本發(fā)明涉及空間環(huán)境的地面模擬裝置領(lǐng)域，尤其涉及天體的地面模擬裝置，具體是一種地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置。
背景技術(shù)：
1、小、微行星探測(cè)任務(wù)是行星探測(cè)重大工程的標(biāo)志性項(xiàng)目，也是中國(guó)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)征程的標(biāo)志性任務(wù)。在深空探測(cè)領(lǐng)域，目前除了月球探測(cè)和火星探測(cè)，小、微行星探測(cè)也逐漸成為目前深空探測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，越來(lái)越受到各國(guó)的重視。對(duì)小、微行星進(jìn)行探測(cè)可以讓人類(lèi)更好了解宇宙的演化、太陽(yáng)系的形成和生命的形成，從而得到更多科學(xué)結(jié)論。在開(kāi)辟新疆域、揭示生命起源、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步、開(kāi)發(fā)天然資源、保護(hù)地球安全方面意義重大，影響深遠(yuǎn)，此外隨著空間環(huán)境中越來(lái)越多的太空垃圾等空間漂浮物體的出現(xiàn)不僅給航天事業(yè)帶來(lái)巨大隱患，而且還污染了宇宙空間，給人類(lèi)帶來(lái)災(zāi)難，在上述領(lǐng)域中都亟需切實(shí)可行的空間漂浮物體攔截、捕獲乃至資源采集技術(shù)。
2、符合空間中的物理規(guī)律，貼近真實(shí)情況的空間漂浮物體地面模擬裝置對(duì)所述技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，除了對(duì)空間漂浮物體的物理性質(zhì)進(jìn)行模擬外，地面模擬裝置的模擬重點(diǎn)還應(yīng)在于對(duì)真空、微重力環(huán)境下空間漂浮物體的六自由度運(yùn)動(dòng)的模擬，一套能夠在對(duì)空間漂浮物體的基本物理性質(zhì)進(jìn)行還原基礎(chǔ)上還能夠模擬空間環(huán)境中空間漂浮物體的六自由度運(yùn)動(dòng)的模擬裝置對(duì)于空間漂浮物體攔截、捕獲乃至空間資源采集領(lǐng)域的研究而言都是不可或缺的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，相比于大型真空、微重力環(huán)境模擬裝置，其成本低廉，而相比于一般的只對(duì)空間漂浮物體的物理性質(zhì)進(jìn)行模擬而不模擬空間環(huán)境中天體運(yùn)動(dòng)的裝置，其能更為真實(shí)、準(zhǔn)確的模擬真空、微重力環(huán)境下空間漂浮物體的六自由度運(yùn)動(dòng)，為空間漂浮物體體攔截、捕獲等相關(guān)研究領(lǐng)域提供了低成本且擬真度高的地面空間漂浮物體模擬目標(biāo)，進(jìn)一步推動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)研究的進(jìn)展。
2、本發(fā)明地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，包括中心主體部分和外側(cè)姿態(tài)模擬部分。
3、所述中心主體部分包括移動(dòng)組件與中心主體支撐結(jié)構(gòu)。移動(dòng)組件安裝于中心主體支撐結(jié)構(gòu)底部，采用四個(gè)涵道風(fēng)扇形成的四旋翼無(wú)人機(jī)構(gòu)型或多舵面共軸雙槳結(jié)構(gòu)的共軸雙槳無(wú)人機(jī)構(gòu)型。主體支撐部分上還搭載有深度相機(jī)、控制組件、電池與配重塊，使中心主體部分質(zhì)心位于自身中軸線上。
4、上述中心主體部分位于外側(cè)姿態(tài)模擬部分內(nèi)部；兩者之間通過(guò)俯仰方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)連接軸、內(nèi)部圓環(huán)結(jié)構(gòu)、滾轉(zhuǎn)方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)連接件、外部圓環(huán)結(jié)構(gòu)與中心主體部分間連接。
5、所述俯仰方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)為兩個(gè)，底部通過(guò)螺栓分別與移動(dòng)組件載板前緣與后緣中間位置固連，且輸出軸分別沿前后y軸方向設(shè)置。兩個(gè)俯仰方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸上同軸固定有電機(jī)連接軸，電機(jī)連接軸的輸出端與內(nèi)部圓環(huán)結(jié)構(gòu)周向相對(duì)位置固連。滾轉(zhuǎn)方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)為兩個(gè)，分別與內(nèi)部圓環(huán)結(jié)構(gòu)周向相對(duì)位置固連。兩個(gè)滾轉(zhuǎn)方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸同軸設(shè)置，分別朝向左右x軸方向，連接外部圓環(huán)結(jié)構(gòu)。外部圓環(huán)結(jié)構(gòu)固定安裝于外殼中部，周向相對(duì)位置安裝有兩個(gè)電機(jī)連接件，兩個(gè)電機(jī)連接件相對(duì)一側(cè)與兩個(gè)滾轉(zhuǎn)方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸間固連。
6、通過(guò)上述移動(dòng)組件實(shí)現(xiàn)裝置整體的空間三軸移動(dòng)以及偏航；通過(guò)俯仰方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)與滾轉(zhuǎn)方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)裝置整體的俯仰和滾轉(zhuǎn)。
7、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
8、1、本發(fā)明地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，具有實(shí)現(xiàn)移動(dòng)模擬的中心主體部分、實(shí)現(xiàn)姿態(tài)模擬的外側(cè)姿態(tài)模擬部分以及用于模擬控制的傳感組件以及控制組件，能夠?qū)δM目標(biāo)的形狀、質(zhì)量、質(zhì)心位置、空間失重條件下的六維運(yùn)動(dòng)特性等關(guān)鍵特性進(jìn)行模擬，為空間漂浮物體攔截、捕獲等相關(guān)研究、地面實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域提供了貼近真實(shí)情況的動(dòng)態(tài)目標(biāo)物。
