一種氣浮模擬器位姿狀態(tài)跟蹤測(cè)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(jī)電控制設(shè)備研究所，北京，100076;2.中國(guó)人民解放軍火箭軍駐長(zhǎng)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(tài)的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和軌道機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，需要在大平面空間和大角度空間范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。為了將模擬器的姿態(tài)和軌道機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置和姿態(tài)形成閉環(huán)控制，需要一種能夠在超大平面空間范圍內(nèi)快速測(cè)量模擬器位置和姿態(tài)的測(cè)量方法和策略，從而為模擬器的高精度閉環(huán)控制提供基礎(chǔ)[1～4]。

在超大尺度空間范圍內(nèi)進(jìn)行位置和狀態(tài)測(cè)量及控制，由于空間尺度大、被測(cè)對(duì)象復(fù)雜多樣、周圍干擾嚴(yán)重、相對(duì)測(cè)量精度要求較高、多任務(wù)測(cè)量并存、測(cè)量效率要求高等，對(duì)測(cè)量提出了很高要求。在空間飛行器位姿測(cè)量領(lǐng)域，大尺度空間范圍覆蓋幾米至幾十米空間范圍，測(cè)量精度要求至亞毫米級(jí)別，有多種測(cè)量手段，大型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM：Coordinate Measuring Machine)采用接觸式測(cè)量，是典型的大尺度空間機(jī)械式測(cè)量方法，但是測(cè)量過程為離線測(cè)量，不能參與實(shí)時(shí)控制過程[5,6]。基于聲學(xué)原理的大尺度空間測(cè)量通過超聲波原理測(cè)得發(fā)射器和接受目標(biāo)的距離，用多距離交匯實(shí)現(xiàn)空間三維坐標(biāo)測(cè)量，但測(cè)量精度不高，受外界環(huán)境溫度、濕度影響較大，精度無(wú)法保證[7,8]。基于光學(xué)的大尺度測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有激光干涉原理的激光跟蹤儀、有光學(xué)測(cè)角傳感的經(jīng)緯儀，有基于視覺相機(jī)的大尺度視覺測(cè)量系統(tǒng)，有基于三角測(cè)量法的iGPS大尺度測(cè)量[9,10]。考慮非接觸式測(cè)量、測(cè)量精度、測(cè)量快速性以及在線測(cè)量參與反饋控制的特定，iGPS測(cè)量和慣導(dǎo)組合實(shí)時(shí)測(cè)量模擬器的位置和姿態(tài)信息，用于反饋控制模擬器的位置和姿態(tài)坐標(biāo)。

2 五自由度氣浮模擬器

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)空間飛行器的機(jī)動(dòng)跟蹤能力和位姿定位精度要求越來(lái)越高，系統(tǒng)功能越加復(fù)雜， 運(yùn)行壽命要求更長(zhǎng)。只有實(shí)現(xiàn)位姿精確跟蹤和冗余控制技術(shù)，才能為復(fù)雜空間任務(wù)提供可靠的飛行器平臺(tái)。飛行器上的所有導(dǎo)航與制導(dǎo)控制設(shè)備、推進(jìn)系統(tǒng)以及傳感器長(zhǎng)時(shí)間可靠穩(wěn)定工作，才能確保飛行器圓滿完成空間在軌任務(wù)。所以，空間飛行器在進(jìn)入太空之前需要進(jìn)行大量的地面測(cè)試仿真試驗(yàn)，以確保控制方案準(zhǔn)確和產(chǎn)品狀態(tài)穩(wěn)定可靠。

空間系統(tǒng)仿真按照仿真性質(zhì)分為數(shù)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(cè)量控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)以實(shí)物形式引入仿真系統(tǒng)中，模擬飛行器所處的空間微重力環(huán)境，以最大程度還原模擬飛行器在空間的飛行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)可能存在的控制邏輯錯(cuò)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(yùn)動(dòng)，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(jí)氣膜，形成微摩擦力學(xué)環(huán)境，抵消軸承之上的質(zhì)量塊的重力，等效模擬空間飛行器的失重運(yùn)動(dòng)。空間飛行器的動(dòng)力學(xué)由氣浮模擬器模擬，控制系統(tǒng)全部由實(shí)物硬件組成，使用和飛行器相同的動(dòng)力推動(dòng)系統(tǒng)和控制規(guī)律，完成氣浮模擬器的位置和姿態(tài)控制。這樣就可以對(duì)飛行器星上控制器、元器件的振動(dòng)和燃料推進(jìn)等進(jìn)行仿真，盡早發(fā)現(xiàn)空間飛行器設(shè)計(jì)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(jīng)成為空間飛行器地面仿真的關(guān)鍵設(shè)備。

