柱和大理石平台；
8.模拟引力执行器包括引力音圈电机上磁轭、永磁体、引力音圈电机线圈固定架、模拟引力执行器连接件、引力音圈电机支撑柱、引力音圈电机下磁轭、辅助音圈电机上磁轭、辅助音圈电机线圈固定架和辅助音圈电机下磁轭；引力音圈电机上磁轭和引力音圈电机下磁轭相对且通过引力音圈电机支撑柱将二者固定，引力音圈电机下磁轭长于引力音圈电机上磁轭，引力音圈电机上磁轭下磁轭留有安装孔与模拟引力执行器连接件相连，引力音圈电机上磁轭的下表面和引力音圈电机下磁轭的上表面粘有n、s级相对永磁体，引力音圈电机上磁轭和引力音圈电机下磁轭之间放置有引力音圈电机线圈固定架，引力音圈电机线圈固定架上缠有多匝线圈，引力音圈电机上磁轭和引力音圈电机下磁轭固定在模拟引力执行
器连接件的上部，引力音圈电机线圈固定架及线圈通过z向旋转机构伸长轴固定到z向旋转机构上；辅助音圈电机上磁轭和辅助音圈电机下磁轭相对，固定在模拟引力执行器连接件的下部，模拟引力执行器连接件的另一端固定到着陆器的平面圆盘上，辅助音圈电机上磁轭和辅助音圈电机下磁轭之间放置有辅助音圈电机线圈固定架，辅助音圈电机上磁轭的下表面和辅助音圈电机下磁轭的上表面粘有永磁体，辅助音圈电机与引力音圈电机结构相同，二者极化方向相同，辅助音圈电机是引力音圈电机沿极化方向顺时针旋转得到的结构，并通过引力执行器连接件连接；引力音圈电机上磁轭和永磁体以及引力音圈电机下磁轭组成引力音圈电机定子部件，引力音圈电机线圈固定架及其上面缠有的线圈组成引力音圈电机动子部件；辅助音圈电机上磁轭和辅助音圈电机下磁轭以及永磁体组成辅助音圈电机定子部件，辅助音圈电机线圈固定架及其上面缠有的线圈组成辅助音圈电机动子部件；
9.牵引模块包括弹性连接模块、伸缩气缸、气动抓手、z向旋转机构伸长轴和弹性连接模块固定板；其中弹性连接模块通过弹性连接模块固定板固定到着陆器的平面圆盘上，伸缩气缸、气动抓手作为整体通过z向旋转机构伸长轴固定到z向旋转机构上，实现牵引模块的旋转运动，伸缩气缸、气动抓手均为气动机构，可实现y向伸长或缩短，并可夹持弹性连接模块或者释放弹性连接模块的功能；
10.非接触姿态视觉检测机构包括相机、相机支架和相机靶标，相机通过相机支架固定到z向旋转机构伸长轴上，相机靶标为印有靶标的a4纸粘贴到引力音圈电机定子部件上；
11.三自由度运动模组包括x向直线运动机构、y向直线运动机构和z向旋转机构，其中x向直线运动机构放置在支撑立柱的上方，支撑立柱固定到地面上，x向直线运动机构上安装有沿x向运动的滑轨，滑轨上安装有与x向直线运动机构垂直的y向直线运动机构，在y向直线运动机构的端部安装z向旋转机构；模拟引力执行器的定子部件通过模拟引力执行器连接件固定在着陆器的平面圆盘上，模拟引力执行器动子部件通过引力音圈电机线圈固定架及辅助音圈电机线圈固定架固定到z向旋转机构的z向旋转机构伸长轴上；
12.探测器包括环绕器和着陆器，二者通过电磁弹射装置相连接，放置在大理石平台上，工作时打开气源通过环绕器和着陆器底下的气足可将环绕器和着陆器悬浮在大理石平台上方产生无摩擦力运动。
13.本发明一种模拟火星引力的执行装置，所述模拟引力执行器采用的是直线型平板音圈电机，音圈电机定子部件采用开口型磁轭结构。
14.本发明一种模拟火星引力的执行装置，所述永磁体为钕铁硼n35。
15.本发明一种模拟火星引力的执行装置，利用下面公式推导出音圈电机模拟引力即安培力大小的表达式：
16.f＝2n
·j·
l∫b(x,y)dxdy
17.其中两块永磁体中间任一点气隙磁密b的表达式：
[0018][0019]
n表示音圈电机的线圈匝数，j表示线圈电流密度，l表示线圈在永磁体下有效长度，μ0表示空气的磁导率，a(a，b)表示永磁体中心位置的坐标，p(x，y)表示空间中任一点的
位置坐标；2h为永磁体的厚度，2w为永磁体的宽度，ki永磁体矫顽力，d上下磁轭间距；
