三维空间微重力地面模拟试验系统设计_齐乃明

(7)
则由式(7)可知误差方程为
z0 (k + 1) = A2z0 (k) + B2u(k) + f (k)
(8)
这里 A2 = A1 ，B2 = −B1 ，R = (r(k) dr(k))T ，z0 (k) =
(e(k) de(k))T
f
(k
)
=
1 三维空间微重力地面模拟试验系统
1.1 三维空间模拟地面试验系统结构设计 模拟三维空间零重力环境的地面试验装置的
具体结构如图 1 所示。 上述各机械传动部件均采用标准件，并针对空
间机器人结构的不同，只需更换托架接口就可以满 足不同需求。
其工作原理为：空间机器人通常运行在低速工 况下，因此电动机 15 通过减速器 14 输出轴与螺杆
+
kr
(5)
令
⎛0
A
=
⎜ ⎜ ⎜⎝
−
kr
md
1⎞
−
cb md
⎟ ⎟ ⎟⎠
⎛ B =⎜0
kr
⎞T ⎟
⎝ md ⎠
h = (h1 h2 )T
则式(5)可写为
h = Αh + Bu
(6)
令 z(k) = ( z1(k) z2 (k))T ，将式(6)写成离散时间
方程为
z(k + 1) = A1z(k) + B1u(k)
落塔式的原理为：通过在微重力塔中执行自由 落体运动，从而产生微重力环境。目前美国、日本、 德国等都建立了微重力塔，能够实现10−4 ～10−5 量 级的微重力环境[5]，且能够完成三维空间动作。但 该方案成本很高且试验时间仅秒级，目前国内外鲜 有使用该方案。
气悬浮法的原理为：主要通过气泵供气，气体 经气足的节流嘴流出使气足悬浮，进而将飞行器在 平台上浮起。该方案由于结构简单，成本低，承载 能力大，零重力模拟精度高等优点而广泛应用于国 内外。目前加拿大公司所研制的地面微重力系统及 美国斯坦福大学建造的漂浮空间机械臂系统[6]采用 的就是此方法。
由于径向基神经网络具有很强的非线性学习能力，
滑模变结构控制具有很强的动态响应特性[9]，但由
于采用切换函数而容易产生“抖振”现象，通过融
合两者，并采用边学习边控制的在线学习算法，可
以获得较好控制效果。 通过简化数学模型，并令 cb = cd + cr ，则动力
学方程可以写成
GP (s)
Βιβλιοθήκη Baidu
=
md s2
kr + cbs
第 47 卷第 9 期 2011 年 5 月
机械工程学报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
Vo l . 4 7 N o . 9
May
2011
DOI：10.3901/JME.2011.09.016
三维空间微重力地面模拟试验系统设计*
齐乃明 1 张文辉 1 高九州 1 马 静 1, 2
Abstract：Aiming at large and medium spatial experimental objects with complex motion, an engineering system composed of
machine, motor and air-bearing is designed to simulate the spatial microgravity environment. Horizontal movement adopts air suspending, vertical movement adopts motor and reducer, constant force closed loop system is adopted by control system to track target gravity. For test object, friction non-linearity of machine system, outside disturbance and low speed of aircraft are considered. Neural sliding model equivalent controller with learning ability is adopted for adaptive learning and for compensation for various uncertain influences. Test result shows that the designed test equipment not only features light-weight structure and easy use, but also can compensate non-linearity dynamic influences of manipulators and achieve high-precision simulation of microgravity environment. So it has important reference value for three-dimensional spatial microgravity simulation test.
柔性弹簧机构 5 与工作板 2 连接，主要降低环 境刚度来改善微重力试验效果，并补偿实际工况中 由平台平面度不理想造成的影响。 1.2 系统动力学模型的建立
空间零重力模拟装置由传动机构、力反馈传感 器、试验目标组成。图 2 给出了微重力设备的传动 装置/拉压传感器/接触试件在一个方向上的 模型[8]。
纵观气悬浮法的应用，目前主要用于平面二维 运动的微重力模拟试验，但目前空间机械臂等均存 在复杂的三维空间运动，现有的气悬浮法无法模拟 三维空间的微重力环境。陈三风等[7]针对三维空间 微重力环境模拟试验提出一种水平采用气悬浮，竖 直采用气缸的组合装置，但这种方式没有考虑气泵 的气源衰减，且气缸的自重造成试验目标本身的附 加质量过大。这无疑严重影响了飞行器的测试精度。 且控制算法中样本的取得也影响了其工程应用。
Key words：Spatial microgravity Ground test system Neural network control Sliding model control
0 前言*
