一種無臍帶線的微重力主動減振裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無臍帶線的微重力主動減振裝置及方法，所述裝置包括浮子和定子，浮子用于安裝實驗載荷，且浮子上有浮子電源和與浮子傳輸控制器，浮子電源連接載荷電源接口，浮子傳輸控制器連接載荷通信接口，所述定子上有定子電源、定子主控制器、位移傳感器和激勵器，定子電源連接定子主控制器，定子主控制器分別連接位移傳感器和激勵器，浮子上還安裝有可充電電池，用于為浮子電源和載荷電源接口供電，且浮子傳輸控制器基于無線方式與定子主控制器相互通信。所述方法中利用可充電電池為浮子和載荷供電，用緩存方式或無線通訊方式進行定子與浮子間的通信。由于沒有臍帶線，本發(fā)明可以用更好的控制策略和參數(shù)，在本質(zhì)上提升減振效果。
【專利說明】—種無臍帶線的微重力主動減振裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空間微重力【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種無臍帶線的微重力主動減振裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]生命科學(xué)、流體物理、材料科學(xué)以及基礎(chǔ)物理等空間微重力科學(xué)實驗對微重力環(huán)境有較高要求，然而科學(xué)實驗載荷會受到空間飛行器上的各種擾動作用力(例如姿/軌控發(fā)動機動作、設(shè)備和有效載荷動作、宇航員活動、泵、風(fēng)扇、離心機等儀器設(shè)備的振動)的影響，微重力水平并不理想。
[0003]因此，為了抑制在衛(wèi)星和飛船上的一些振動，達到更高的微重力水平，在國際上，普遍采用減振技術(shù)。按照機理可以分為被動減振和主動減振兩種。被動減振主要依靠各類阻尼器件(如彈簧、橡膠等)進行減振，裝置結(jié)構(gòu)簡單，減振效果好；但在裝置的固有頻率點，反而會增大振動。主動減振是在振動控制過程中，根據(jù)傳感器檢測到的載荷振動，應(yīng)用一定的控制策略，經(jīng)過實時計算，驅(qū)動致動器對載荷施加一定的力或力矩，以抑制載荷振動，達到低頻振動隔離的目的。國外已有的整柜級微重力主動減振裝置采用的是接觸式主動減振，如美國NASA的ARIS，而載荷級微重力主動減振裝置通常采用非接觸式主動減振，如STABLE、MM、g-UMIT、MVIS等，我國也已經(jīng)研制了主動減振樣機，并準備在后續(xù)載人航天任務(wù)中驗證。下面介紹幾種現(xiàn)有技術(shù)中的常用減振方案。
[0004]I) PaRIS
[0005]PaRIS被動減振系統(tǒng)由NASA和Boeing公司聯(lián)合開發(fā)，依靠空氣阻尼彈簧減振器實現(xiàn)振動隔離，不需要電子學(xué)與控制系統(tǒng)，主要用于消減IHz以上的振動，對極低頻的振動抑制不明顯。而且由于被動減振裝置也有自身的固有頻率，所以在某些頻段還容易引起共振。
[0006]2) ARIS
[0007]ARIS是NASA和Boeing公司聯(lián)合開發(fā)研制的整柜級主動減振裝置，能控制低至
0.0lHz的振動，高頻段減振性能和PaRIS類似，ISS內(nèi)美國實驗室位置上的7個ISPR機柜采用ARIS主動減振裝置，3個采用PaRIS被動減振裝置。ARIS的主要部件包括8個接觸式激勵器，I個控制器，I個電源驅(qū)動器，3個微電子單元，3個三軸加速度計。通過加速度計感應(yīng)外部的振動，并通過濾波器把數(shù)據(jù)傳給控制器，控制器啟動激勵器來抵消外部的振動。
[0008]3) MM-MVIS 系列
