淺析火星低重力模擬試驗平臺設計

黃科，董強，陳強，邢偉，程剛

（北京特種工程設計研究院，北京 100028）

受火星特殊行星條件影響，火星探測任務在著陸階段有巨大困難，在我國實施火星探測任務前，美國、蘇聯、歐空局等已經多次向火星發射探測器，但成功率僅為51.11%。圍繞著陸階段的控制系統設計開展研究及地面驗證試驗，是確保火星探測任務成功的關鍵研究內容之一。在火星探測器著陸階段中面臨的工作環境重要特點之一是低重力，需要在地面預先研究低重力模擬平臺，驗證探測器在火星進行著陸緩沖過程中的關鍵技術問題。

1 系統總體設計

在地面實現低重力模擬技術的主要方法包括落塔法、拋物飛行法、水浮法、氣浮法、懸吊法、外骨骼法和機械臂托舉法，其中的懸吊法是目前綜合優勢最大、研究成果最多的低重力模擬技術。模擬試驗平臺要實現水平兩自由度大范圍跟蹤探測器運動，在水平高精度跟蹤運動的同時，還要跟蹤探測器垂直方向大范圍的高速移動，同時隨動系統在跟隨過程中要滿足吊繩絕對傾角的要求，具備足夠的向上加速度、最大垂直跟蹤速度和拉力控制精度的能力，實質上試驗平臺的研制就是要在大空間內對飛行中的探測器實施高精度的三維位置與拉力混合隨動控制。

模擬試驗平臺要實現水平兩自由度大范圍（20m×20m）跟蹤火星探測器運動，水平跟蹤加速度1.5m/s2，最大跟蹤速度為5m/s。一方面，隨動系統應滿足吊繩的絕對傾角的要求，即隨動系統運動過程中，與萬向吊具連接處吊繩拉力方向與垂直方向的夾角不大于±0.1°。另一方面，在水平高精度跟蹤運動的同時，還要跟蹤探測器垂直方向大范圍的高速移動，具備2.6m/s2的向上加速能力，且最大跟蹤速度為10m/s，同時，要控制鋼絲繩的拉力，在提供20000N 恒拉力時實現20N的拉力控制精度。

模擬試驗平臺主體結構為六個九柱桁架式鋼管混凝土塔架，在塔頂部設懸挑桁架，懸挑桁架端部通過桁架將六塔連通，主體結構三維模型如圖1。

圖1 主體結構三維模型圖

模擬試驗平臺控制系統主要由并聯索驅動系統和快速隨動系統組成。并聯索驅動裝置及控制單元沿圓周方向均勻布置在機房內，塔體及地面設置一定數量的轉向滑輪，鋼絲繩從塔柱的出繩點設置擺輪裝置以驅動隨動平臺的快速隨動。并聯索驅動系統完成隨動平臺大范圍的移動和跟蹤；快速隨動系統直接和試驗驗證器相連，高動態響應確保驗證器在豎直方向的吊繩偏角和拉力控制精度。

2 并聯索驅動系統設計

并聯索驅動系統由主提升索驅動系統、上水平索驅動系統和下水平索驅動系統組成。

主提升索驅動系統由6 組驅動單元組成，每組驅動單元包括雙電機、雙減速器和雙出繩滾筒。兩根鋼絲繩通過主體結構頂部距地面133 米高度處的兩個滑輪與快速隨動系統連接，構成平行四邊形機構，防止快速隨動系統產生傾斜。

上水平索驅動系統由6 組驅動單元組成，每組驅動單元包括電機、減速器和雙出繩滾筒。兩根鋼絲繩通過主體結構柱腿上距地面77m 高度處水平布置的兩個滑輪與快速隨動系統連接，同樣構成平行四邊形機構，主要為快速隨動系統提供水平驅動力和增加扭轉剛度。

下斜拉索驅動系統與上水平索驅動系統結構上基本相同，雙鋼絲繩通過主體結構柱腿上距地面20m 高度處水平布置的兩個滑輪與快速隨動系統連接，同樣構成平行四邊形機構并為快速隨動系統提供水平驅動力和增加扭轉剛度。其中一組驅動單元采用雙電機驅動來增加驅動力，將快速隨動系統牽引到探測器轉運區。

并聯驅動系統采用一套運動控制器分別控制25 套伺服驅動器和交流電機來驅動減速器和滾筒，實現36 根鋼絲繩跟隨快速隨動系統運動，為驗證器和快速隨動系統圓盤提供水平與垂直驅動力。控制輸入是根據快速隨動系統的位移計算的，需提前設置同步控制模式，系統實時讀取圓盤位置坐標，實時計算位移增量并修改同步數據。

