本發(fā)明涉及微重力探測，具體涉及一種小行星探測六自由度微重力實(shí)驗(yàn)裝置和方法。

背景技術(shù)：

1、小行星探測六自由度微重力實(shí)驗(yàn)裝置用于人類對(duì)小行星微重力環(huán)境下的探測器的動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行科學(xué)研究，相關(guān)科學(xué)研究能夠?yàn)槲磥淼奶杖蝿?wù)提供技術(shù)儲(chǔ)備，提高未來小行星探測任務(wù)的成功率和安全性。

2、當(dāng)前，吊繩式重力補(bǔ)償裝置在運(yùn)行過程中往往存在反應(yīng)過慢、補(bǔ)償力波動(dòng)大等缺點(diǎn)，小行星探測器在微重力實(shí)驗(yàn)裝置中跳躍時(shí)，小行星探測器會(huì)從最低點(diǎn)升高至最高點(diǎn)，速度從最大變?yōu)?，之后小行星探測器從最高點(diǎn)開始向最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，速度開始反向增大，在最高點(diǎn)對(duì)于z軸驅(qū)動(dòng)組件來說，速度會(huì)從正向旋轉(zhuǎn)變?yōu)槟嫦蛐D(zhuǎn)，此時(shí)z軸驅(qū)動(dòng)組件會(huì)有一定的反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的重力補(bǔ)償力的波動(dòng)；此外，對(duì)于吊繩式重力補(bǔ)償裝置，當(dāng)更換不同質(zhì)量的小行星探測器或者模擬不同條件下的微重力情況時(shí)，往往存在微重力實(shí)驗(yàn)裝置通用性不強(qiáng)、操作復(fù)雜等問題，且現(xiàn)有小行星探測六自由度微重力實(shí)驗(yàn)裝置中的恒轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)未能考慮到摩擦力的影響，從而降低了輸出力的精度，且不能實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)單一方向旋轉(zhuǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題或者至少部分地解決上述技術(shù)問題，本公開提供了一種小行星探測六自由度微重力實(shí)驗(yàn)裝置和方法。

2、根據(jù)第一方面，一種小行星探測六自由度微重力實(shí)驗(yàn)裝置，包括：

3、支撐框架；

4、隨動(dòng)平臺(tái)，隨動(dòng)平臺(tái)設(shè)置于支撐框架的頂部，且能沿支撐框架的x軸滑動(dòng)，隨動(dòng)平臺(tái)用于跟蹤小行星探測器的水平運(yùn)動(dòng)；

5、恒拉力系統(tǒng)，恒拉力系統(tǒng)設(shè)置于隨動(dòng)平臺(tái)上，且能沿隨動(dòng)平臺(tái)的y軸滑動(dòng)，恒拉力系統(tǒng)包括恒轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)和拉力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，恒轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)包括依次連接的恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)、恒轉(zhuǎn)矩組件和卷筒，恒轉(zhuǎn)矩組件包括同軸設(shè)置的內(nèi)盤和套環(huán)，恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)與內(nèi)盤剛性連接，內(nèi)盤中設(shè)置有彈性桿，彈性桿與套環(huán)的內(nèi)壁接觸，并沿套環(huán)的輪廓運(yùn)動(dòng)，套環(huán)的輪廓呈360°周期性變化，彈性桿用于將恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)輸出的恒定的轉(zhuǎn)矩傳遞至套環(huán)上，套環(huán)將恒定的轉(zhuǎn)矩傳遞至卷筒上，卷筒中設(shè)置有吊繩，吊繩用于牽引小行星探測器，且吊繩通過若干滑輪與拉力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)連接，拉力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)用于對(duì)小行星探測器進(jìn)行重力補(bǔ)償，重力補(bǔ)償?shù)姆较蚺c支撐框架的z軸平行。

6、可選地，套環(huán)的輪廓滿足以下公式：

7、

8、式中，為定值，為內(nèi)盤的圓心至套環(huán)上受力點(diǎn)的長度，為彈性桿運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)套環(huán)的合力在套環(huán)輪廓的切線上的投影。

