详情

原文传递一种悬吊式微重力模拟装置及控制方法

专利名称：	一种悬吊式微重力模拟装置及控制方法
摘要：	一种悬吊式微重力模拟装置及控制方法。它涉及视觉位姿测量。它解决了随动偏差导致吊丝在水平方向产生一干扰力矩，破坏微重力模拟的力学环境的问题。本发明的装置由支撑旋转模块、臂上模块和吊点模块组成，支撑旋转模块与臂上模块连接，臂上模块中的吊索与吊点模块中的轻质铝盘连接；方法以吊点位置偏移、吊丝倾角以及吊丝拉力作为输入计算旋转和平移的位置与速度控制参数，并对位置与速度实时反馈，实现吊点径向及旋转跟踪。本发明保证空间任务地面模拟的真实性、稳定性以及可靠性的优点。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	黑龙江;23
申请人：	哈尔滨工业大学
发明人：	金野;刘鹏;朱海龙;刘家锋;赵巍;唐降龙
专利状态：	有效
申请日期：	2018-12-25T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-07T00:00:00+0800
申请号：	CN201811591377.3
公开号：	CN109720609A
代理机构：	哈尔滨市文洋专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	王艳萍
分类号：	B64G7/00(2006.01);B;B64;B64G;B64G7
申请人地址：	150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号
主权项：	1.一种悬吊式微重力模拟装置，它由支撑旋转模块1、臂上模块2和吊点模块3组成，其特征在于：支撑旋转模块与臂上模块2连接，臂上模块2中的吊索2-6与吊点模块3中的轻质铝盘3-1连接；所述的支撑旋转模块由支撑立柱1-1、旋转臂驱动电机1-2和圆光栅测角1-3组成，旋转臂驱动电机1-2设在支撑立柱1-1的上部，圆光栅测角1-3设在支撑立柱1-1的上端，旋转臂驱动电机1-2与臂上模块的导轨台2-1连接，所述的臂上模块由导轨台2-1、平移车2-2、视觉传感器2-3、激光测距仪2-4、倾角传感器2-5、吊索2-6、直线运动驱动电机2-7、直线位移光栅尺2-8、工控机2-9和电源2-10组成，平移车2-2设在导轨台2-1上，视觉传感器2-3、激光测距仪2-4、倾角传感器2-5、吊索2-6、直线运动驱动电机2-7、直线运动光栅尺2-8、工控机2-9和电源2-10均设在平移车2-2上；所述的吊点模块由轻质铝盘3-1、LED激光光源3-2、变送器3-3、无线模块3-4、电源3-5、吊索拉力传感器3-6和C形吊架3-7组成；多个LED激光光源3-2均匀设在轻质铝盘3-1的圆周上方，变送器3-3、无线模块3-4和电源3-5设在轻质铝盘3-1下面，轻质铝盘3-1的圆心处开有孔与吊索2-6连接，吊索拉力传感器3-6设在轻质铝盘3-1和C形吊架3-7之间。 2.根据权利要求1所述的一种悬吊式微重力模拟装置，其特征在于：所述的平移车2-2上分别设置25mm和50mm相机2-3以及两台同型号的激光测距仪2-4。 3.根据权利要求1所述的一种悬吊式微重力模拟装置，其特征在于：所述的相机采用3.69um像元30mm。测量误差小于0.5mm，典型值在0.1-0.3mm，像元分辨率1mm，直线拟合亚像素分辨率可达0.5mm。 4.根据权利要求1所述的一种悬吊式微重力模拟装置，其特征在于：所述的激光测距仪2-4采用200mW功率的780nm红外光源，保证恶劣环境下的光线穿透能力。 5.根据权利要求1所述的一种悬吊式微重力模拟装置，其特征在于：所述的多个LED激光光源向吊点中央打出放射状光线，光线宽度1mm，长度120mm。 6.权利要求1一种悬吊式微重力模拟装置的控制方法为：以吊点位置偏移、吊丝倾角以及吊丝拉力作为输入计算旋转和平移的位置与速度控制参数，并对位置与速度实时反馈，实现吊点径向及旋转跟踪。 7.根据权利要求6所述的一种悬吊式微重力模拟装置的控制方法，其特征在于：所述的视觉控制方式，通过计算，完成信息从图像空间向笛卡尔空间的转化，预先对摄像机参数进行标定，平随动系统包括两个方向，平移运动和旋转运动，两个方向各自己独立，结构基本相同。平移运动系统采用直流电机减速器驱动，直流电机在电枢电流的作用下产生输出力矩，通过减速器驱动同步驱动带动行走小车运动，行走小车采用滑动导轨，传动机构减速比大，忽略传动机构刚度的影响，此机构可简化为一个惯量—阻尼系统，如附图3所示，其中T为电机电磁力矩、为电机转子转动角速度、L为行走小车移动位移、M为行走小车质量、TL为摩擦阻力矩、传动比i、大齿轮分度圆直径d； a)回路方程：设电动机电枢电感为La，回路电阻为Ra，电枢电压为U，电枢电流为Ia，反电动势为E，可得电机电枢回路方程：反电动势：式中，Ce为反电动势常数，为电机转子角速度。