空间试验耗资巨大，飞行器一旦升空就很难维 修，因此在升空前采用空间微重力地面模拟装置来 模拟太空环境以验证飞行器性能已成为最高效、最 经济的方法。目前，全球模拟空间微重力环境的方 式主要有[1-2]：吊丝悬挂式、水浮式、落塔式、气悬 浮式等。
图 1 模拟三维微重力环境地面试验装置结构图
1．试验目标机器人 2．工作板 3．托架接口 4．拉压传感器 5．弹簧 6．套筒 7．螺杆 8．连接板 9．导杆 10．直线轴承
11．传动螺母 12．推力轴承 13．联轴器 14．减速器 15．电动机 16．外壳 17．支撑板 18．气垫
7 连接，螺杆 7 与传动螺母 11 形成螺旋传动，传动 螺母 11 与连接板 8 固连，从而带动连接板 8 及其所 属的套筒 6 和套筒上方的工作板 2 一起运动。
(1. 哈尔滨工业大学航天学院 哈尔滨 150001； 2. 东北农业大学工程学院 哈尔滨 150001)
摘要：针对大中型及做复杂运动的空间试验目标，提出一种机电气组合的空间微重力地面模拟系统装置。该装置水平运动方 向采用气垫支撑方式，竖直运动方向采用电动机作为动力源执行部件，经减速器减速后经滚珠丝杠及直线轴承作为传动装置， 控制系统采用恒力闭环系统来跟踪目标重力。考虑试验目标所受到的来自本体的不确定影响及机械传动部件的摩擦干扰，且 考虑到空间飞行器的姿态通常的低速运动，采用具有学习能力的神经网络等效滑模控制策略来自适应学习并补偿各种不确定 影响。试验结果表明，所设计的试验装置结构不仅质量小，使用方便，且能够补偿运动空间机械手的非线性动态影响，达到 较高的微重力环境模拟精度，对于三维空间微重力模拟试验具有重要的参考价值。
考虑到气悬浮法的优势及气缸方案的不足，本文 提出了一种机/电/气相结合的模拟复杂空间微重力环 境的装置。水平运动方向采用气垫支撑，竖直运动方 向通过电动机传动机构，并采用力反馈的方式来跟踪 试件重力。针对机电装置中的机械摩擦及试验目标的 低速姿态运行特性及不确定干扰，通过具有良好学习 能力神经网络控制器及具有良好动态特性的滑模控 制器来控制非线性系统。仿真表明了所设计的三维空 间微重力地面模拟装置能够达到较高精度，具有一定 工程应用价值。试验结果表明了该地面试验装置对于 三维空间微重力环境模拟的有效性，对航天器及其附 件的微重力模拟试验具有参考价值。
考虑两方面因素，首先为试验飞行器对于装置的非
线性干扰，其次为机械传动装置的各种机械摩擦等
不确定影响。传统的 PID 控制策略对于线性系统能
够达到较好的控制效果，但很难对具有强非线性的
系统达到精确控制。因此需要设计一种具有快速响
应的非线性控制策略来达到较好控制。
目前广泛应用的非线性控制方法有自适应控
制、神经网络控制、模糊控制、滑模变结构控制等。
关键词：空间微重力 地面试验系统 神经网络控制 滑膜控制
中图分类号：TH137.5
Design of Ground Simulation Test System for Three-dimensional Spatial Microgravity Environment
QI Naiming1 ZHANG Wenhui1 GAO Jiuzhou1 MA Jing1, 2
ks )][mr s2 + (cd + cr )s + (ks + kr )] − [mr s2 + (cr + cs )s + ks + kr ]
则通过动力学模型可得
x3(s) / Fc (s) = γ 3(s) /α (s)
(1)
x2 (s) / Fc (s) = γ 2 (s) /α (s)
(2)
吊丝悬挂式的原理为：利用吊丝把飞行器悬挂
* 中国航天科技联合创新基金资助项目(CASC-HIT09C01)。20100728 收到初稿，20101215 收到修改稿
起来，使吊丝的拉力等于重力，吊丝连接滚轮或电 动机，滚轮与电动机安放在精密导轨上，导轨的路 径应与飞行器的运动轨迹吻合。该方式成本低，试 验时间不受限制，能够完成三维空间动作，但缺点 为若飞行器运行轨迹复杂，则必然要求导轨轨迹复 杂且加工精度高，吊丝的晃动也将严重影响其零重 力模拟精度。卡耐基梅隆大学针对空间机器人 SM2 的地面零重力模拟试验即采用该方案[3]。
Fs (s) = ks[x2 (s) − x3(s)]
(3)
将式(1)、(2)代入式(3)可得
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机械工程学报
第 47 卷第 9 期期
Fs (s) / Fc (s) = ks (mr s2 + crs + kr )(cd s + kd ) /α (s) (4)
2 神经网络的等效滑模控制器设计
对于空间微重力环境地面模拟装置来说，需要
图 2 试验装置与接触试件的动力学模型
令 md 为装置中传动系统的总质量， ms 为拉压 传感器质量，mr 为所试验的目标试件质量，kd 、ks 及 kr 为各自的相应刚度，cd 、cs 及 cr 为各自的相应
阻尼，同时令
γ 3(s) = (crs + kr )(css + ks )
γ 2 (s) = (cd s + kd )(mrs2 + (cs + cr )s + ks + kr ) α (s) = (md s2 + cd s + kd )[md s + (cd + cs )s + (kd +
(1. School of Asteronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001; 2. College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150001)
水浮式的原理为：将飞行器进行防水后与飘浮 器连接起来一起放入水中，通过调整飘浮器的浮力 使其等于飞行器的重力。该方式试验时间不受限制， 能够完成三维空间动作，但水流及阻力对精度造成
月 2011 年 5 月
齐乃明等：三维空间微重力地面模拟试验系统设计
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了一定影响，而且成本及后期维护费用很高。马里 兰大学的 Ranger 系统即采用该方案[4]。