一種氣浮模擬器位姿狀態跟蹤測量方法研究

鄧松波 劉小勇 李 科 劉書選 王燕波

(1.北京精密機電控制設備研究所，北京，100076;2.中國人民解放軍火箭軍駐長征航天控制工程公司軍事代表室，北京，100076)

1 引 言

五自由度氣浮模擬器為了模擬空間飛行器在地面狀態的姿態運動和軌道機動運動，需要在大平面空間和大角度空間范圍內運動。為了將模擬器的姿態和軌道機動運動控制和實際運動位置和姿態形成閉環控制，需要一種能夠在超大平面空間范圍內快速測量模擬器位置和姿態的測量方法和策略，從而為模擬器的高精度閉環控制提供基礎[1～4]。

在超大尺度空間范圍內進行位置和狀態測量及控制，由于空間尺度大、被測對象復雜多樣、周圍干擾嚴重、相對測量精度要求較高、多任務測量并存、測量效率要求高等，對測量提出了很高要求。在空間飛行器位姿測量領域，大尺度空間范圍覆蓋幾米至幾十米空間范圍，測量精度要求至亞毫米級別，有多種測量手段，大型三坐標測量機(CMM：Coordinate Measuring Machine)采用接觸式測量，是典型的大尺度空間機械式測量方法，但是測量過程為離線測量，不能參與實時控制過程[5,6]。基于聲學原理的大尺度空間測量通過超聲波原理測得發射器和接受目標的距離，用多距離交匯實現空間三維坐標測量，但測量精度不高，受外界環境溫度、濕度影響較大，精度無法保證[7,8]。基于光學的大尺度測量系統具有測量精度高、穩定性好、抗干擾性能強等優點，有激光干涉原理的激光跟蹤儀、有光學測角傳感的經緯儀，有基于視覺相機的大尺度視覺測量系統，有基于三角測量法的iGPS大尺度測量[9,10]。考慮非接觸式測量、測量精度、測量快速性以及在線測量參與反饋控制的特定，iGPS測量和慣導組合實時測量模擬器的位置和姿態信息，用于反饋控制模擬器的位置和姿態坐標。

2 五自由度氣浮模擬器

隨著航天技術的不斷發展，對空間飛行器的機動跟蹤能力和位姿定位精度要求越來越高，系統功能越加復雜， 運行壽命要求更長。只有實現位姿精確跟蹤和冗余控制技術，才能為復雜空間任務提供可靠的飛行器平臺。飛行器上的所有導航與制導控制設備、推進系統以及傳感器長時間可靠穩定工作，才能確保飛行器圓滿完成空間在軌任務。所以，空間飛行器在進入太空之前需要進行大量的地面測試仿真試驗，以確保控制方案準確和產品狀態穩定可靠。

空間系統仿真按照仿真性質分為數字仿真、半物理仿真和全物理仿真。全物理仿真直接將空間飛行器的測量控制系統和執行機構以實物形式引入仿真系統中，模擬飛行器所處的空間微重力環境，以最大程度還原模擬飛行器在空間的飛行狀態，發現可能存在的控制邏輯錯誤和硬件故障[11,12]。

氣浮模擬器可以為空間飛行器提供空間微重力模擬運動，原理是通過在平面(球面)氣浮軸承與氣浮平面(軸承球窩)之間的壓縮氣體形成微米級氣膜，形成微摩擦力學環境，抵消軸承之上的質量塊的重力，等效模擬空間飛行器的失重運動。空間飛行器的動力學由氣浮模擬器模擬，控制系統全部由實物硬件組成，使用和飛行器相同的動力推動系統和控制規律，完成氣浮模擬器的位置和姿態控制。這樣就可以對飛行器星上控制器、元器件的振動和燃料推進等進行仿真，盡早發現空間飛行器設計過程中存在的問題和故障，避免后期更大的損失。所以多自由度氣浮模擬器已經成為空間飛行器地面仿真的關鍵設備。

針對自行研制的五自由度氣浮模擬器開展工作，其中兩個平動自由度完成軌道機動模擬，由三個平面氣浮軸承完成；三個旋轉自由度完成飛行器橫滾、俯仰和偏航的姿態模擬，由一個球面氣浮軸承完成。

五自由度氣浮模擬器為了完成軌道機動運動，需要在超大水平面內進行機動運動，這就需要模擬器具備在超大水平面范圍內精確測量模擬器的位置信息和姿態信息，同步反饋回模擬器上的實時控制系統，對模擬器的位置和姿態實時跟隨，如圖1所示。

圖1 五自由度氣浮模擬器Fig.1 5-DOF air bearing simulator

模擬器在超大水平面范圍內位置和狀態跟隨的測量方法進行研究，平面運動范圍為8m×18m，在空間的四周布置iGPS的4個發射器，如圖2所示。

圖2 模擬器運動平面及發射器分布Fig.2 Simulator motion plane and emitter distribution

3 iGPS軌道機動測量

超大水平范圍內的高精度的測量和控制目前的非接觸測量方法主要有基于機器視覺的測量和基于三角定位法的iGPS測量。根據需求，考慮到安裝距離要達到幾十米甚至更長，采用機器視覺這種圖像定位的測量方案精度較差，約為5mm，不能滿足精確定位需求。

