一種用于探測器地外天體起飛試驗的位姿及運動模擬裝置

劉萬龍，孔凡超，邱法維，張奎好，胡旭坤，孫樹江，牛向楠

（1.北京航天試驗技術研究所，北京 100074；2.北京三強同維機電液壓科技發(fā)展有限公司，北京 102200）

0 引言

為了實現地外天體的表面詳盡勘測，人類多次執(zhí)行了地外天體的采樣返回任務。1996年12月4日，美國NASA發(fā)射了“火星探路者號”探測器，并于1997年7月4日在火星表面著陸，向火星釋放了人類第一部火星車[1-2]。2003年5月9日，日本用M-5 運載火箭發(fā)射了“隼鳥號”（Hayabusa）小行星探測器，對Itokawa 小行星（編號25143）進行采樣勘測，并于2010年6月13日成功返回地球[3-4]。中國正在實施探月工程計劃，已成功將“月兔號”月球車送上月球。而探月工程三期的主要任務是實現月面軟著陸和自動采樣返回，開 展月球科學探測[5-6]。

探測器在執(zhí)行返回發(fā)射時，會遇到一些問題，如發(fā)射場地的地形對發(fā)射位姿的影響。探測器在研制中需要針對此問題開展充分的評價試驗。在高真空環(huán)境下，探測器進行返回發(fā)射時還會受到發(fā)動機羽流的影響。在返回模塊與著陸模塊完全分離過程中，由于受到排放空間的限制，使發(fā)動機羽流效應更加明顯，羽流擾動力可能對發(fā)射起飛造成較大影響。在空間環(huán)境模擬試驗中測量和評價羽流力矩對返回模塊的影響同時，還需要對返回模塊的位姿和運動進行模擬。模擬試驗須在真空艙內進行，通過位姿及運動模擬裝置改變返回模塊的姿態(tài)和運動。

1 位姿及運動模擬裝置的用途與組成

按照試驗需要，位姿及運動模擬裝置具備靜態(tài)位姿調整和動態(tài)位姿調整的功能，要求在真空艙內完成模擬試驗。返回模塊豎直安裝在承力支架上，上端與力測量裝置相連；著陸模塊安裝在位姿及運動模擬裝置上，位于返回模塊的正下方，通過位姿及運動模擬裝置來改變著陸模塊與返回模塊之間的相對位姿和相對運動，如圖1所示。

圖1 位姿及運動模擬裝置在真空艙內安裝示意圖 Fig.1 Schematic diagram of the attitude and motion simulation device in the vacuum chamber

真空艙內設有三排導軌，位姿及運動模擬裝置固定在導軌上。位姿及運動模擬裝置的位移、角度、加速度等參數測量信號為4～20 mA 電流信號，各種信號控制電纜通過真空插頭穿入真空艙。通過真空機組、液氮熱沉、氦深冷泵使真空艙內環(huán)境滿足模擬試驗的空間環(huán)境要求。

