專利名稱：一種空間撓性結(jié)構(gòu)根部測控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)振動測量和主動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種空間撓性結(jié)構(gòu)根部測控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著航天科技的不斷不發(fā)展，空間撓性結(jié)構(gòu)越來越多得到應(yīng)用，如大型航天器展開式太陽陣，空間反射器、精密天線結(jié)構(gòu)等?？臻g撓性結(jié)構(gòu)通常具有尺寸大、高柔性、低阻尼的特點，在軌運行時不可避免地將受到各種擾動，如姿態(tài)控制、軌道機(jī)動、?？繉?、機(jī)械設(shè)備運轉(zhuǎn)等，從而引起結(jié)構(gòu)振動。長時間的振動會影響航天器操作準(zhǔn)確性，以及引起材料疲勞，所產(chǎn)生的噪音還將造成工作環(huán)境污染。目前解決上述問題，常采用智能結(jié)構(gòu)技術(shù)。智能結(jié)構(gòu)在其傳力路線中集成主動元件和傳感器，可對平臺系統(tǒng)在軌道狀況感知，利用主動元件的動態(tài)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動的快速抑制。智能結(jié)構(gòu)的作動器和傳感器通常分布于整個結(jié)構(gòu)中，這樣可較精確的測量結(jié)構(gòu)振動且具備對高階模態(tài)頻率振動的控制能力。但如此布局在實際的空間應(yīng)用中卻存在諸多問題。一方面，由于空間環(huán)境的影響，需要對作動器和傳感器予以防護(hù)，以保證其長期在軌工作的有效性和穩(wěn)定性，但對分布在結(jié)構(gòu)中的每個作動器、傳感器及相應(yīng)的信號線進(jìn)行輻射、 電磁、熱等防護(hù)不但帶來了較多的附加質(zhì)量、降低了器件可靠性，而且增加了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計難度。另一方面，大型空間結(jié)構(gòu)采用發(fā)射時收攏、入軌后展開的工作方式已成為趨勢，若在此類結(jié)構(gòu)中布置作動器、傳感器勢必對結(jié)構(gòu)的正常收攏和展開過程產(chǎn)生影響，甚至造成展開失敗。

發(fā)明內(nèi)容
針對空間柔性結(jié)構(gòu)的振動抑制問題，本發(fā)明提供一種空間撓性結(jié)構(gòu)根部測控系統(tǒng)，無需在撓性結(jié)構(gòu)中附加任何器部件，利于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)正常展開及關(guān)鍵部件集中防護(hù)， 能有效地用于空間撓性結(jié)構(gòu)的振動主動控制，以適應(yīng)航天器在軌能夠穩(wěn)定安全準(zhǔn)確操作的要求。本發(fā)明提供一種空間撓性根部測控系統(tǒng)，包括撓性桁架、主動桿系、測量部分和信號處理與控制部分。所述撓性桁架為多層三棱柱桁架結(jié)構(gòu)，所述的主動桿系為單跨的三棱柱桁架結(jié)構(gòu)，由壓電作動器構(gòu)成。主動桿系安裝于撓性桁架的底部，而主動桿系的底部固定于航天體本體的上表面。所述測量部分，包括點光源、CXD相機(jī)A和CXD相機(jī)B。點光源固連于撓性桁架8 最頂層的頂部節(jié)點處，CCD相機(jī)A和CCD相機(jī)B安置于航天體本體的上表面上，并分別位于主動桿系的兩側(cè)。所述信號處理與控制部分，包括圖像采集處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和功率放大器。所述的圖像采集處理系統(tǒng)與CXD相機(jī)A和CXD相機(jī)B相連接，采集CXD相機(jī)A和CXD相機(jī)B拍攝的圖像，得到點光源在圖像中的位置坐標(biāo)信息，然后將位置坐標(biāo)信息發(fā)至給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將采用雙目測距原理，得到點光源三維位置坐標(biāo)信號，并根據(jù)模糊控制方法得出主動桿系中壓電作動器的電壓控制量信號，再將該控制信號發(fā)送至功率放大器，功率放大器將信號放大后輸入到主動桿系的壓電作動器中，實現(xiàn)桁架振動的快速抑制。本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明提供的一種空間撓性結(jié)構(gòu)根部測控系統(tǒng)，采用非接觸測量，避免將傳感器曝露在空間環(huán)境中。(2)本發(fā)明提供的一種空間撓性結(jié)構(gòu)根部測控系統(tǒng)，主動桿系安置在撓性桁架根部，主動桿系對撓性桁架結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)特性沒有影響，對可展開式撓性桁架的正常展開沒有影響。(3)本發(fā)明提供的一種空間撓性結(jié)構(gòu)根部測控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)撓性桁架結(jié)構(gòu)振動的快速抑制。