基于iGPS的定位測量系統是基于三角定位法的測量技術，它較標準全球定位系統更為精確，同時適合室內環境。iGPS系統同樣包含“衛星”網絡，這些“衛星”就是激光信號發射器，接收器通過接收來自發射器的信號進行處理和計算從而進行定位。

iGPS可采用自由組網的方式對空間位置進行標定，通常的標定工具為標準桿，標準桿為一個矢量桿，桿的兩頭安裝有iGPS的接收器，而兩個接收器之間的長度是已知的。用戶使用標準桿在iGPS的測量空間采集標定數據，數據采集結束后，標定算法會對采集的數據進行分析處理。通過優化計算發射器到標準桿上接收器的方位角的交叉，可以計算出在同一坐標系內每一個發射器的方位信息。

任務工作空間大于200m2，因每個iGPS發射器測量范圍40m，同時為保證無死角，采用在花崗石平臺四周布置4個激光發射器的配置方式。

3.1 iGPS工作原理

激光發射器繞豎直旋轉軸高速旋轉，兩個激光扇面高速旋轉形成扇面覆蓋范圍。通過接收器得到兩組方位角和俯仰角(αA,βA),(αB,βB)，以此計算接收器的空間位置，如圖 3所示，具體過程如下。

圖3 三角測量原理Fig.3 Triangulation principle

根據三角測量原理可以得到如下關系式公式(1)

(1)

式中：(Px,Py,Pz)——點P的三位坐標值；a,t——分別為兩臺激光發射器的距離和高度差；γA——兩臺激光發射器的連線與參考坐標系X軸夾角。

在實際測量中有效發射器數量要求大于2，多條異面測量軸加入解算，將目標點與所有測量軸線距離的平方和當作目標函數，求解被測點的估計值。

3.2 iGPS測量系統標定

為了確保iGPS測量數據的準確度，需要使用更高精度的激光跟蹤儀對其進行精度檢定。這里使用準確度等級為15μm+6μm/m的激光跟蹤儀對由4個發射器構建的iGPS空間測量定位系統進行標定。iGPS標定數據見表1。

內部測量空間為：X:-6000mm～+6000mm；Y:-2500mm～+2500mm；Z:-1000mm～+1000mm。在整個測量空間內分高中低三層用iProbe采集多個空間點，與跟蹤儀的測量結果進行比較偏差值，標定結果如表 1所示。

4 慣導姿態測量

慣導是慣性導航系統(Inertial Navigation System,INS)的簡稱，由慣性測量組件(Inertial Measurement Unit, IMU)測量載體相對于慣性系的角速率和加速度，再根據牛頓運動定律解算出載體的速度和位置等信息，測量過程不受外界環境干擾，能夠連續實時測量載體的全狀態姿態信息，已經廣泛運用到航空、航天、航海等技術領域。慣導分為平臺式慣導和捷聯式慣導，采用捷聯式慣導。捷聯式慣導(Strap-down Inertial Navigation System，SINS)省去平臺式慣導的機電導航平臺，直接將陀螺儀和加速度計等慣性元件安裝到載體上，可以大大降低慣導的重量、體積和成本，增大了捷聯式慣導的應用范圍和便捷性[13～15]。

慣導坐標系絕對變換率和相對變化率關系如公式(2)所示

(2)

慣性導航常用坐標系表示方法如下：地心慣性坐標系(簡稱i系)；地球坐標系(簡稱e系)；地理坐標系(簡稱t系)；導航坐標系(簡稱n系)；平臺坐標系(簡稱p系)；機體坐標系(簡稱b系)。捷聯慣導系統通常采用四元數法求解載體姿態，具有精度高、計算量小、具有全姿態信息等優點。

(3)

慣導連接在NI-cRIO的NI 9870板卡，采用RS232通信，波特率為115200bps，有5個通信通道：COM0、COM1、COM2、COM3、USB通信口,AP平臺的坐標系定義依據慣導坐標系定義。

5 iGPS和慣導組合位姿跟蹤

五自由度氣浮模擬器的位置和姿態采用iGPS和慣導解耦測量和控制，兩者的下位控制系統采用NI-cRIO的NI 9870和9871板卡，采用RS232通信，波特率為115200bps。采用cRIO實時控制系統，利用FPGA高速采集來自iGPS系統和慣導的實時位置和姿態數據信息，實現氣浮模擬器位置和姿態的實時伺服反饋控制。

圖4 控制框圖Fig.4 Control block diagram

供電采用VICOR電源模塊DC-DC為兩者提供穩定的電源。在測量獲得五自由度氣浮模擬器的實時位置和姿態坐標后，由NI-cRIO控制器發出指令，控制反作用飛輪或冷氣噴嘴提供反作用力矩和反推力，伺服控制五自由度氣浮模擬器實時跟蹤指令位置，實現模擬器的位置和姿態實時跟蹤。傳感系統、控制系統和執行機構之間的控制關系如圖4所示。

位置和姿態閉環控制采用PID控制算法，輸出力矩指令對其進行自動控制。噴嘴控制頻率為20Hz，通過調整輸出占空比對噴嘴進行開關控制，閉環控制算法如圖5所示。

圖5 閉環控制算法Fig.5 Loop control algorithm

五自由度氣浮模擬器上位機綜合控制系統的軟件界面如圖 6所示，可以方便試驗人員觀察和操作模擬器的實時狀態和參數。

圖6 上位機控制界面Fig.6 Upper computer control Interface

6 結束語

采用iGPS和慣導的組合導航，同步測量模擬器的位置和姿態，通過飛輪和冷氣噴嘴伺服動作，閉環控制氣浮模擬器的位置和姿態跟蹤，實現空間飛行器模擬器在空間的失重運動全物理模擬試驗，對于將iGPS和慣導的組合導航應用于超大空間的導航和運動跟蹤等應用領域有較大的推廣意義和價值。