执行单元主要对电机进行闭环控制，执行单元控制两个个向服电机的协同工作，实现极坐标随动系统的高精度的位姿跟踪； b)力矩方程： T＝CmIa (3) 式中，T为旋转力矩，Cm为力矩常数，Ia为电枢电流。 c)力平衡方程：式中，Je为折算到电机轴上的转动惯量，Be为折算到电机轴上的阻尼系数。 d)位移方程：将式1和式2联立，经过拉式变换得直流电动机的电回路模型：将式3和式4联立进行拉式变换后与式6联立得电枢电流与输出转速之间的模型：由式6和式7得到的电机速度控制方框图；将式5进行拉式变换：由式6、式7、式8得到控制系统方框图，可知行走小车的速度和位置由电枢电压和磨擦阻力矩共同决定，摩擦阻力矩不变，改变电枢的电压就可以改变电机的转速，进而改变行走小车的速度和位移。 8.根据权利要求6所述的一种悬吊式微重力模拟装置的控制方法，其特征在于：所述的控制方法中水平随动控制采用增量控制策略和速度控制策略两种方式，位移增量控制器采用的是增量式PID算法，速度控制器采用的是位置式PID控制算法； a)速度控制策略：将传感器输出的速度信号作为控制输入信号，通过控制器对电机转速进行控制，即式中为电机转速控制输入信号，为摆角传感器输出角速度，Kv为电机转速控制输入与摆角传感器输出之间的比例系数。电机转速、传感器输出、吊丝摆动角度三者之间均为线性关系，rv为悬吊点运动运速度，GB为摆角传感器模型，为摆角传感器输出角速度，为给定速度，为反馈速度，为速度偏差，Gc为速度控制器，Gc为电机模型，为电机转速，KE为光电测角，GM为执行机构模型，V为执行机构即小车运动速度； b)位移增量控制策略：将传感器输出的角度信号作为控制输入信号，通过控制器对系统输出位移增量进行控制，系统的机械系统完成对位移增量的积分，即 ΔS＝Ksβ (10) 式中，ΔS为系统位移增量控制输入信号，β为视觉摆角传感器输出角度，KS为系统位移控制输入与摆角传感器输出之间的比例系数。系统位移与传感器输出角度为线性关系，rS为机械臂悬吊点运动位移，GB为摆角传感器模型，β为摆角传感器输出角度，ΔS为由视觉传感器折算的位移增量，δS为系统输出的位移增量，为电机转速，KE电机编码器位置信息，eΔS为位置偏差，θS为速度给定，eθ为速度偏差，GC为位置控制器，GV为速度控制器，GS为电机模型，GM为执行机构模型，S为执行机构位移。 9.根据权利要求6所述的一种悬吊式微重力模拟装置的控制方法，其特征在于：所述的控制方法中位姿测量偏移检测的步骤为： a)标靶成像由八条线段的延长线交于一点，相邻两条线段的夹角相等为45度，通过霍夫变换对图像中的直线进行提取； b)从霍夫变换得到的直线中，去掉斜率相同的直线，最终我们将得到4条直线，沿着这四条直线的方向，收集到该条直线上的点，其作用是删除冗余直线，保证直线提取的准确性； c)在获取直线斜率后，在斜率k的范围-1,1之间时，对图像采取列扫描，其他情况采用行扫描，同时扫描过程中采取一定步长进行取点； d)通过最小二乘法拟合出四条直线的斜率和截距，得到直线方程，并计算两两交点求取平均为四条直线的交点，并根据与静止条件下拍摄到的标靶图像中点的像素坐标比较计算出实际像素偏移； e)由像素偏移得到物体实际偏移， (i)O为悬挂重物的直线中心，Of为成像原点，O′为悬挂重物的直线中心在图像上的投影，令O′在XfOfYf平面内的坐标为(u0，v0)，另外，P在世界坐标系的值为(Xw，Yw，Zw)，Pu是P在像平面坐标系的投影点，其相机坐标系的值为(Xu，Yu，Zu)，θ是相机坐标系Z轴与像平面夹角，一般情况下z轴与像平面垂直，θ值为90°，且相机坐标系xOy与像平面xfOfyf平行，f为相机的焦距； (ii)令x方向一个像素对应的世界坐标的实际距离为wx，y方向一个像素对应的世界坐标的实际距离为wy，fx为标定的x轴方向的焦距，单位为像素，fy为标定的y轴方向的焦距，单位为像素，在像素距离对应的世界坐标系中的距离如下：其中，Zw＝f×px+L，f为标定结果，单位为像素，px为一个像素的大小，L是激光测距的结果，即物体到相机的距离； (iii)设悬挂重物的中心点O的Z坐标为0，(Xu，Yu，Zu)是点Pu在xfOfyf坐标下的坐标，则有Zu＝f，计算物体实际的偏移量Xw，Yw的公式如下：物体移动的距离Sw为：当Sw大于某个阀值时，则移动机械臂，使物体移动到中心点的位置，设在x方向移动的距离为Mx，在y方向移动的距离为My： Mx＝(Xu-u0)×wx，My＝(Yu-v0)×wy (14)。
所属类别：	发明专利