圖1 一種空間撓性結(jié)構(gòu)根部測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 —種空間撓性結(jié)構(gòu)根部測控系統(tǒng)的撓性桁架中某一層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 —種空間撓性結(jié)構(gòu)根部測控系統(tǒng)的主動桿系中某一層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4 一種空間撓性結(jié)構(gòu)根部測控系統(tǒng)的信號處理與控制部分的處理控制流程圖。圖中1-主動桿系；2-航天器本體；3-CCD 相機(jī) A ；4-CCD相機(jī)B
5-功率放大器；6-控制系統(tǒng)；7-圖像采集處理系統(tǒng)；8-撓性桁架；
9-點光源；10-節(jié)頭A ；11-螺母A ；12-螺桿A ；
13-螺母B ；14-桿；15-接頭B;16-螺母C ；
17.-螺桿B ；18-螺母D ；19-壓電作動器。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明提供一種空間撓性根部測控系統(tǒng)，如圖1所示，包括撓性桁架、主動桿系、 測量部分和信號處理與控制部分。所述撓性桁架8為多層三棱柱桁架結(jié)構(gòu)，各層結(jié)構(gòu)均相同，每一層均由通過三個桿14與三個接頭B相連組成的三角形結(jié)構(gòu)，其連接關(guān)系如圖2所示，螺桿A12的一端旋入接頭AlO的螺紋孔內(nèi)，并用螺母All擰緊；螺桿A12的另一端旋入桿14 一端的螺紋孔中， 并用螺母B13擰緊，桿14的另一端采用相同的連接方法與另一螺桿A12和另一接頭B相連接，連接其他兩個桿14的連接方法均相同。三棱柱的層數(shù)、桿14的長度和桿14的截面尺寸可根據(jù)具體應(yīng)用需求決定。所述的主動桿系1包括豎桿和斜桿，均為壓電作動器19構(gòu)成。該主動作動桿系為單跨的三棱柱桁架結(jié)構(gòu)。主動桿系1的連接關(guān)系如圖3所示，每層結(jié)構(gòu)均相同，每層主動桿系均為3個壓電作動器19與3個接頭B連接組成的三角形結(jié)構(gòu)。螺桿B17的一端旋入接
4頭B15上的螺紋孔，并用螺母C16擰緊；螺桿B17的另一端旋入壓電作動器19的螺紋孔，并用螺母D18擰緊，壓電作動器19的另一端也順次采用相同的連接方法與其他的螺桿B17和接頭B15相連接。該主動桿系1安裝于撓性桁架8的底部，而主動桿系1的底部固定于航天體本體的上表面。所述測量部分，包括點光源9、(XD相機(jī)A3和CXD相機(jī)B4，點光源9固連于撓性桁架8最頂層的頂部節(jié)點處，CCD相機(jī)A3和CCD相機(jī)B4安置于航天體本體的上表面上，并分別位于主動桿系1的兩側(cè)。所述信號處理與控制部分，如圖1所示，包括圖像采集處理系統(tǒng)7、控制系統(tǒng)6和功率放大器5。圖像采集處理系統(tǒng)7與CXD相機(jī)A3和CXD相機(jī)B4相連接，采集CXD相機(jī)A3 和CCD相機(jī)B4拍攝的圖像。該圖像的生成是由于干擾引起撓性桁架8振動，點光源9隨之振動并處于CXD相機(jī)A3和CXD相機(jī)B4的視場中，而CXD相機(jī)A3和CXD相機(jī)B4分別同時拍攝點光源圖像。圖像采集處理系統(tǒng)7采集這兩張圖像，并將點光源9在圖像中的像素位置識別出來，得到當(dāng)前點光源9在兩張圖像中的位置坐標(biāo)信息。圖像采集處理系統(tǒng)7將這兩組位置坐標(biāo)信息發(fā)送給控制系統(tǒng)6，控制系統(tǒng)6將采用雙目測距原理，得到點光源在實際空間的三維位置坐標(biāo)信號，并根據(jù)模糊控制方法得出主動桿系1中壓電作動器19的電壓控制量信號，控制系統(tǒng)再將該控制信號發(fā)送至功率放大器5，功率放大器5將信號放大后輸入到主動桿系1的壓電作動器19中，通過主動桿系1中的壓電作動器19快速精確響應(yīng)，實現(xiàn)桁架振動的快速抑制。所述的模糊控制控制方法的目的是將點光源9的振動幅度降低到最小，從而達(dá)到抑制桁架振動的目的。信號處理與控制部分的處理控制流程如圖4所示，干擾引起的桁架振動與主動桿系1引起的桁架振動在點光源9處的疊加，引起點光源9的振動，利用CCD相機(jī)A3和CXD相機(jī)B4分別同時拍攝點光源圖像，采用雙目測距原理，得到點光源在實際空間的三維位置坐標(biāo)信號，將得到的點光源的三維位置坐標(biāo)信號及其微分信號進(jìn)行模糊化，得到模糊量，控制系統(tǒng)6的模糊控制器依據(jù)模糊經(jīng)驗規(guī)則及其輸入的模糊量進(jìn)行模糊推理， 得到控制信號即壓電作動器19的電壓控制量信號，再將該控制信號發(fā)送至功率放大器5， 功率放大器5將信號放大后輸入到主動桿系1的壓電作動器19中，通過主動桿系1中的壓電作動器19快速精確響應(yīng)，實現(xiàn)桁架振動的快速抑制。所述圖像采集采集處理系統(tǒng)7優(yōu)選由DM642采集卡和ICETEK-5100USB處理器組成，具有圖像采集和點光源識別的能力。所述控制系統(tǒng)6由PCI-8136卡和PCI6208卡組成，該系統(tǒng)能夠與MATLAB/ Simulink無縫連接，具有高速計算能力，能夠方便地實現(xiàn)代碼生成/下載和調(diào)試/試驗。
