基于FCMAC的空间零重力环境地面模拟装置控制

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1、第28卷第1期航天器环境工程201Ifl2』lSf’ACFCRAFTENVIRONMENTENGINEERING3I基于FCMAC的空间零重力环境地面模拟装置控制齐乃明1，张文辉1，高九州1，马静2(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：文章提出了一种新型的空间零重力地面模拟系统，该系统采用机械传动、电机驱动和气悬浮组合的方式来实现空间零重力环境的模拟，即：水平方向采用气悬浮方式，竖直方向采用永磁同步电机(PMSM)作为其执行器件，经减速器后利用滚珠丝杠及带直线轴承的导向杆的传动装

2、置，通过力反馈控制方式来实时抵消目标重力。考虑到永磁同步电机具有非线陛、强耦合的特点以及机械摩擦等不确定性及外界干扰，为保证实时性，内环采用动态性较好的滑模变结构控制器，外环采用学习速度快的模糊小脑模型关联控制(FCMAC)神经网络的控制策略来自适应学习并补偿各种不确定及非线性影响．仿真结果表明：所设计的试验系统具有整体重量轻、使用方便及零重力环境犊拟精度高等优点，适用于复杂运动的大中型飞行器三维空间零重力地面模拟试验．关键词：零重力；地面模拟系统；模糊神经网络：变结构控制中图分类号：TP273；V416．8文献标识码：A文章编号：1673-

3、1379(2011)01-0031-05DoI：10．3969巧．issn．1673—1379．2011．OI．006O引言通过零重力环境地面模拟装置来验证空间机器人的性能已成为经济有效的手段。目前模拟太空零重力环境的方式主要利lJ：自由落体运动法，悬吊法，水浮法和气浮法。1)自由落体运动法是在高空或者近真空的落塔上令试验目标物做平抛运动(例如德国著名的不莱梅落塔)，其缺点是造价昂贵、试验时间短。日本NAsDA曾在零重力试验室进行过此类研刭21。2)悬吊法是通过吊丝的垂直拉力来平衡机器人自身重力。该方法系统复杂，吊丝易倾斜晃动，重力补偿精度不

4、高。美国卡耐基·梅隆大学研制的SM2地面试验系纠31采用此方法。3)水浮法是指利用水的浮力来平衡机械臂自身的重力。该方案易受水阻力和紊流影响，且要求试验期间的密封性非常好，成本非常高。美国马里兰大学研制的Ranger试验系统【4】采用此方法。4)气浮法是利用喷气悬浮力抵消飞行器重力，具有结构简单、承载能力大、建造周期短、费用低、易于实现、零重力模拟精度高等优点，是应用最广的方法。目前加拿大公司所开发的地面实验系统、美国斯坦福大学建造的自由飞行空间机器人系统【5】以及哈尔滨工业大学为中国空间技术研究院研制的多套空间机器人地面模拟系统采用的均是气

5、浮方法。飞行器运动姿态复杂，而现有的气浮法只能在水平面上进行二维仿真试验，已不能满足飞行器运动地面模拟试验的需要。文献[6】提出了一种仅用于微型机器人的气浮与气缸结合的方式，但该方案忽略了气源压力不稳及气缸本身很重的因素，大的附加重量会对空间机器人的性能测试精度产生影响，另外其采用的神经网络算法需要大量样本学习，这些都影响了工程应用价值。本文针对以上方案的不足，研制了一种新型的三维空间零重力模拟装置。仿真结果表明该装置具有较高模拟精度和工程价值。l三维空间零重力地面模拟试验系统1．1结构设计由于复杂的三维空间运动均可以分解为水平和竖直两个方向

6、的运动，因此三维空间零重力环境收稿日期：2010．11．02；修回日期：2011．01．20基金项目：中国航天科技集团创新基金资助项目(项目编号：CAST2009C01)作者简介：齐乃明(1962一)，男，博士生导师，教授，从事空间环境模拟试验的研究：张丈辉(198旺)，男，博士研究生，从事神经网络控制及空间环境模拟试验的研究。32航天器环境工程第28卷地面模拟试验系统的结构主要包括水平和竖直两大部分(如图l所示)。该系统水平部分采用气足组件，利用气动压使整个设备悬浮于平台上。竖直方向主要由一套电机驱动系统及机械传动系统组成，并通过工作台面处

7、的压力传感器形成一个恒力伺服系统。试验系统主要工作原理为：气足组件为整个直推式三维升降设备提供悬浮气动力：电机接收控制器的控制信号并带动丝杠进行旋转，进而推动螺母竖直升降；导向杆与直线轴承完成微重力模拟装置的竖直导向功能，支撑杆将传感器支撑板与螺母托板固连，实现传感器支撑板与螺母托板的共同竖直升降；压力传感器用于测量压力信息，通过压力反馈实现零重力环境的模拟监测。上述各机械传动部件均可采用标准件，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。压力传感嚣●一．／‘传感器支撑板／／导杆上撑环／滚珠丝杠＼支撑杆、螺母托板＼轴承套—

8、‘直线轴承—一导向杆、气足托板气足电机’制动器图l三维空间地面模拟试验设备结构图Fig．1Suucturediagramofspatialmicrogravitys