9、可選地，彈性桿包括桿體和彈簧，內(nèi)盤朝向套環(huán)的外周上開設(shè)有凹槽，彈簧遠(yuǎn)離套環(huán)的端部與凹槽的底部固定連接，彈簧套設(shè)于桿體的外周，且彈簧靠近套環(huán)的端部與桿體的外周固定連接，桿體靠近套環(huán)的端部具有尖端，尖端與套環(huán)的內(nèi)壁抵接，彈性桿沿套環(huán)的輪廓進(jìn)行收縮或伸長運(yùn)動(dòng)。

10、可選地，彈性桿進(jìn)行收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)套環(huán)傳遞的力矩的路徑為第一輪廓，第一輪廓為外凸圓弧，彈性桿進(jìn)行伸長運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)套環(huán)傳遞的力矩的路徑為第二輪廓，第二輪廓為外凸圓弧，套環(huán)的輪廓由第一輪廓和第二輪廓交替連接閉合。

11、可選地，套環(huán)的輪廓由以下公式確定：

12、

13、

14、獲取所有對(duì)應(yīng)的和，得到套環(huán)的輪廓；

15、式中，是彈性桿與軸正方向的夾角，，是彈簧的勁度系數(shù)，為定義的中間變量，是彈性桿進(jìn)行收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)盤的圓心至套環(huán)的輪廓上受力點(diǎn)的距離，是彈性桿進(jìn)行伸長運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)盤的圓心至套環(huán)的輪廓上受力點(diǎn)的距離，，是和的最小值，是和的最大值，和的最值均于和時(shí)取得，是套環(huán)在360°范圍內(nèi)相同的輪廓的個(gè)數(shù)，是彈性桿進(jìn)行收縮運(yùn)動(dòng)對(duì)套環(huán)傳遞的力矩，是彈性桿與套環(huán)之間的相對(duì)滑動(dòng)摩擦系數(shù)，是彈性桿進(jìn)行伸長運(yùn)動(dòng)對(duì)套環(huán)傳遞的力矩。

16、可選地，拉力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)包括固定桿、擺桿組件、彈性件和驅(qū)動(dòng)組件；

17、擺桿組件包括第一擺桿和第二擺桿，第一擺桿和第二擺桿剛性連接，且第一擺桿和第二擺桿的延伸方向平行，固定桿與擺桿組件鉸接連接，鉸接點(diǎn)位于第一擺桿和第二擺桿的連接位置處，固定桿上沿z軸的方向上設(shè)置有第一滑輪、第二滑輪和第三滑輪，第一滑輪和第二滑輪設(shè)置于固定桿朝向卷筒的一側(cè)，第三滑輪設(shè)置于固定桿的另一側(cè)；

18、驅(qū)動(dòng)組件包括滑動(dòng)件、導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)件，驅(qū)動(dòng)件用于驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)件沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)；

19、彈性件的一端與滑動(dòng)件連接，彈性件的另一端通過繩索與第二擺桿遠(yuǎn)離第一擺桿的一端連接，且繩索繞過第三滑輪；

20、第一擺桿遠(yuǎn)離固定桿的一端設(shè)置有第四滑輪，吊繩經(jīng)卷筒依次繞過第二滑輪、第一滑輪和第四滑輪與小行星探測器連接。

21、可選地，當(dāng)?shù)谝粩[桿、第二擺桿和隨動(dòng)平臺(tái)平行設(shè)置時(shí)，第二擺桿遠(yuǎn)離第一擺桿的端部至第三滑輪的距離與彈性件的拉伸長度相等。

22、可選地，還包括攝像頭和控制終端，攝像頭設(shè)置于隨動(dòng)平臺(tái)的底部，控制終端與攝像頭連接，攝像頭用于捕捉小行星探測器的畫面，控制終端接收攝像頭捕捉的畫面，隨動(dòng)平臺(tái)上設(shè)置有x軸電機(jī)，支撐框架上設(shè)置有y軸電機(jī)，控制終端向x軸電機(jī)和y軸電機(jī)輸入速度參數(shù)和位置參數(shù)，以使隨動(dòng)平臺(tái)實(shí)時(shí)追蹤小行星探測器。