[0009]MM系列是加拿大空間局開發(fā)的載荷級主動減振裝置。MM系列振動隔離裝置安裝在EXPRESS和EDR機柜中，用于有效載荷局部減振，其減振原理與ARIS接近，也是采用8個懸浮式激勵器實現(xiàn)對載荷的6自由度冗余控制，由于系統(tǒng)總體尺寸相對較小，對于加速度測量環(huán)節(jié)進行了簡化。從90年代開始，加拿大研制開發(fā)了四代MIM系列產(chǎn)品。第一代MIM和第二代MIM-2分別在和平號空間站和航天飛機進行試驗飛行，取得了良好的減振效果。第三代MVIS是專為歐洲的哥倫布艙中的流體物理實驗室設(shè)計的較大型振動隔離設(shè)備，包括8個懸浮執(zhí)行組件,3個加速度計組件,4個PSD(Position Sensitive Detector,位置敏感探測器)組件，4個緩沖器等組件組成，第四代MIM BU利用兩級浮子結(jié)構(gòu)改進減振與激振性能。
[0010]4 ) g-LIMIN 和 STABLE
[0011]g-LIMIT和STABLE均屬于單元級主動減振裝置，g-LIMIT應(yīng)用于微重力科學(xué)手套箱(MSG)內(nèi)小型實驗設(shè)備及樣品的減振。g-LIMIT由NASA的MSFC研制，其內(nèi)部激勵器為3組懸浮式雙向驅(qū)動洛倫茲力音圈激勵器，使浮子平臺對外界擾動進行6自由度的主動振動隔離。STABLE由MSFC與波音公司聯(lián)合研制，在航天飛機上進行了試驗飛行。
[0012]5)空間應(yīng)用中心的MAIS系統(tǒng)
[0013]空間科學(xué)與應(yīng)用總體部從2006年開始研發(fā)高微重力主動減振裝置。目前已經(jīng)攻克了空間高精度微重力測量技術(shù)、空間主動控制技術(shù)、洛倫茲力激勵技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，并設(shè)計了基于氣墊懸浮原理的主動減振地面測試系統(tǒng)，對高微重力主動減振裝置原理樣機進行各項性能測試。
[0014]綜上來看，目前國內(nèi)外的高微重力主動減振技術(shù)采用的方法大致相同，都是基于非接觸式電磁力作為執(zhí)行器，加速度計作為傳感器，控制方法以PID算法為主，魯棒控制和自適應(yīng)控制備選。如圖1所示，這些系統(tǒng)雖能夠達到很好的減振效果，但都由浮子I和定子2兩部分組成，定子是隔振系統(tǒng)的支撐單元，而浮子是實驗載荷3的支撐單元，浮子I和定子2之間通過臍帶線4相連，系統(tǒng)通過安裝在浮子上的加速度計測量浮子加速度，通過安裝在浮子和定子上的激勵器5提供作用力。浮子和定子非接觸式連接，唯一振動傳遞通道是“臍帶線”，用來提供浮子的供電和通信。系統(tǒng)通過洛倫茲力控制浮子加速度，并保持其不與定子碰撞?？刂圃砣鐖D2所示:定子加速度、浮子加速度、相對位移的數(shù)據(jù)采集后送到定子主控制器；定子主控制器通過控制算法，計算輸出力，驅(qū)動電磁激勵器給出反饋力，抵消浮子受到的振動，并保證兩者相對位移在一定范圍內(nèi)。其中浮子加速度值通過浮子傳輸控制器采集后經(jīng)過臍帶線的信號線傳送給定子控制器；浮子電源也通過臍帶線的電源線傳送；浮子上載荷和載荷的通信也通過臍帶線直接和外部接口連接。
[0015]因此，上述方案中浮子的數(shù)據(jù)、電源以及浮子上載荷的數(shù)據(jù)、電源、測控必須通過臍帶線才能提供，臍帶線的數(shù)量達到近20根，且臍帶線的剛度和阻尼都很大，使定子的擾動直接傳遞到浮子。減振主動控制的指標受臍帶線因素的影響很大。首先，在主動減振的動力學(xué)模型，臍帶線的建模非常困難，而且參數(shù)具有時變、非線性等特性，幾乎無法進行參數(shù)辨識；其次，臍帶線的固有特性和安裝點位置偏差都會使系統(tǒng)產(chǎn)生六個自由度耦合，加大了控制的難度；此外，為減小臍帶線影響，必須盡量采用軟線，并減少線數(shù)，給設(shè)計人員帶來很多不便。