權(quán)利要求
1.一種空間撓性根部測控系統(tǒng)，其特征在于包括撓性桁架、主動桿系、測量部分和信號處理與控制部分；所述撓性桁架為多層三棱柱桁架結(jié)構(gòu)，所述的主動桿系為單跨的三棱柱桁架結(jié)構(gòu)，由壓電作動器構(gòu)成；主動桿系安裝于撓性桁架的底部，而主動桿系的底部固定于航天體本體的上表面；所述測量部分，包括點光源、CCD相機(jī)A和CCD相機(jī)B，點光源固連于撓性桁架8最頂層的頂部節(jié)點處，CCD相機(jī)A和CCD相機(jī)B安置于航天體本體的上表面上，并分別位于主動桿系的兩側(cè)；所述信號處理與控制部分，包括圖像采集處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和功率放大器；所述的圖像采集處理系統(tǒng)與CXD相機(jī)A和CXD相機(jī)B相連接，采集CXD相機(jī)A和CXD相機(jī)B拍攝的圖像，得到點光源在圖像中的位置坐標(biāo)信息，然后將位置坐標(biāo)信息發(fā)至給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將采用雙目測距原理，得到點光源三維位置坐標(biāo)信號，并根據(jù)模糊控制方法得出主動桿系中壓電作動器的電壓控制量信號，再將該控制信號發(fā)送至功率放大器，功率放大器將信號放大后輸入到主動桿系的壓電作動器中，實現(xiàn)桁架振動的快速抑制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間撓性根部測控系統(tǒng)，其特征在于所述的圖像采集采集處理系統(tǒng)由DM642采集卡和ICETEK-5100USB處理器組成，具有圖像采集和點光源識別的能力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間撓性根部測控系統(tǒng)，其特征在于所述的控制系統(tǒng)由PCI-8136卡和PCI6208卡組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間撓性根部測控系統(tǒng)，其特征在于所述的撓性桁架的各層結(jié)構(gòu)均相同，每一層結(jié)構(gòu)均由通過三個桿與三個接頭B相連組成；螺桿A的一端旋入接頭A的螺紋孔內(nèi)，螺桿A的另一端旋入桿一端的的螺紋孔中，桿的另一端采用相同的連接方法與另一螺桿A和另一接頭B相連接，其他兩個桿14的連接方法均相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間撓性根部測控系統(tǒng)，其特征在于所述的主動桿系的每層結(jié)構(gòu)均相同，均由3個壓電作動器與3個接頭B連接組成；螺桿B的一端旋入接頭 B上的螺紋孔，螺桿B的另一端旋入壓電作動器的螺紋孔，壓電作動器的另一端也順次采用相同的連接方法與另一螺桿B和接頭B相連接。
全文摘要
本發(fā)明提供一種空間撓性根部測控系統(tǒng)，包括撓性桁架、主動桿系、測量部分和信號處理與控制部分，所述測量部分包括點光源、CCD相機(jī)A和CCD相機(jī)B，所述信號處理與控制部分，包括圖像采集處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和功率放大器。本發(fā)明提供的一種空間撓性結(jié)構(gòu)根部測控系統(tǒng)，無需在撓性結(jié)構(gòu)中附加任何器部件，利于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)正常展開及關(guān)鍵部件集中防護(hù)，能有效地用于空間撓性結(jié)構(gòu)的振動主動控制，以適應(yīng)航天器在軌能夠穩(wěn)定安全準(zhǔn)確操作的要求，并采用非接觸測量，避免將傳感器曝露在空間環(huán)境中，能夠?qū)崿F(xiàn)撓性桁架結(jié)構(gòu)振動的快速抑制。
文檔編號B64G1/24GK102275636SQ201110120880
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月11日
發(fā)明者岳鵬飛, 李偉鵬, 羅波, 黃海 申請人:北京航空航天大學(xué)