三軸氣浮衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制

李 偉, 員 海, 劉 磊

(西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院, 陜西 西安 710072)

當(dāng)前,我國(guó)在“新工科”建設(shè)的背景下[1-2],迫切需要地方高校培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力的航天工程科技人才,我國(guó)航天專業(yè)教學(xué)方式面臨著巨大的挑戰(zhàn)。一方面,各高等院校“重課堂、輕實(shí)踐”的思想觀念根深蒂固,導(dǎo)致輸送給相關(guān)航天單位的人才和工程實(shí)踐活動(dòng)脫節(jié)[3]。另一方面,航天工程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)往往需要模擬空間飛行器的姿態(tài)運(yùn)動(dòng),這就必須實(shí)現(xiàn)對(duì)空間微重力環(huán)境的模擬。有一些學(xué)生從本科階段就開始從事飛行器設(shè)計(jì)或制導(dǎo)控制等相關(guān)專業(yè)的學(xué)習(xí)、研究,但是直至博士階段,都很少接觸實(shí)際的飛行器控制系統(tǒng)和相關(guān)的測(cè)試、仿真評(píng)估方法,進(jìn)入工作單位后,這種狀況嚴(yán)重制約了他們的研發(fā)活動(dòng)。

鑒于此,我們針對(duì)航天專業(yè)本科生的培養(yǎng)特點(diǎn),搭建了一套氣浮衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)利用壓縮空氣,在氣浮球軸承和底座球窩之間形成一層氣膜,使得模擬航天器浮起,從而實(shí)現(xiàn)失重環(huán)境下的低摩擦力學(xué)環(huán)境,進(jìn)而可以利用氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)開展飛行器的姿態(tài)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的組織與實(shí)施開展全面地探索。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及組成

氣浮實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)共包括氣浮系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等6個(gè)部分,如圖1所示。

圖1 氣浮實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)組成

1.1 氣浮系統(tǒng)

氣浮系統(tǒng)主要由供氣裝置和氣浮軸承組成,其作用是使氣浮臺(tái)能夠在3個(gè)方向上轉(zhuǎn)動(dòng),提供一個(gè)低摩擦、微重力的接近太空的力學(xué)環(huán)境[4-6]。

1.1.1 供氣裝置

供氣裝置由空壓機(jī)、冷干機(jī)、QPS精密過(guò)濾器以及通氣管路等組成。空壓機(jī)提供高壓空氣供氣浮軸承使用。空壓機(jī)采用無(wú)油空氣壓縮機(jī),型號(hào)FB-95/7(見圖2),流量為204 L/min,容積為55 L,輸入功率為1 120 W,工作時(shí)保存氣體壓力為0.4～0.8 MPa,氣壓低于0.4 MPa時(shí)自動(dòng)開始?jí)嚎s空氣。根據(jù)氣浮軸承的耗氣量為2～3 L/min,需要高壓氣體壓力為0.4～0.8 MPa,FB-95/7型空氣壓縮機(jī)可以滿足要求。

圖2 FB-95/7型空壓機(jī)

冷干機(jī)和QPS精密過(guò)濾器如圖3所示,它們的作用是將空壓機(jī)壓縮的高壓空氣進(jìn)行干燥和過(guò)濾處理,過(guò)濾空氣中固體微粒、水滴及油霧等氣溶膠類雜質(zhì),給氣浮軸承供給干燥清潔的空氣,從而可以避免氣浮軸承表面快速氧化腐蝕,提高軸承使用壽命。

圖3 CY-10AC型冷干機(jī)和過(guò)濾器

1.1.2 氣浮軸承

氣浮軸承是整個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分,由球窩、氣浮球和軸承支柱組成,用于支撐整個(gè)氣浮實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的重量,同時(shí)可以提供三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。利用氣浮技術(shù)為氣浮實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)提供一個(gè)低摩擦、微重力的接近太空的力學(xué)環(huán)境,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣浮衛(wèi)星的三軸姿態(tài)控制全物理仿真。