23、可選地，還包括底板和絲杠機(jī)構(gòu)，底板的一端與支撐框架底部鉸接連接，底板的另一端通過鋼絲繩與絲杠機(jī)構(gòu)的滑塊連接，絲杠機(jī)構(gòu)的電機(jī)帶動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)。

24、根據(jù)第二方面，本發(fā)明還提供一種小行星探測六自由度微重力實(shí)驗(yàn)方法，基于上述任一項(xiàng)所述的一種小行星探測六自由度微重力實(shí)驗(yàn)裝置完成，包括以下步驟：

25、s1、將小行星探測器連接于拉力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)中的吊繩上，拉力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)向小行星探測器提供微重力環(huán)境；

26、s2、通過恒轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)為小行星探測器提供恒定轉(zhuǎn)矩；

27、s3、通過攝像頭捕捉小行星探測器的畫面，并將畫面?zhèn)鬏斨量刂平K端，向攝像頭的畫面中心設(shè)置一個(gè)中心點(diǎn)，通過顏色轉(zhuǎn)換算法篩選出標(biāo)志物并代替小行星探測器的位置，控制終端基于標(biāo)志物與中心點(diǎn)之間的距離向x軸電機(jī)和y軸電機(jī)傳輸速度和位置參數(shù)，以控制x軸電機(jī)和y軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證隨動(dòng)平臺(tái)實(shí)時(shí)追蹤小行星探測器。

28、本公開實(shí)施例提供的技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

29、本發(fā)明實(shí)施例提供的一種小行星探測六自由度微重力實(shí)驗(yàn)方法和裝置，此實(shí)驗(yàn)裝置中設(shè)置拉力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，通過閉環(huán)控制自動(dòng)調(diào)節(jié)吊繩拉力，能夠保證連接小行星探測器的吊繩上的重力補(bǔ)償力保持恒定，當(dāng)更換不同質(zhì)量的小行星探測器時(shí)，通過調(diào)整第一擺桿和第二擺桿的長度，能夠輸出所需的力來補(bǔ)償小行星探測器的重力，同時(shí)也能夠匹配不同彈性系數(shù)的彈性件，避免了彈性件的定制研發(fā)，降低了成本，便于彈性件的選配和后期的更換維護(hù)；

30、此實(shí)驗(yàn)裝置中設(shè)置恒轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)，恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)輸出恒定力矩，力矩經(jīng)恒轉(zhuǎn)矩組件傳遞至卷筒中，恒轉(zhuǎn)矩組件包括同軸設(shè)置的內(nèi)盤和套環(huán)，內(nèi)盤中的彈性桿沿套環(huán)的輪廓運(yùn)動(dòng)，且套環(huán)的輪廓呈360°周期性變化，且內(nèi)盤傳遞至套環(huán)上的總力矩為定值，從而實(shí)現(xiàn)小行星探測器在支撐框架內(nèi)跳躍時(shí)，小行星探測器從最低點(diǎn)往最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)小行星探測器從最高點(diǎn)往最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)無需反轉(zhuǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)套環(huán)的反轉(zhuǎn)，不僅避免了出現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的反應(yīng)時(shí)間，而且避免了因恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)轉(zhuǎn)向變化而導(dǎo)致的重力補(bǔ)償失真問題，并顯著提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度；

31、此實(shí)驗(yàn)裝置中恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)輸出恒定力矩至卷筒中，卷筒中的吊繩牽引小行星探測器運(yùn)動(dòng)，使得隨動(dòng)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)更加簡單，降低了隨動(dòng)平臺(tái)整體的質(zhì)量和慣性，提高了響應(yīng)速度，減小了隨動(dòng)平臺(tái)的震動(dòng)與滯后性；

32、此實(shí)驗(yàn)方法采用顏色轉(zhuǎn)換的視覺識(shí)別算法和電機(jī)pid控制算法相配合，構(gòu)建了一個(gè)高效且穩(wěn)定的小行星探測器追蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了此實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行的平穩(wěn)。