空間結構的大范圍高精度二維伺服跟蹤系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及空間結構的大范圍高精度二維伺服跟蹤系統，屬于空間結構微低重力模擬技術領域。
【背景技術】
[0002]開展深空探測對提高一個國家在國際上的威望以及維護其在國際外太空事物中的權益具有巨大政治意義，同時也可促進國家科技的發展。空間結構在發射前需要在地面進行運動試驗，而空間結構的設計工作環境多為微低重力環境，因此需要一套微低重力模擬系統以滿足空間結構微低重力模擬試驗的需要。目前，常用的微低重力模擬方式包括懸吊式、氣浮式、落塔式和水浮式等方法，其中懸吊式更適用于長期且多維的微低重力模擬系統。懸吊式微低重力模擬系統通常由一套恒拉力系統和一套二維跟蹤系統所組成。恒拉力系統通過繩索吊拉目標空間結構，從而抵消其一部分重量實現微低重力的模擬。二維跟蹤系統對目標空間結構進行水平面內的二維伺服跟蹤，以保證吊索的鉛垂。
[0003]目前，大范圍的二維跟蹤系統多采用二維天車來實現。二維天車具有行程大和承載大等優點，但其重量大且控制響應慢等缺點使其很難實現快響應且高精度的伺服跟蹤控制。二維跟蹤平臺能夠實現快響應且高精度的伺服跟蹤控制，但是其運動行程很難滿足大范圍運動的行程要求。
【發明內容】
[0004]本發明目的是為了解決現有空間結構的跟蹤系統不能同時實現大行程且高精度的模擬跟蹤的問題，提供了一種空間結構的大范圍高精度二維伺服跟蹤系統。
[0005]本發明所述空間結構的大范圍高精度二維伺服跟蹤系統，它包括二維運動天車和二維跟蹤平臺，它還包括CCD測量相機、測量標志器和地面測控臺；二維運動天車包括天車X向運動系統和天車Y向運動系統，二維跟蹤平臺包括X向跟蹤平臺和Y向跟蹤平臺；
[0006]二維運動天車的橫梁作為天車Y向運動系統，天車X向運動系統通過導軌安裝在天車Y向運動系統的下表面上；二維跟蹤平臺連接在天車X向運動系統上，并且二維跟蹤平臺上的X軸導軌滑動連接X向跟蹤平臺，二維跟蹤平臺上的Y軸導軌滑動連接Y向跟蹤平臺；天車Y向運動系統、天車X向運動系統、Y向跟蹤平臺和X向跟蹤平臺由上至下依次對應布置；
[0007]X向跟蹤平臺在對應于待跟蹤空間結構的一側固定CCD測量相機，測量標志器固定在待跟蹤空間結構上，
[0008]CXD測量相機用于采集測量標志器的位置圖像，CXD測量相機的圖像信號傳輸給地面測控臺；
[0009]地面測控臺根據接收的圖像信號計算獲得當前二維跟蹤平臺與待跟蹤空間結構之間的相對位置信息;地面測控臺的測控計算機根據相對位置信息通過模糊控制驅動天車X向運動系統和天車Y向運動系統運動;地面測控臺的測控計算機根據相對位置信息通過比例微分控制驅動X向跟蹤平臺和Y向跟蹤平臺運動。
[0010]測量標志器由多個紅外LED光源、鋰電池和鋁制框架組成，鋁制框架固定在待跟蹤空間結構上，多個紅外LED光源固定在鋁制框架上，多個紅外LED光源由鋰電池供電。