考慮到氣浮軸承成本的限制以及其承載能力和運(yùn)動(dòng)范圍的要求,本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使用的氣浮球軸承不同于一般的半球型軸承,而是采用超半球型軸承,如圖4所示。軸承直徑120 mm,承載能力大于150 kg,且可以保證滾轉(zhuǎn)和俯仰的運(yùn)動(dòng)范圍大于正負(fù)30°。軸承支柱高度500 mm,球窩布局在軸承支柱的頂端,具體如圖5所示。

圖4 氣浮軸承

圖5 軸承支柱及球窩

1.2 機(jī)械系統(tǒng)

氣浮實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星機(jī)械系統(tǒng)主要包括機(jī)械平臺(tái)和調(diào)平衡系統(tǒng)等,如圖6所示。

圖6 完成調(diào)平的機(jī)械平臺(tái)實(shí)物圖

1.2.1 機(jī)械平臺(tái)

機(jī)械平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的主要承載單元,設(shè)計(jì)時(shí)必須要對(duì)其進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度校核,并且進(jìn)行剛度計(jì)算,使其變形在容許范圍之內(nèi)。機(jī)械平臺(tái)采用上下層布局方式,設(shè)計(jì)過(guò)程中為了考慮質(zhì)心調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求,采用對(duì)稱設(shè)計(jì)。氣浮軸承通過(guò)軸承蓋固定于上下平臺(tái)中間位置,下平臺(tái)中間挖空使得軸承支柱貫穿,滿足氣浮軸承工作需求；上下層及軸承蓋之間分別采用4個(gè)工字梁連接,上下平臺(tái)上面分別設(shè)計(jì)有間距25 mm的M6螺紋孔,便于調(diào)平衡系統(tǒng)以及其他部件的安裝。除此之外,為了便于后期傳感器以及飛輪供電線路的連接,在上平臺(tái)稍偏中心的位置挖了一個(gè)孔,用于線路的布置和安排。

完成機(jī)械平臺(tái)的結(jié)構(gòu)布局形式后,需要對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和靜力分析、判斷結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。利用ABAQUS對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和靜力分析,結(jié)果見表1。

表1 機(jī)械平臺(tái)前五階模態(tài)分析結(jié)果

從表1中可以看出機(jī)械平臺(tái)基頻為81.87 Hz,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7和圖8是機(jī)械平臺(tái)靜力分析的結(jié)果,平臺(tái)材料為鋁,密度為2.71 g/cm3,彈性模量和泊松比分別為70 GPa和0.3,邊界條件設(shè)置為軸承蓋下端固定,載荷加1 000 N,分析其應(yīng)力分布和變形大小,從而判斷結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 機(jī)械平臺(tái)靜力分析應(yīng)力圖

圖8 機(jī)械平臺(tái)靜力分析變形圖

從圖7和圖8可以看出,平臺(tái)在承受1 000 N力的情況下最大應(yīng)力約為0.483 6 MPa,鋁的屈服極限為80 MPa,強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,且有很大的設(shè)計(jì)余量；最大位移約為0.013 38 mm,考慮到系統(tǒng)正常工作的前提是質(zhì)心調(diào)平衡要將重力偏心力矩調(diào)節(jié)在0.1 N·m,對(duì)100 kg臺(tái)體即要求重心和軸承回轉(zhuǎn)中心偏差要小于0.1 mm,因此結(jié)構(gòu)變形引起的位移滿足條件,結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2.2 調(diào)平衡系統(tǒng)

調(diào)平衡系統(tǒng)是保證整個(gè)系統(tǒng)高性能正常工作的關(guān)鍵和靈魂[7-9],用來(lái)調(diào)節(jié)三軸氣浮實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的質(zhì)心,保證質(zhì)心和氣浮軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合,從而減小和消除不平衡重力偏心力矩,減小其對(duì)氣浮實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)的影響。