[0016]針對上述問題，本發(fā)明提出了一種無臍帶線的微重力主動減振裝置及方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0017]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種無臍帶線的微重力主動減振裝置及方法，用于解決現(xiàn)有空間微重力主動減振技術(shù)中的臍帶線對主動減振控制性能存在較大影響的問題。
[0018]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種無臍帶線的微重力主動減振裝置，包括浮子和定子，所述浮子用于安裝實驗載荷，且所述浮子上有浮子電源和與所述浮子電源連接的浮子傳輸控制器，所述浮子電源連接載荷電源接口，所述浮子傳輸控制器連接載荷通信接口，所述定子上有定子電源、定子主控制器、位移傳感器和激勵器，所述定子電源連接所述定子主控制器，所述定子主控制器分別連接位移傳感器和非接觸式電磁激勵器，所述浮子上還安裝有可充電電池，其與浮子電源和載荷電源接口均相連，用于為浮子電源和載荷電源接口供電；所述浮子傳輸控制器基于無線方式與所述定子主控制器相互通信。
[0019]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進。
[0020]進一步，所述浮子上還設(shè)有與浮子傳輸控制器連接的浮子加速度計，其用于采集浮子加速度信息，并將采集的浮子加速度信息傳輸至浮子傳輸控制器；浮子傳輸控制器通過無線通訊模塊，將浮子加速度信息以無線方式實時地發(fā)送給定子主控制器；所述定子上還設(shè)有與定子主控制器連接的定子加速度計，其用于采集定子加速度信息，并將采集的定子加速度信息傳輸給所述定子主控制器。
[0021 ] 進一步，所述可充電電池上設(shè)有一個位于浮子側(cè)面的第一充電口和/或一個與定子充電口相對的第二充電口:所述第一充電口連接標準化的電源線，用于通過外部向可充電電池充電；所述第二充電口與定子充電口通過可插拔式的接插件連接，用于通過定子向可充電電池充電。
[0022]進一步，所述浮子傳輸控制器是具有數(shù)據(jù)緩存能力的控制器，其用于緩存載荷數(shù)據(jù)，并通過浮子外部通信接口直接輸出緩存數(shù)據(jù)和/或通過定子主控制器輸出緩存數(shù)據(jù)。進一步，所述浮子和所述定子上各自集成有一個分別與浮子傳輸控制器和定子主控制器相連的無線通訊模塊，且所述浮子傳輸控制器和所述定子主控制器通過對應(yīng)的無線通訊模塊實現(xiàn)基于無線方式的相互通信。
[0023]進一步，所述無線通訊模塊采用紅外模塊、Wifi模塊、藍牙模塊和/或射頻模塊。
[0024]對應(yīng)相應(yīng)形式的微重力主動減振裝置，本發(fā)明的技術(shù)方案還包括一種無臍帶線的微重力主動減振方法，具體步驟如下:
[0025]供電步驟:在浮子內(nèi)部設(shè)置可充電電池，使其與浮子電源和載荷電源接口均相連，通過該可充電電池為浮子電源和載荷電源接口供電；
[0026]通信步驟:浮子傳輸控制器以無線方式與定子主控制器相互通信，且浮子傳輸控制器通過載荷通信接口獲取載荷信息，并輸出載荷信息；
[0027]減振步驟:定子主控制器接收定子上的位移傳感器傳輸?shù)奈灰菩畔?，并根?jù)位移信息設(shè)計反饋控制器，計算出相應(yīng)的輸出力，以輸出力驅(qū)動激勵器給出反饋力，通過反饋力抵銷浮子受到的振動。
[0028]進一步，所述通信步驟還包括:設(shè)置浮子加速度計采集浮子加速度信息，并將浮子加速度信息傳輸給浮子傳輸控制器，所述浮子傳輸控制器再通過紅外方式、Wifi方式、藍牙方式和/或射頻方式實時地將浮子加速度信息傳輸給定子主控制器進行處理；設(shè)置定子加速度計采集定子加速度信息，并將定子加速度信息傳輸給定子主控制器；當(dāng)設(shè)置有浮子加速度計和定子加速度計時，所述減振步驟中根據(jù)位移信息、浮子加速度信息和定子加速度信息設(shè)計反饋控制器。