3 快速隨動系統設計

快速隨動系統通過36 根鋼絲繩與并聯索驅動系統相連，其包括水平快速隨動子系統和拉力調節子系統，水平快速隨動子系統提供水平拉力，拉力調節子系統實現對探測器拉力的精確控制。

3.1 水平快速隨動子系統設計

快速隨動裝置由二維工作臺組成，采用伺服電機、精密滾動導軌及滾輪齒條傳動系統組合而成。

工作在隨動控制方式，以實現水平快速隨動系統中的上吊點對探測器的精確跟蹤，其中跟蹤誤差的檢測是通過實時讀取吊點處的偏角檢測編碼器和安裝在兩維工作臺處的激光陀螺儀的反饋數據實現，系統可以實現全閉環控制。絕對編碼器的角度檢測精度可達0.011°，激光陀螺儀的漂移小于0.01°/h，探測器吊繩傾角的檢測精度可達0.03°。

控制輸入來自探測器的水平移動，系統實時讀取編碼器、陀螺儀的測量值并且實時計算傾角和位移量數值，根據計算結果實時修改系統同步數據。

3.2 拉力調節子系統設計

拉力調節裝置由粗精兩級調節機構組成，安裝在快速隨動裝置的兩維工作臺上，包括三臺伺服電機、力傳感器和傳動機構。其中，功率較大的兩臺伺服電機完成拉力粗控制，主要起卸荷作用，可承載大部分探測器拉力載荷，以保證小功率伺服電機具有合適的拉力調節范圍；小功率伺服電機工作在拉力閉環控制方式，實現探測器拉力的精確控制。

拉力調節子系統直接跟隨探測器上吊點的垂直運動，由運動控制器控制兩套伺服驅動器和伺服電機來實現拉力的精確閉環控制，伺服電機工作在扭矩控制方式，拉力的精確測量直接由上吊點處的力傳感器來完成，整個系統工作在全閉環控制方式。

拉力傳感器的非線性度為0.025%，在2 噸額定量程下的力檢測精度5N，拉力的控制精度取決于電機的輸出轉矩，一般伺服電機的扭力控制精度為0.5%～1.5%。為適應下降階段和上升階段的載荷重量差別，優化拉力分配，實現20N 的拉力控制精度。

4 并聯驅動控制算法設計

根據驅動索數m 與活動平臺自由度n 的關系，索并聯機構分為(mn+1) 三類，即非完全約束機構、完全約束機構、冗余約束機構。快速隨動圓盤僅有6 個自由度，通過18 根鋼絲繩與其相連,因此本系統屬于冗余約束機構。為系統建立如圖2 所示坐標系，一個是全局固定坐標O-XYZ，坐標原點O 在試場地面驅動系統的對稱中心，坐標軸Z正向垂直向上，另一個坐標系是與快速隨動圓盤固聯的局部坐標系P-XYZ，坐標原點P 位于快速隨動圓盤幾何對稱中心。Ai為第i 根索與塔架的連接點，Bi 為第i 根索與快速隨動圓盤的連接點。

圖2 系統坐標系

J 為與快速隨動圓盤姿態和索張力方向相關的雅可比矩陣，W 為索并聯系統的廣義力。

式中J+是J 的Moor-Penrose 廣義逆，J+=J+(JJT)-1。

K1為系統被動剛度，與系統位置姿態有關；K2為主動系統剛度，與系統位置姿態變化率及鋼索張力T 大小有關。

綜合以上結果：

由式（4）可知，索并聯系統被動剛度與鋼絲繩切線剛度有關，對于大跨度索并聯系統，鋼絲繩在自重影響下變成懸鏈線，不能直接用直線模型替代，因此其切線剛度需要考慮重力影響。

假設鋼絲繩在空間通過兩點A 和B，且B 點高于A 點，在包含A、B 兩點的鉛垂平面內，建立平面直角坐標系，并將A 選為坐標原點，同時使B 點位于第一象限，水平軸和垂直軸分別用X、Y 表示。假設鋼絲繩的線密度為q，長為L，l 為鋼索水平跨度，h 為鋼索兩端相對高度，H和V 分別為索張力T 的水平和垂直分量，且H 沿整個索長是不變量，鋼絲繩的懸鏈線方程可表示為：

其中C 和D 為常數。

在圓盤鋼絲繩連接處索力

當圓盤位置發生微小位移時，鋼索懸跨度l 和相對高度h 發生變化，從而導致索張力T 發生變化。依據文獻[5] ，切線剛度定義為：

當ql/H<=0.5 時，忽略高階小量后

其中：

5 結語

火星低重力模擬試驗平臺提供模擬接近火星表面最后100m 時的試驗空間。2021 年5 月15 日,中國火星探測器天問一號成功軟著陸于火星烏托邦平原，突顯了此項目試驗平臺對天問一號驗證器的試驗充分性和設計評估正確性。