圖9 不同質(zhì)量等級(jí)質(zhì)量塊實(shí)物圖

為了保證質(zhì)心位置調(diào)控的快速性和準(zhǔn)確性,設(shè)計(jì)了不同質(zhì)量等級(jí)的質(zhì)量塊,如圖9所示,從左到右質(zhì)量分別為26、213、613 g和1.5 kg,配合使用大質(zhì)量塊和小質(zhì)量塊便可以對(duì)質(zhì)心位置進(jìn)行快速且高精度的調(diào)節(jié)。

1.3 測(cè)量系統(tǒng)

姿態(tài)傳感器是氣浮實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)姿態(tài)確定的重要組成部分,其原理是測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)于慣性空間的姿態(tài)信息,根據(jù)測(cè)量信息得到系統(tǒng)相對(duì)于慣性空間的姿態(tài)[10-11]。主要包括三軸陀螺儀(見圖10)和三軸角度儀(見圖11),陀螺儀和角度儀分別對(duì)氣浮實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的角速度和角位置進(jìn)行測(cè)量,從而實(shí)現(xiàn)氣浮實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的姿態(tài)確定。

圖10 TL630-0050三軸陀螺儀

圖11 TL766D-RS232三軸角度儀

1.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由與3個(gè)體坐標(biāo)軸平行的三正交飛輪組成,用來(lái)提供3個(gè)方向控制力矩。飛輪系統(tǒng)由電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、輪子以及安裝架等組成,部分簡(jiǎn)圖如圖12所示。電機(jī)選用60A3A02030型低壓伺服電機(jī)。輪子材料為鋁材,直徑為300 mm,厚度為16 mm,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.034kg·m2,可以滿足氣浮實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在干擾力矩0.1 N·m下100 s不飽和的指標(biāo)要求。

圖12 飛輪系統(tǒng)組成部分簡(jiǎn)圖

1.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個(gè)氣浮實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的大腦,主要實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)采集、控制指令計(jì)算、運(yùn)算處理與決策,并實(shí)現(xiàn)控制指令發(fā)送、信息傳遞、監(jiān)測(cè)、計(jì)算,同時(shí)具有記憶保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等作用。控制系統(tǒng)主要包括工控機(jī)和接線盒等組成,工控機(jī)由機(jī)箱、控制卡、數(shù)據(jù)采集卡和模擬輸出卡等組成。本次氣浮實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星控制系統(tǒng)采用PS PXI -3050控制器,該工控機(jī)同時(shí)包含有PS PXI -3361多功能數(shù)據(jù)采集卡和PS PXI -3381 32通道模擬輸出卡等。工控機(jī)實(shí)物圖見圖13。

圖13 PS PXI -3050工控機(jī)實(shí)物圖

1.6 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)是整個(gè)氣浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的能量來(lái)源,主要包括36V8AH電池(見圖14)、逆變器和轉(zhuǎn)換電源等組成,用來(lái)給氣浮實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)的工控機(jī)、飛輪、陀螺儀和傾角儀等部件供電。

表2詳細(xì)列出了整個(gè)系統(tǒng)的所有耗電部件以及其供電電壓等。

表2 耗電部件及其輸入電壓

圖14 36V8AH電池

從表2可以看出,電源系統(tǒng)必須提供36 V直流、220 V/50 Hz交流,以及9～36 V直流電,因此,選用36 V、8 Ah電池直接給飛輪系統(tǒng)提供36 V直流電。用36 V直流轉(zhuǎn)220 V/50 Hz交流逆變器,將直流電轉(zhuǎn)成交流電供PS PXI-3050控制器使用；TL630-0050三軸陀螺儀功率較小,直接使用控制器模擬輸出卡提供12 V電壓供其使用；TL766D-RS232三軸角度儀由于所需功率較大,使用控制器模擬輸出卡無(wú)法提供,直接使用36 V電池電源可能導(dǎo)致傳感器燒毀,因此需要單獨(dú)配備一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器,將220 V/50 Hz交流電轉(zhuǎn)換成24 V直流電供TL766D-RS232三軸角度儀使用。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用分析