[0020]
利用上述公式可以确定音圈电机用的永磁体以及线圈的相关尺寸，进而通过磁路不饱和的原则设计出音圈电机的磁轭尺寸。
[0021]
本发明设计了一种模拟火星引力的执行装置，目的是通过全物理仿真试验实现火星探测器捕获全过程，其核心部件模拟引力执行器采用两自由度平板型音圈电机，其作用是用于火星引力的模拟的执行器以及实现探测器姿态角的调节，此结构原理简单，操作方便，具有模拟的引力大小精度高的优点。
附图说明
[0022]
图1为本发明模拟火星引力的执行装置的模总装图。
[0023]
图2为本发明中探测器制动捕获过程示意图。
[0024]
图3为本发明中器器分离过程的工作示意图。
[0025]
图4为本发明中部分连接示意图。
[0026]
图5为本发明中单一音圈电机的结构示意图
[0027]
图6为本发明中两自由度音圈电机的总装图。
[0028]
图7为本发明中探测器受到的引力情况示意图。
[0029]
图8为本发明中音圈电机永磁体镜像法计算安培力示意图。
[0030]
图9为本发明中音圈电机需要求出气隙磁密位置示意图。
[0031]
图10为本发明中不同气隙位置下气隙磁密以及安培力分布曲线示意图。
[0032]
图中附图标记有：1为x向直线运动机构；2为环绕器；3为着陆器；4为非接触姿态视觉检测机构；5为模拟引力执行器；6为z向旋转机构；7为y向直线运动机构；8为牵引模块；9为支撑立柱；10为大理石平台；3-1为平面圆盘；4-1为相机；4-2为相机支架；4-3为相机靶标；5-1为引力音圈电机上磁轭；5-2为永磁体；5-3为引力音圈电机线圈固定架；5-4为模拟引力执行器连接件；5-5为引力音圈电机支撑柱；5-6为引力音圈电机下磁轭；5-7为辅助音圈电机上磁轭；5-8为辅助音圈电机线圈固定架；5-9为辅助音圈电机下磁轭；8-1为弹性连接模块；8-2为伸缩气缸；8-3为气动抓手；8-4为z向旋转机构伸长轴；8-5为弹性连接模块固定板。
具体实施方式
[0033]
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
[0034]
实施例一：如图1～5所示，本实施例所涉及的一种模拟火星引力的执行装置，其核心部件模拟引力执行器采用的是音圈电机，其是一种特殊形式的直流直线电机，具有安培力线性度高、高频响、高加速度、体积小和控制简单等优点，特别适用于火星引力的模拟及探测器姿态角的调节。音圈电机是基于安培力原理而设计的直线电机，属于特种电机范畴，因其工作原理与扬声器类似而得名。音圈电机是由定子和动子两部分组成，定子由磁轭和n、s极相对的永磁体组成，动子是由多匝线圈和线圈固定架组成。其原理为线圈动子在永磁体中通电后，会受安培力作用产生平行于线圈平面的运动，可通过控制线圈电流的方向来控制线圈运动的方向，通过控制线圈电流的大小来控制动子线圈所受安培力的大小。
[0035]
如图1给出了模拟火星引力执行装置的总装图，其用来模拟探测器火星捕获中火星引力的输出情况。其大小和方向都是根据不同位置变化的，探测器在火星引力场以及大推力作用下，由椭圆轨道进入双曲线轨道，真实地模拟姿轨控的实际过程。模拟引力执行器上面引力音圈电机是提供引力模拟，下面辅助音圈电机起到调节探测器z方向姿态角的作用。
[0036]
三自由度运动模组包括二维平动机构x直线模组1和y直线模组7，以及一维z向旋转机构6。其作用是实现引力模拟系统和牵引模块的三个自由度的运动，并根据其位置反馈信息确定探测器的位姿。
[0037]
非接触姿态视觉检测机构4包括的部件为4-1相机；4-2相机支架；4-3相机靶标。其中相机和相机支架固定到三自由度运动模组上，相机靶标固定到探测器的引力音圈电机定子上。非接触姿态视觉检测装置作用是通过4-1相机检测探测器引力音圈电机定子上4-3靶标位置变化检测二者相对位置关系进而确定探测器与三自由度运动模组的相对位置和姿态关系。