針對(duì)自行研制的五自由度氣浮模擬器開展工作，其中兩個(gè)平動(dòng)自由度完成軌道機(jī)動(dòng)模擬，由三個(gè)平面氣浮軸承完成；三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度完成飛行器橫滾、俯仰和偏航的姿態(tài)模擬，由一個(gè)球面氣浮軸承完成。

五自由度氣浮模擬器為了完成軌道機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，需要在超大水平面內(nèi)進(jìn)行機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這就需要模擬器具備在超大水平面范圍內(nèi)精確測(cè)量模擬器的位置信息和姿態(tài)信息，同步反饋回模擬器上的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，對(duì)模擬器的位置和姿態(tài)實(shí)時(shí)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(nèi)位置和狀態(tài)跟隨的測(cè)量方法進(jìn)行研究，平面運(yùn)動(dòng)范圍為8m×18m，在空間的四周布置iGPS的4個(gè)發(fā)射器，如圖2所示。

圖2 模擬器運(yùn)動(dòng)平面及發(fā)射器分布Fig.2 Simulator motion plane and emitter distribution

3 iGPS軌道機(jī)動(dòng)測(cè)量

超大水平范圍內(nèi)的高精度的測(cè)量和控制目前的非接觸測(cè)量方法主要有基于機(jī)器視覺的測(cè)量和基于三角定位法的iGPS測(cè)量。根據(jù)需求，考慮到安裝距離要達(dá)到幾十米甚至更長(zhǎng)，采用機(jī)器視覺這種圖像定位的測(cè)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(cè)量系統(tǒng)是基于三角定位法的測(cè)量技術(shù)，它較標(biāo)準(zhǔn)全球定位系統(tǒng)更為精確，同時(shí)適合室內(nèi)環(huán)境。iGPS系統(tǒng)同樣包含“衛(wèi)星”網(wǎng)絡(luò)，這些“衛(wèi)星”就是激光信號(hào)發(fā)射器，接收器通過接收來(lái)自發(fā)射器的信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算從而進(jìn)行定位。

iGPS可采用自由組網(wǎng)的方式對(duì)空間位置進(jìn)行標(biāo)定，通常的標(biāo)定工具為標(biāo)準(zhǔn)桿，標(biāo)準(zhǔn)桿為一個(gè)矢量桿，桿的兩頭安裝有iGPS的接收器，而兩個(gè)接收器之間的長(zhǎng)度是已知的。用戶使用標(biāo)準(zhǔn)桿在iGPS的測(cè)量空間采集標(biāo)定數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，標(biāo)定算法會(huì)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。通過優(yōu)化計(jì)算發(fā)射器到標(biāo)準(zhǔn)桿上接收器的方位角的交叉，可以計(jì)算出在同一坐標(biāo)系內(nèi)每一個(gè)發(fā)射器的方位信息。

任務(wù)工作空間大于200m2，因每個(gè)iGPS發(fā)射器測(cè)量范圍40m，同時(shí)為保證無(wú)死角，采用在花崗石平臺(tái)四周布置4個(gè)激光發(fā)射器的配置方式。

3.1 iGPS工作原理

激光發(fā)射器繞豎直旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)激光扇面高速旋轉(zhuǎn)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(jì)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(cè)量原理Fig.3 Triangulation principle

根據(jù)三角測(cè)量原理可以得到如下關(guān)系式公式(1)

(1)

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

在實(shí)際測(cè)量中有效發(fā)射器數(shù)量要求大于2，多條異面測(cè)量軸加入解算，將目標(biāo)點(diǎn)與所有測(cè)量軸線距離的平方和當(dāng)作目標(biāo)函數(shù)，求解被測(cè)點(diǎn)的估計(jì)值。

3.2 iGPS測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定

為了確保iGPS測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，需要使用更高精度的激光跟蹤儀對(duì)其進(jìn)行精度檢定。這里使用準(zhǔn)確度等級(jí)為15μm+6μm/m的激光跟蹤儀對(duì)由4個(gè)發(fā)射器構(gòu)建的iGPS空間測(cè)量定位系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。iGPS標(biāo)定數(shù)據(jù)見表1。