[0029]進一步，所述通信步驟采用以下任意一種或兩種方式輸出載荷信息:
[0030]方式一:先將載荷信息緩存在浮子傳輸控制器中，完成可充電電池和定子電源的充電后，通過浮子外部通信接口輸出載荷信息；
[0031]方式二:先將緩存的載荷數(shù)據(jù)傳給所述定子主控制器，再由定子控制器輸出。
[0032]進一步，所述反饋控制器采用PID控制器、魯棒控制器、最優(yōu)控制器、自適應(yīng)控制器、自抗擾控制器、無源控制器或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。
[0033]本發(fā)明的有益效果是:臍帶線使系統(tǒng)產(chǎn)生耦合、非線性、時變等特性，給控制系統(tǒng)建模和控制器設(shè)計帶來了很大困難。本發(fā)明不采用任何臍帶線，利用可充電電池為浮子和載荷供電，利用緩存方式或無線通信方式進行定子與浮子間的通信，并且因為取消了臍帶線，可以用不同的反饋控制器，并選取較小的控制參數(shù)實現(xiàn)更好的減振效果，從而為科學(xué)實驗提供更好的微重力實驗環(huán)境。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1為現(xiàn)有微重力主動減振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖2為現(xiàn)有微重力王動減振系統(tǒng)的原理不意圖；
[0036]圖3為本發(fā)明實施例一的微重力主動減振裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖4為本發(fā)明采用PID控制器計算輸出力的示意圖；
[0038]圖5為本發(fā)明實施例二的微重力主動減振裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖6為本發(fā)明采用雙閉環(huán)控制器計算輸出力的示意圖；
[0040]圖7為有臍帶線和無臍帶線的微重力主動減振裝置的減振效果對比圖。
[0041]附圖中標號的意義如下:
[0042]1、浮子，2、定子，3、實驗載荷，4、臍帶線，5、激勵器。
【具體實施方式】
[0043]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0044]實施例一
[0045]如圖3所示，實施例一給出了一種無臍帶線的微重力主動減振裝置，包括浮子I和定子2，所述浮子用于安裝實驗載荷3，且所述浮子上有浮子電源和與所述浮子電源連接的浮子傳輸控制器，所述浮子電源連接載荷電源接口，所述浮子傳輸控制器連接載荷通信接口，所述定子上有定子電源、定子主控制器、位移傳感器和激勵器，所述定子電源連接所述定子主控制器，所述定子主控制器分別連接位移傳感器和非接觸式電磁激勵器，所述浮子上還安裝有可充電電池，其與浮子電源和載荷電源接口均相連，用于為浮子電源和載荷電源接口供電；且所述浮子傳輸控制器基于緩存的無線方式與所述定子主控制器相互通信。
[0046]另外，所述可充電電池上設(shè)有一個位于浮子側(cè)面的第一充電口和/或一個與定子充電口相對的第二充電口:所述第一充電口連接標準化的機柜電源線，用于通過機柜電源線向可充電電池充電；所述第二充電口與定子充電口通過滑動式接插件連接，用于通過定子向可充電電池充電。
[0047]實施例一中，所述浮子傳輸控制器是具有數(shù)據(jù)緩存能力的控制器，采用具有臨時存儲數(shù)據(jù)功能的DSP芯片、ARM芯片等均可實現(xiàn)，其將載荷數(shù)據(jù)緩存后，通過浮子外部通信接口直接輸出，也可傳輸給定子主控制器，再通過定子主控制器輸出緩存數(shù)據(jù)。所述可充電電池可采用蓄電池，所述定子主控制器采用本領(lǐng)域常用的數(shù)據(jù)處理芯片(DSP、單片機等)即可，定子主控制器還用于采集定子電源、定子溫度等定子自身的遙測數(shù)據(jù)，并將獲得的遙測數(shù)據(jù)發(fā)送到外部，同時也采集外部的指令和遙測數(shù)據(jù)，并發(fā)送給浮子傳輸控制器及浮子上的載荷。同時，為了能測量得到多個維度的位移信息，需采用多個位移傳感器，較優(yōu)的選擇為至少3個。實際應(yīng)用中，所述激勵器采用非接觸式電磁激勵器，其采用永磁鐵和可控電磁線圈組合而成，激勵器數(shù)量為6至8個，優(yōu)選為大于6個。