[0011]本發明的優點:本發明將大范圍運動天車和二維跟蹤平臺結合形成兩級伺服控制方案，通過CCD相機對空間結構進行非接觸測量得到相對位置信息，再分別通過模糊控制和比例微分控制產生控制信號驅動天車及跟蹤平臺運動，實現對目標空間結構的大范圍高精度二維伺服跟蹤，從而配合恒拉力系統實現空間結構的地面微低重力模擬。本發明涉及了視覺測量技術及位置伺服控制技術。將大范圍運動天車和高精度跟蹤平臺有機的結合起來，天車采用模糊控制方法實現大范圍但低精度的控制，跟蹤平臺在天車粗控的基礎上采用比例微分控制實現高精度高響應的跟蹤控制，從而實現對目標空間結構的大范圍高精度二維伺服跟蹤。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明所述空間結構的大范圍高精度二維伺服跟蹤系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0013]【具體實施方式】一:下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述空間結構的大范圍高精度二維伺服跟蹤系統，它包括二維運動天車和二維跟蹤平臺，它還包括CCD測量相機
1、測量標志器2和地面測控臺3; 二維運動天車包括天車X向運動系統4和天車Y向運動系統5，二維跟蹤平臺包括X向跟蹤平臺6和Y向跟蹤平臺7;
[0014]二維運動天車的橫梁作為天車Y向運動系統5，天車X向運動系統4通過導軌安裝在天車Y向運動系統5的下表面上；二維跟蹤平臺連接在天車X向運動系統4上，并且二維跟蹤平臺上的X軸導軌滑動連接X向跟蹤平臺6，二維跟蹤平臺上的Y軸導軌滑動連接Y向跟蹤平臺7;天車Y向運動系統5、天車X向運動系統4、Y向跟蹤平臺7和X向跟蹤平臺6由上至下依次對應布置；
[0015]X向跟蹤平臺6在對應于待跟蹤空間結構8的一側固定CXD測量相機I，測量標志器2固定在待跟蹤空間結構8上，
[0016]CXD測量相機I用于采集測量標志器2的位置圖像，CXD測量相機I的圖像信號傳輸給地面測控臺3;
[0017]地面測控臺3根據接收的圖像信號計算獲得當前二維跟蹤平臺與待跟蹤空間結構8之間的相對位置信息;地面測控臺3的測控計算機根據相對位置信息通過模糊控制驅動天車X向運動系統4和天車Y向運動系統5運動，實現大范圍、低精度的伺服跟蹤控制;地面測控臺3的測控計算機根據相對位置信息通過比例微分控制驅動X向跟蹤平臺6和Y向跟蹤平臺7運動，實現小范圍、高精度且高響應速度的伺服跟蹤控制。
[0018]測量標志器2由多個紅外LED光源、鋰電池和鋁制框架組成，鋁制框架固定在待跟蹤空間結構8上，多個紅外LED光源固定在鋁制框架上，多個紅外LED光源由鋰電池供電。
[0019]多個紅外LED光源相對空間結構質心的相對位置關系需要通過專用設備精確標定。
[0020]CCD測量相機I拍照獲得的圖像通過千兆網傳輸到地面測控臺中的測控計算機。測控計算機對圖像進行特征提取，再結合已標定得出的測量標志器2中LED光源相對空間結構質心的相對位置關系，解算出跟蹤平臺相對空間結構的相對位置關系。天車Y向運動系統5由于跨度較大，可采用雙電機同步控制實現，驅動方式為齒輪齒條驅動。天車X向運動系統4安裝在天車Y向運動系統5上，可采用單電機產生動力，驅動方式為齒輪齒條驅動。Y向跟蹤平臺7安裝在天車X向運動系統4下，采用交流伺服電機進行精確控制，驅動方式為滾珠絲杠驅動，直線導軌配合直線軸承進行導向。X向跟蹤平臺6安裝在Y向跟蹤平臺7下，采用交流伺服電機進行精確控制，驅動方式為滾珠絲杠驅動，直線導軌配合直線軸承進行導向。
[0021]本發明中，地面測控臺根據CCD相機所采集的圖像，解算得出跟蹤平臺與目標空間結構之間的相對位置信息，用做伺服跟蹤控制的測量信息，二維跟蹤平臺安裝在二維運動天車上。本發明用于與恒拉力系統配合實現空間結構的地面微低重力模擬。