該平臺(tái)可以用于衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué),教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置可以從簡(jiǎn)單到復(fù)雜逐步展開。隨著學(xué)生對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)概念及基本理論的掌握,利用可編程模塊調(diào)動(dòng)學(xué)生自主科研能力及興趣,不斷提高學(xué)生的科研水平。

2.1 姿態(tài)確定實(shí)驗(yàn)

姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型采用經(jīng)典的衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程組[12],將動(dòng)力學(xué)方程組線性化后作為系統(tǒng)狀態(tài)方程,選擇系統(tǒng)3個(gè)歐拉角作為被測(cè)量,采用LS-SVM輔助卡爾曼濾波算法進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)確定實(shí)驗(yàn)。仿真參數(shù)選擇采用氣浮實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)的參數(shù)，即轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ix=6 kg·m2、Iy=7 kg·m2、Iz=9 kg·m2；力矩Mx=-0.2 N·m、My=0.02 N·m、Mz=0.05 N·m；初始條件設(shè)置見表3。表3中：、θ和ψ分別為氣浮衛(wèi)星的滾動(dòng)角、俯仰角和偏航角；ωx、ωy和ωz分別是氣浮衛(wèi)星的角速度在慣性坐標(biāo)系[12]的3個(gè)分量；下標(biāo)“0”表示初始狀態(tài)。限于篇幅以滾轉(zhuǎn)通道為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15和16所示。

表3 初始條件

從圖15滾轉(zhuǎn)通道EKF結(jié)果與SVM輔助EKF結(jié)果對(duì)比可以看出,采用最小二乘支持向量機(jī)輔助卡爾曼濾波的結(jié)果更好,通過(guò)計(jì)算均方根誤差發(fā)現(xiàn),僅采用擴(kuò)展卡爾曼濾波結(jié)果和真實(shí)值的均方根誤差為0.022 1,采用LS_SVM輔助EKF的結(jié)果和真實(shí)值的均方根誤差僅為0.010 2。圖16給出了滾轉(zhuǎn)通道LS_ SVM預(yù)測(cè)非線性誤差效果,圖中藍(lán)線是真實(shí)的非線性誤差,紅圈是算法預(yù)測(cè)得到的非線性誤差,從圖中可以看出算法的預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)誤差基本一致。

圖15 滾轉(zhuǎn)通道EKF結(jié)果與SVM輔助EKF結(jié)果對(duì)比圖

圖16 滾轉(zhuǎn)通道SVM預(yù)測(cè)非線性誤差效果圖

2.2 姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)

完成系統(tǒng)調(diào)試以及實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作后,可以進(jìn)行姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn),圖17是整個(gè)系統(tǒng)三軸指向穩(wěn)定的示意圖。限于篇幅,以滾轉(zhuǎn)通道為例進(jìn)行姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖18和19所示。

圖17 三軸指向穩(wěn)定氣浮實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)

圖18 滾轉(zhuǎn)通道角度變化實(shí)驗(yàn)曲線

圖19 滾轉(zhuǎn)通道角度控制誤差實(shí)驗(yàn)曲線

根據(jù)姿態(tài)滾轉(zhuǎn)通道穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)繪制實(shí)驗(yàn)曲線。可以看出,滾轉(zhuǎn)通道在給一定的初始姿態(tài)偏差后,系統(tǒng)可以最后實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定,從圖19中可以看出,滾轉(zhuǎn)通道最終穩(wěn)定后滾轉(zhuǎn)角誤差在0.4°以內(nèi),滿足實(shí)驗(yàn)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

基于氣浮原理搭建了一套三軸氣浮衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)較好地模擬衛(wèi)星飛行的微重力環(huán)境。在衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中,可以幫助學(xué)生直觀、深入地理解衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的基本概念及理論,其可編程功能能夠激發(fā)學(xué)生的自主科研熱情,有利于提高衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量。此外,該平臺(tái)也是衛(wèi)星姿態(tài)控制科研項(xiàng)目中的重要部分,對(duì)于節(jié)約科研成本、保證科研項(xiàng)目進(jìn)度等方面作用也比較顯著。