[0048]對應(yīng)該微重力主動減振裝置，其進行微重力主動減振主要涉及以下三個步驟，需注意以下三個步驟各自完成微重力主動減振中涉及的不同事項，在步驟實現(xiàn)上不存在一定的邏輯次序。
[0049]供電步驟Al:在浮子內(nèi)部設(shè)置可充電電池，使其與浮子電源和載荷電源接口均相連，通過該可充電電池為浮子電源和載荷電源接口供電；
[0050]通信步驟B1:浮子傳輸控制器通過載荷通信接口獲取載荷信息，并輸出載荷信息；
[0051]減振步驟Cl:定子主控制器接收定子上的位移傳感器傳輸?shù)奈灰菩畔?，并根?jù)位移信息設(shè)計反饋控制器，計算出相應(yīng)的輸出力，以輸出力驅(qū)動激勵器給出反饋力，通過反饋力抵銷浮子受到的振動。
[0052]其中，所述通信步驟BI采用基于緩存的無線方式，具體是通過以下任意一種或兩種方式輸出載荷信息:
[0053]方式一:先 將載荷信息緩存在浮子傳輸控制器中，完成可充電電池和定子電源的充電后，通過浮子外部通信接口輸出載荷信息；
[0054]方式二:先將緩存的載荷數(shù)據(jù)傳給所述定子主控制器，再由定子控制器輸出。
[0055]另外，所述反饋控制器采用PID控制器、魯棒控制器、最優(yōu)控制器、自適應(yīng)控制器、自抗擾控制器、無源控制器或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器等，也可采用其他類型的先進控制器。因為本實施例的微重力主動減振裝置無臍帶線，其構(gòu)建的系統(tǒng)模型和參數(shù)固定，所以采用先進控制器的參數(shù)易于通過仿真選取。
[0056]下面以PID控制器為例，說明計算出相應(yīng)輸出力的原理。如圖4所示，采用“位移”PID控制器，具體方法包括以下幾點:
[0057]I)不需采集加速度計的信號。
[0058]2)實時采集位移傳感器信號，換算成6維位移信號\(s)，送入設(shè)置的采用PID控制的位置控制器。
[0059]3)輸出力采用下列公式進行計算，其中kd\kp\ki為控制器參數(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種無臍帶線的微重力主動減振裝置，包括浮子和定子； 所述浮子用于安裝實驗載荷，且所述浮子上有浮子電源和與所述浮子電源連接的浮子傳輸控制器，所述浮子傳輸控制器連接載荷通信接口 ； 所述定子上有定子電源、定子主控制器、位移傳感器和激勵器，所述定子電源連接所述定子主控制器，所述定子主控制器分別連接位移傳感器和非接觸式電磁激勵器； 其特征在于，所述浮子上還安裝有可充電電池，其與浮子電源和載荷電源接口均相連，用于為浮子電源和載荷電源接口供電；且所述浮子傳輸控制器基于無線方式與所述定子主控制器相互通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微重力主動減振裝置，其特征在于，所述浮子上還設(shè)有與浮子傳輸控制器連接的浮子加速度計，其用于采集浮子加速度信息，并將采集的浮子加速度信息傳輸至浮子傳輸控制器，浮子傳輸控制器通過無線通訊模塊，將浮子加速度信息以無線方式實時地發(fā)送給定子主控制器；所述定子上還設(shè)有與定子主控制器連接的定子加速度計，其用于采集定子加速度信息，并將采集的定子加速度信息傳輸給所述定子主控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微重力主動減振裝置，其特征在于，所述可充電電池上設(shè)有一個位于浮子側(cè)面的第一充電口和/或一個與定子充電口相對的第二充電口:所述第一充電口連接標準化的電源線，用于通過外部向可充電電池充電；所述第二充電口與定子充電口通過可插拔式的接插件連接，用于通過定子向可充電電池充電。