1.1 位姿及運動模擬裝置主要技術指標

位姿及運動模擬裝置的主要技術指標如下：

1）靜態(tài)位姿調整

① 著陸模塊沿-z軸移動范圍為0～400 mm， 位移控制精度優(yōu)于1 mm；

② 著陸模塊沿x軸移動范圍為-100～100 mm，位移控制精度優(yōu)于1 mm。

③ 著陸模塊繞y軸轉動范圍為-6°～6°，角度控制精度優(yōu)于0.1°。

2）動態(tài)位姿調整

① 可帶動著陸模塊沿-z軸方向快速移動，并要求其運動加速度與返回模塊起飛時一致，測量系統的反應靈敏度優(yōu)于10 ms，加速度曲線如圖2所示。

② 靜態(tài)承載能力＞1.5 t，并確保在試驗過程中不發(fā)生形變和位移。

圖2 返回模塊起飛的加速度曲線 Fig.2 The acceleration curve of return module takeoff

1.2 位姿及運動模擬裝置方案選擇

位姿及運動模擬裝置的工作原理類似于飛行模擬器[7]。根據試驗的需要，位姿及運動模擬裝置采用了六自由度Stewart 平臺的結構形式，由上平臺、下平臺、6 個數字信號控制的電動作動器、控制系統和控制軟件等組成（參見圖3）。其中上平臺與著陸模塊相連，下平臺與真空艙內的導軌相連。該裝置可在其運動極限范圍內，根據軟件靈活設定其上平臺的姿態(tài)和運動過程。電動作動器是一種技術先進的加載實驗設備[8]，不需要使用液壓油及冷卻水等，其突出的優(yōu)點是無爬行現象、無噪聲、無油、體積小、重量輕。電動作動器的傳動部分采用了高精度的絲杠和潤滑裝置，可以長期使用免維護。

圖3 運動模擬裝置示意圖 Fig.3 Schematic diagram of the motion simulation device

六自由度Stewart 平臺的運動描述采用2 個坐標系，上平臺運動采用Oxyz動坐標系，下平臺采用O′x′y′z′ 靜坐標系（又稱參考坐標系）。動坐標系的原點選取為負載物和上平臺的綜合質心，垂直方向為z方向，x方向和y方向如圖4所示。

圖4 運動平臺的坐標定義 Fig.4 Coordinates for the motion platform

1.3 位姿及運動模擬裝置的平臺設計

位姿及運動模擬裝置的運動控制原理為：在位移控制模式下，設定上平臺期望的姿態(tài)運動波形，據此波形可以求出每一個時刻點上的期望姿態(tài)Q=(q1,q2,q3,q4,q5,q6)，根據該期望姿態(tài)進一步計算出相應的位移控制指令 即各作動器的伸縮量ΔLi，并傳送給控制器進行實際的控制操作，該計算過程稱為位置逆解[9-10]。根據位姿及運動模擬裝置主要技術指標設計的平臺結構及尺寸如圖5所示。中位時，x方向位移范圍為 ±470 mm，y方向位移范圍為±440 mm，z方向最大位移為490 mm，繞x軸和y軸的轉動角度范圍分別為±22°和±21°。作動器全收縮狀態(tài)時的兩端球鉸中心距為800 mm，作動器行程為450 mm。

圖5 平臺結構及外形尺寸 Fig.5 Overall dimensions of the platform

2 模擬裝置的控制系統

2.1 平臺的控制原理

平臺運動控制系統是一種典型的多軸實時運動控制系統[11]，傳統的控制方式有電液驅動、電動驅動。本文設計的控制系統采用了可編程計算機控制器、數字智能伺服系統和專用軟件操作系統來實現平臺的控制。

平臺采用集中管理、分散控制的上位機+下位機的模式，其中上位機采用工控機，主要完成指令的輸入，平臺的位姿逆解計算，參數的設定，控制過程的實時顯示，數據處理、存儲、打印以及系統安全保護；下位機由主控制器、6 個驅動與執(zhí)行機構（由驅動器和作動器組成）以及傳感器組成，主要是執(zhí)行指令并完成動作和數據采集及反饋。控制系統結構原理如圖6所示。上位機與主控制器間通過實時以太網通信方式傳輸指令和參數，而主控制器通過實時通信網絡控制驅動與執(zhí)行機構來驅動平臺，實現運動控制。數據采集和處理采用專用高速數據處理模塊，將各個傳感器采集到的數據傳送至主控制器，并通過與上位機之間的通信接口，將數據實時顯示和存儲在上位機中，以便用戶進行數據比較、分析計算。