內(nèi)部測(cè)量空間為：X:-6000mm～+6000mm；Y:-2500mm～+2500mm；Z:-1000mm～+1000mm。在整個(gè)測(cè)量空間內(nèi)分高中低三層用iProbe采集多個(gè)空間點(diǎn)，與跟蹤儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較偏差值，標(biāo)定結(jié)果如表 1所示。

4 慣導(dǎo)姿態(tài)測(cè)量

慣導(dǎo)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System,INS)的簡(jiǎn)稱，由慣性測(cè)量組件(Inertial Measurement Unit, IMU)測(cè)量載體相對(duì)于慣性系的角速率和加速度，再根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律解算出載體的速度和位置等信息，測(cè)量過程不受外界環(huán)境干擾，能夠連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量載體的全狀態(tài)姿態(tài)信息，已經(jīng)廣泛運(yùn)用到航空、航天、航海等技術(shù)領(lǐng)域。慣導(dǎo)分為平臺(tái)式慣導(dǎo)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)，采用捷聯(lián)式慣導(dǎo)。捷聯(lián)式慣導(dǎo)(Strap-down Inertial Navigation System，SINS)省去平臺(tái)式慣導(dǎo)的機(jī)電導(dǎo)航平臺(tái)，直接將陀螺儀和加速度計(jì)等慣性元件安裝到載體上，可以大大降低慣導(dǎo)的重量、體積和成本，增大了捷聯(lián)式慣導(dǎo)的應(yīng)用范圍和便捷性[13～15]。

慣導(dǎo)坐標(biāo)系絕對(duì)變換率和相對(duì)變化率關(guān)系如公式(2)所示

(2)

慣性導(dǎo)航常用坐標(biāo)系表示方法如下：地心慣性坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱i系)；地球坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱e系)；地理坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱t系)；導(dǎo)航坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱n系)；平臺(tái)坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱p系)；機(jī)體坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱b系)。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)通常采用四元數(shù)法求解載體姿態(tài)，具有精度高、計(jì)算量小、具有全姿態(tài)信息等優(yōu)點(diǎn)。

(3)

慣導(dǎo)連接在NI-cRIO的NI 9870板卡，采用RS232通信，波特率為115200bps，有5個(gè)通信通道：COM0、COM1、COM2、COM3、USB通信口,AP平臺(tái)的坐標(biāo)系定義依據(jù)慣導(dǎo)坐標(biāo)系定義。

5 iGPS和慣導(dǎo)組合位姿跟蹤

五自由度氣浮模擬器的位置和姿態(tài)采用iGPS和慣導(dǎo)解耦測(cè)量和控制，兩者的下位控制系統(tǒng)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(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，利用FPGA高速采集來(lái)自iGPS系統(tǒng)和慣導(dǎo)的實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)氣浮模擬器位置和姿態(tài)的實(shí)時(shí)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(wěn)定的電源。在測(cè)量獲得五自由度氣浮模擬器的實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)坐標(biāo)后，由NI-cRIO控制器發(fā)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(shí)時(shí)跟蹤指令位置，實(shí)現(xiàn)模擬器的位置和姿態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤。傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的控制關(guān)系如圖4所示。

位置和姿態(tài)閉環(huán)控制采用PID控制算法，輸出力矩指令對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)控制。噴嘴控制頻率為20Hz，通過調(diào)整輸出占空比對(duì)噴嘴進(jìn)行開關(guān)控制，閉環(huán)控制算法如圖5所示。

圖5 閉環(huán)控制算法Fig.5 Loop control algorithm

五自由度氣浮模擬器上位機(jī)綜合控制系統(tǒng)的軟件界面如圖 6所示，可以方便試驗(yàn)人員觀察和操作模擬器的實(shí)時(shí)狀態(tài)和參數(shù)。

圖6 上位機(jī)控制界面Fig.6 Upper computer control Interface

6 結(jié)束語(yǔ)

采用iGPS和慣導(dǎo)的組合導(dǎo)航，同步測(cè)量模擬器的位置和姿態(tài)，通過飛輪和冷氣噴嘴伺服動(dòng)作，閉環(huán)控制氣浮模擬器的位置和姿態(tài)跟蹤，實(shí)現(xiàn)空間飛行器模擬器在空間的失重運(yùn)動(dòng)全物理模擬試驗(yàn)，對(duì)于將iGPS和慣導(dǎo)的組合導(dǎo)航應(yīng)用于超大空間的導(dǎo)航和運(yùn)動(dòng)跟蹤等應(yīng)用領(lǐng)域有較大的推廣意義和價(jià)值。