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微重力減振裝置，其特征在于，所述浮子傳輸控制器是具有數(shù)據(jù)緩存能力的控制器，其用于緩存載荷數(shù)據(jù)，并通過浮子外部通信接口直接輸出緩存數(shù)據(jù)和/或通過定子主控制器輸出緩存數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微重力主動減振裝置，其特征在于，所述浮子和所述定子上各自集成有一個分別與浮子傳輸控制器和定子主控制器相連的無線通訊模塊，且所述浮子傳輸控制器和所述定子主控 制器通過對應(yīng)的無線通訊模塊實現(xiàn)基于無線方式的相互通信。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微重力主動減振裝置，其特征在于，所述無線通訊模塊采用紅外模塊、Wifi模塊、藍牙模塊和/或射頻模塊。
7.一種無臍帶線的微重力主動減振方法，其特征在于，包括: 供電步驟:在浮子內(nèi)部設(shè)置可充電電池，使其與浮子電源和載荷電源接口均相連，通過該可充電電池為浮子電源和載荷電源接口供電； 通信步驟:浮子傳輸控制器以無線方式與定子主控制器相互通信，且浮子傳輸控制器通過載荷通信接口獲取載荷信息，并輸出載荷信息； 減振步驟:定子主控制器接收定子上的位移傳感器傳輸?shù)奈灰菩畔ⅲ⒏鶕?jù)位移信息設(shè)計反饋控制器，計算出相應(yīng)的輸出力，以輸出力驅(qū)動激勵器給出反饋力，通過反饋力抵銷浮子受到的振動。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微重力主動減振方法，其特征在于，所述通信步驟還包括:設(shè)置浮子加速度計采集浮子加速度信息，并將浮子加速度信息傳輸給浮子傳輸控制器，所述浮子傳輸控制器再通過紅外方式、Wifi方式、藍牙方式和/或射頻方式實時地將浮子加速度信息傳輸給定子主控制器進行處理；設(shè)置定子加速度計采集定子加速度信息，并將定子加速度信息傳輸給定子主控制器； 當(dāng)設(shè)置有浮子加速度計和定子加速度計時，所述減振步驟中根據(jù)位移信息、浮子加速度信息和定子加速度信息設(shè)計反饋控制器。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的微重力主動減振方法，其特征在于，所述通信步驟采用以下任意一種或兩種方式輸出載荷信息: 方式一:先將載荷信息緩存在浮子傳輸控制器中，完成可充電電池和定子電源的充電后，通過浮子外部通信接口輸出載荷信息； 方式二:先將緩存的載荷數(shù)據(jù)傳給所述定子主控制器，再由定子控制器輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的微重力主動減振方法，其特征在于，所述反饋控制器采用PID控制器、魯棒控制器、最優(yōu)控制器、自適應(yīng)控制器、自抗擾控制器、無源控制器或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控 制器。
【文檔編號】G08C17/02GK103761852SQ201410034050
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】董文博, 呂世猛, 高玉娥, 宋伶才, 于夢溪, 任維佳, 李宗峰, 劉偉 申請人:中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心