圖6 控制系統結構圖 Fig.6 The control system structure

2.2 上位機控制

上位機控制軟件在Windows 操作平臺下，利用VisualC++語言和面向對象的軟件開發(fā)方法設計了上位機控制軟件，以實現可視化用戶界面。上位機與下位機之間的通信采用標準的以太網通信接口。用戶通過上位機進行相關的數據輸入、參數設定、路徑規(guī)劃、任務指定等工作。上位機的主要任務是指令控制和實時監(jiān)測當前的工作情況，對它的人機交互功能、安全性和可靠性要求極高。因此，在選擇上位機時既要考慮軟件資源需求又要考慮硬件性能。上位機的主要功能如下：

1）控制指令的輸入和調節(jié)參數的設定，可自動或者手動調整運行參數，如位移及速度控制指令等。上位機對位移傳感器檢測到的各作動器位置信號與指令給出的6 個自由度位置信號進行比 較，形成閉環(huán)控制，適時適當調整控制回路增益和參數。

2）實時可靠地反映當前的運行狀態(tài)，監(jiān)測各點傳感器反饋的信號，如平臺狀態(tài)、作動器位移、各點載荷等，實現各種數據的實時顯示、存儲、打印等功能。

3）實現運行過程的故障報警以及對整個系統的監(jiān)控和安全保護功能。實時監(jiān)測平臺的工作情況和關鍵指令的動作，通過軟件限位保護確保平臺的運動安全。

2.3 下位機控制

下位機工作過程主要有：

1）主控制器通過網絡通信接收上位機給定的位姿信號并處理后，再通過網絡通信向驅動器發(fā)送控制指令，驅動作動器平滑、穩(wěn)定地伸縮。

2）接收傳感器實時采集的平臺姿態(tài)、過載、振動等信息，并將實時檢測到的位移反饋給上位機；方便在上位機界面上觀察。

下位機的主控制器擁有多任務的分時操作系統，系統功能強大，具有可靠性高、實時性強、穩(wěn)定性好、效率高等優(yōu)點。主控制器與上位機間采用實時以太網進行數據通信，各通道驅動執(zhí)行機構通過網絡通信與主控制器相互通信，還可實現人機對話。實現了實時控制與高速數據采集，從而保證了多通道的同步性控制精度在0.01 mm之內。下位機根據上位機下達的指令完成相應的控制，同時又向上位機反饋相應的位移和負載數據，在上位機進行實時顯示和監(jiān)控。

3 軟件功能簡介

位姿及運動模擬裝置的軟件系統可以實時顯示平臺的動畫效果，并與實際平臺保持同步，使用戶可以生動、形象地在線觀察平臺的運動情況。軟件界面如圖7所示。

軟件可以設置各種位移波形，如地震波、隨機波、正弦波、三角波、方波等，并可以修改波形幅值及頻率的大小及循環(huán)次數，觀察實時反饋數據及圖形，進行各種分析試驗。軟件可保存?zhèn)鞲衅魉杉脑囼灁祿?，以數值和相關曲線的形式實時地顯示平臺的運動情況并對試驗數據進行分析。具有位移閉環(huán)控制功能、輸入波形與實際運動波形的比較功能、在線模擬運行功能（可以事先預測用戶給定的位姿是否處于平臺的正常運動空間內）。

軟件設置了多種保護功能，如作動器的位移和載荷的超限保護，進行在線模擬運行檢測時的位移限值保護及報警（如果超出了正常運動空間范圍，則會啟動位移限值保護及報警，可避免正式運行時發(fā)生意外）。

圖7 軟件界面 Fig.7 The software interface

4 結束語

本文借用六自由度Stewart 平臺的設計思想設計了用于探測器地外天體返回起飛試驗的位姿及運動模擬裝置，根據模擬試驗的需要，該裝置主要具有靜態(tài)和動態(tài)位姿調整的功能，其中靜態(tài)位姿調整用來模擬地形不平對探測器返回模塊返回起飛的影響，動態(tài)位姿調整用來模擬返回模塊與著陸模塊之間的相對運動，能夠滿足探測器在地外天體返回起飛過程中位姿及運動的模擬試驗要求。

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