[0022]在航天領域中，空間結構在發射前需要進行地面試驗，以提高任務的成功概率。而空間結構的設計工作環境多為微低重力環境，因此需要一套微低重力模擬系統以滿足空間結構微低重力模擬試驗的需要。目前，經常采用的伺服懸吊微低重力模擬方式中多只采用一套二維跟蹤系統，很難兼顧大范圍且高精度的跟蹤要求。本發明針對以上問題，提出一種結合大范圍運動天車和高精度跟蹤平臺的大范圍高精度二維伺服跟蹤系統，相對于伺服天車方式提高了跟蹤精度及響應速度，相對于跟蹤平臺方式增大了跟蹤范圍。
【主權項】
1.一種空間結構的大范圍高精度二維伺服跟蹤系統，它包括二維運動天車和二維跟蹤平臺，其特征在于，它還包括CCD測量相機(I)、測量標志器(2)和地面測控臺(3);二維運動天車包括天車X向運動系統(4)和天車Y向運動系統(5)，二維跟蹤平臺包括X向跟蹤平臺(6)和Y向跟蹤平臺(7); 二維運動天車的橫梁作為天車Y向運動系統(5)，天車X向運動系統(4)通過導軌安裝在天車Y向運動系統(5)的下表面上；二維跟蹤平臺連接在天車X向運動系統(4)上，并且二維跟蹤平臺上的X軸導軌滑動連接X向跟蹤平臺(6)，二維跟蹤平臺上的Y軸導軌滑動連接Y向跟蹤平臺(7);天車Y向運動系統(5)、天車X向運動系統(4)、Y向跟蹤平臺(7)和X向跟蹤平臺(6)由上至下依次對應布置； X向跟蹤平臺(6)在對應于待跟蹤空間結構(8)的一側固定CCD測量相機(I)，測量標志器(2)固定在待跟蹤空間結構(8)上， CCD測量相機(I)用于采集測量標志器(2)的位置圖像，CCD測量相機(I)的圖像信號傳輸給地面測控臺(3); 地面測控臺(3)根據接收的圖像信號計算獲得當前二維跟蹤平臺與待跟蹤空間結構(8)之間的相對位置信息;地面測控臺(3)的測控計算機根據相對位置信息通過模糊控制驅動天車X向運動系統(4)和天車Y向運動系統(5)運動;地面測控臺(3)的測控計算機根據相對位置信息通過比例微分控制驅動X向跟蹤平臺(6)和Y向跟蹤平臺(7)運動。2.根據權利要求1所述的空間結構的大范圍高精度二維伺服跟蹤系統，其特征在于，測量標志器(2)由多個紅外LED光源、鋰電池和鋁制框架組成，鋁制框架固定在待跟蹤空間結構(8)上，多個紅外LED光源固定在鋁制框架上，多個紅外LED光源由鋰電池供電。
【專利摘要】空間結構的大范圍高精度二維伺服跟蹤系統，屬于空間結構微低重力模擬技術領域。本發明是為了解決現有空間結構的跟蹤系統不能同時實現大行程且高精度的模擬跟蹤的問題。二維運動天車的橫梁作為天車Y向運動系統，天車X向運動系統通過導軌安裝在天車Y向運動系統的下表面上；二維跟蹤平臺連接在天車X向運動系統上，并且二維跟蹤平臺上的X軸導軌滑動連接X向跟蹤平臺，二維跟蹤平臺上的Y軸導軌滑動連接Y向跟蹤平臺；天車Y向運動系統、天車X向運動系統、Y向跟蹤平臺和X向跟蹤平臺由上至下依次對應布置；X向跟蹤平臺在對應于待跟蹤空間結構的一側固定CCD測量相機，測量標志器固定在待跟蹤空間結構上。本發明用于空間結構的二維伺服跟蹤。
【IPC分類】G05D3/12
【公開號】CN105676883
【申請號】CN201610182780
【發明人】霍明英, 齊乃明, 劉延芳, 周啟航, 孫啟龍, 林海奇
【申請人】哈爾濱工業大學
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年3月28日