[0038]
牵引模块8部件包括8-1弹性连接模块；8-2伸缩气缸；8-3气动抓手；8-4z向旋转机构伸长轴；8-5弹性连接模块固定板。作用是为探测器实现初始速度的给定。其中弹性连接模块8-1通过弹性连接模块固定板8-5固定到着陆器3的平面圆盘3-1上，伸缩气缸8-2、气动抓手8-3作为整体通过z向旋转机构伸长轴8-4固定到z向旋转机构6上，可实现牵引模块8的旋转运动，伸缩气缸8-2、气动抓手8-3均为气动机构，可实现y向伸长或缩短，并可夹持弹性连接模块8-1或者释放弹性连接模块的功能。
[0039]
图2和图3分别给出探测器制动捕获过程以及器器分离过程的工作示意图。
[0040]
实施例二：如图5～10所示，本实施例所涉及的一种模拟火星引力的执行器，火星引力模拟的执行器选用的是直线型平板音圈电机，音圈电机定子部件采用开口型磁轭结构，便于动子线圈进入和驶离音圈电机定子部件。此结构容易因磁轭饱和造成音圈电机的输出安培力减小，通过增加引力音圈电机支撑柱的宽度减小磁饱和程度增加安培力的大小，以及采用n、s极相对的两块永磁体分别安装到上磁轭和下磁轭上来增加音圈电机安培力大小。
[0041]
音圈电机模拟火星引力的过程如下，初始状态利用牵引模块8将三自由度运动模组与探测器进行固定，即两自由度音圈电机动子部件线圈及线圈固定架的有效线圈保持在定子部件永磁体之间，到达指定位置牵引模块的弹性连接模块与气动抓手分离，此时给引力音圈电机线圈上施加指定大小的电流，线圈及线圈固定架受到的安培力方向指向探测器，利用牛顿第三定律，探测器上的引力音圈电机定子部件受到的安培力方向与线圈受到的作用力方向相反指向火星模拟点，大小与线圈受到的安培力相等，此探测器受到的作用力即为模拟的火星引力。
[0042]
在探测器运动过程中，当引力音圈电机定子与动子部件发生相对位移时，利用非接触姿态视觉检测机构反馈的二者相对位置信息后采用位置pid控制算法实时调整三自由度运动模组的二维平动机构，保持引力音圈电机定子与动子相对位置不发生较大变化。
[0043]
如果火星引力与探测器产生角度偏差后，需要调整探测器的姿态角使其指向火星模拟点，为此火星引力模拟系统安装了辅助音圈电机，其产生的安培力方向与火星引力垂直，利用非接触姿态视觉检测机构反馈的姿态角信息实时调整安培力的大小和方向使探测
器引力音圈电机始终指向火星模拟点。由于其辅助音圈电机方向与火星引力方向垂直，不影响其火星引力的大小。探测器受到的引力情况示意图如图7所示。
[0044]
利用下面公式推导出音圈电机模拟引力即安培力大小的表达式：
[0045]
f＝2n
·j·
l∫b(x,y)dxdy
[0046]
其中两块永磁体中间任一点气隙磁密b的表达式：
[0047][0048]
n表示音圈电机的线圈匝数，j表示线圈电流密度，l表示线圈在永磁体下有效长度，μ0表示空气的磁导率，a(a，b)表示永磁体中心位置的坐标，p(x，y)表示空间中任一点的位置坐标；2h为永磁体的厚度，2w为永磁体的宽度，ki永磁体矫顽力，d上下磁轭间距，其示意图如图8所示。
[0049]
利用上述公式可以确定音圈电机用的永磁体以及线圈的相关尺寸，进而通过磁路不饱和的原则设计出音圈电机的磁轭尺寸。
[0050]
为了提高火星引力模拟系统产生安培力的精度，减小引力波动，图9给出音圈电机需要求出气隙磁密位置，图10分析了不同气隙位置下气隙磁密以及安培力分布曲线示意图，得出火星引力音圈电机在气隙位置20mm～80mm处分布均匀，产生的安培力波动也较小，因此需要将音圈电机动子部件线圈有效线圈控制在定子部件永磁体的20mm～80mm范围内。
[0051]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。