[发明专利]悬挂式六自由度微重力环境模拟系统终端滑模控制方法

说明书

本发明悬挂式六自由度微重力环境模拟系统终端滑模控制方法给出了由模拟航天器、无约束悬挂装置、缓冲装置、传感测量单元、Z向模组、Y向模组、X向模组以及执行控制单元构成的六自由度微重力环境模拟系统，基于其工作原理建立坐标系，应用拉格朗日方程对系统进行建模，基于拉格朗日模型，提出了抗干扰、鲁棒性好且模拟精度高的悬挂式六自由度微重力环境模拟系统终端滑模控制方法，从而模拟出月球、火星等与地球重力不同的环境或太空中的微重力环境，保证航天器地面试验验证时的环境与其工作环境相同。

所属技术领域

本发明属于航天器导航、制导与控制系统地面验证技术领域，具体涉及悬挂式六自由度微重力环境模拟系统终端滑模控制方法。

背景技术

我国正积极开展航天技术研究，为了适应恶劣的太空环境顺利完成航天任务，各类航天器卫星在发射前，必须在地面进行充分的实验验证。太空环境的一个最重要的特征是微重力，然而，地面实验室为有重力环境，为了在地面再现航天器空间微重力环境中的真实运动情况，提高地面验证导航、制导与控制系统实验的置信度，需要在地面为航天器建立一个与空间真实状况相近的微重力环境。要实现这个目标，其关键是补偿航天器在地面实验室环境中所受的重力。悬挂法作为一种可以提供长时间、大空间的重力补偿方法在航天器地面验证中有着重要应用。但关于悬挂法重力补偿的应用中，未见其关于控制算法的描述，本发明基于专利申请号为2016104143446的专利“一种悬挂式六自由度微重力环境模拟系统”详述了其建模过程与控制算法。

发明内容

本发明提出了抗干扰、鲁棒性好且模拟精度高的悬挂式六自由度微重力环境模拟系统终端滑模控制方法，从而模拟出月球、火星等与地球重力不同的环境或太空中的微重力环境，保证航天器地面试验验证时的环境与其工作环境相同。

在地面验证过程中，重力补偿的精度对验证航天器的相关性能有重要的影响，因此系统应具有良好的动态性能和允许范围内的静态误差，本发明提出的控制策略可以很好的完成这一目标，从而提高航天器地面验证的置信度。

本发明的技术方案：

本发明悬挂式六自由度微重力环境模拟系统终端滑模控制方法，其悬挂式六自由度微重力环境模拟系统由模拟航天器、无约束悬挂装置、缓冲装置、传感测量单元、Z向模组、Y向模组、X向模组以及执行控制单元构成，X向模组与Y向模组构成水平随动单元，可跟踪航天器的水平运动，Z向模组与缓冲装置构成竖向主动补偿单元，用以根据需求部分或完全补偿航天器的重力，Z向模组由齿轮齿条传动，缓冲装置包含弹簧，传感测量单元包括无线倾角传感器与张力传感器，可测量航天器的水平运动以及竖向主动补偿单元张力的变化，无约束悬挂装置可保证航天器在一定范围内近似无摩擦的滚转、偏航与俯仰运动，执行控制单元包括主控板、驱动器与电机(X向电机、Y向电机与Z向电机)，可根据传感测量单元的信息控制X向模组、Y向模组与Z向模组的运动。

系统工作的步骤为：

1)：将模拟航天器安装到无约束悬挂装置上；

2)：系统上电，张力传感器测量模拟航天器的重力Mg；

3)：设定系统的控制目标，即根据对模拟航天器进行部分或者完全重力补偿设定控制系统的控制目标，即控制系统的参考输入：l^d＝(Mg-f(t)Mg)/k，f(t)为时间函数，根据航天器实际工作所处的环境设定为常值或者随时间变化的函数，k为缓冲装置的劲度系数；

4)：完成设定后，启动系统，进行验证；

5)：试验完成后，首先停止系统运行，然后将模拟航天器卸下，最后关闭电源。

本发明对比已有的技术有如下特点：

1、鲁棒性好补偿精度高；

2、考虑了系统不确定性以及干扰对系统影响；