9、2、本發(fā)明地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，其移動(dòng)模擬組件通過(guò)多旋翼或單涵道風(fēng)扇加舵面控制的方式通過(guò)裝置自身獨(dú)立實(shí)現(xiàn)對(duì)空間漂浮物體空間失重環(huán)境下三維運(yùn)動(dòng)的模擬，上述驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)內(nèi)置電池供電，從而無(wú)需外部臺(tái)架支撐或連接外部線纜，即可實(shí)現(xiàn)大范圍三自由度運(yùn)動(dòng)。
10、3、本發(fā)明地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，其姿態(tài)模擬組件通過(guò)對(duì)移動(dòng)模擬組件進(jìn)行控制的方式實(shí)現(xiàn)圍繞機(jī)體質(zhì)心沿機(jī)體偏航方向的姿態(tài)調(diào)整，通過(guò)兩組電機(jī)或舵機(jī)驅(qū)動(dòng)圍繞機(jī)體質(zhì)心沿機(jī)體俯仰及滾轉(zhuǎn)方向的姿態(tài)調(diào)整，相比于現(xiàn)有技術(shù)，其可以在實(shí)現(xiàn)圍繞三維姿態(tài)調(diào)整的同時(shí)與自身的空間移動(dòng)互相解耦，即裝置可以在進(jìn)行任意三維空間移動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行任意的三維姿態(tài)的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)與空間漂浮物體的空間六自由度運(yùn)動(dòng)模擬。
11、4、本發(fā)明地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，其傳感組件可以通過(guò)深度相機(jī)配合視覺(jué)定位程序的方式實(shí)現(xiàn)定位功能，通過(guò)內(nèi)置氣壓計(jì)對(duì)機(jī)體高度定位進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)內(nèi)置imu獲取機(jī)體的當(dāng)前姿態(tài)、角速度等信息，從而無(wú)需依賴(lài)任何外部傳感器，能夠在多種環(huán)境中進(jìn)行部署。
12、5、本發(fā)明地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，其控制組件可以接收傳感信息，通過(guò)控制算法計(jì)算控制指令從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于裝置空間移動(dòng)過(guò)程中的加速度、速度和位置的控制，此外還可以同步實(shí)現(xiàn)對(duì)于裝置姿態(tài)角度、角速度的控制，因此除了空間位置和姿態(tài)的模擬外，本發(fā)明還可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)于空間漂浮物體速度、加速度、姿態(tài)變化的模擬，擴(kuò)大了模擬裝置的可模擬范圍，增強(qiáng)了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。
13、6、本發(fā)明地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，可以通過(guò)更換不同形狀的裝置外殼以及調(diào)整內(nèi)部配重塊實(shí)現(xiàn)對(duì)于具有不同形狀、質(zhì)量、質(zhì)心位置的空間漂浮物體的模擬，更換操作簡(jiǎn)便快速，無(wú)需更換裝置的主體部分即可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同物理性質(zhì)的空間漂浮物體的模擬。
1.一種地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，其特征在于：包括中心主體部分和外側(cè)姿態(tài)模擬部分；
2.如權(quán)利要求1所述一種地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，其特征在于：主體支撐結(jié)構(gòu)包括控制與傳感組件載板、銅柱、中部支撐板與移動(dòng)組件載板；控制與傳感組件載板、中部支撐板與移動(dòng)組件載板均設(shè)計(jì)為具有周向四條梁的x型結(jié)構(gòu)，按照從上到下的順序通過(guò)周向上多組銅柱實(shí)現(xiàn)固定連接；其中，控制與傳感器組件上搭載有飛行控制器、深度相機(jī)與機(jī)載電腦；中部支撐板上搭載有電池；移動(dòng)組件載板上搭載有配重塊。
3.如權(quán)利要求1所述一種地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，其特征在于：四個(gè)涵道風(fēng)扇形成的四旋翼無(wú)人機(jī)構(gòu)型中，四個(gè)涵道風(fēng)扇結(jié)構(gòu)相同，由無(wú)刷電機(jī)、涵道風(fēng)扇組成；其中，四個(gè)涵道風(fēng)扇中的無(wú)刷電機(jī)的機(jī)體末端分別固定安裝于電機(jī)載板周向四端下表面上，輸出軸垂直于小型電機(jī)載板，且同軸固定有小型涵道風(fēng)扇；四個(gè)小型無(wú)刷電機(jī)到中心主體部分質(zhì)心距離相同；四個(gè)小型無(wú)刷電機(jī)中，相鄰的兩個(gè)小型無(wú)刷電機(jī)的輸出軸旋轉(zhuǎn)方向相反，對(duì)應(yīng)的小型涵道風(fēng)扇的扇葉形狀相反。
4.如權(quán)利要求1所述一種地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，其特征在于：多舵面共軸雙槳結(jié)構(gòu)的共軸雙槳無(wú)人機(jī)構(gòu)型包括共軸無(wú)刷電機(jī)、共軸涵道風(fēng)扇、舵面驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵面支撐結(jié)構(gòu)件以及舵面結(jié)構(gòu)件；
5.如權(quán)利要求1所述一種地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，其特征在于：外殼為由左部殼體與右殼體構(gòu)成的中部圓筒結(jié)構(gòu)兩端球面結(jié)構(gòu)的膠囊型框架；兩者左右端面周向插接，并通過(guò)周向上的螺釘固定，具有前后同軸布置的前部圓環(huán)支撐架、中間圓環(huán)安裝架與后部圓環(huán)支撐架，以及三者兩兩之間周向等角度間隔布置的連接梁；進(jìn)一步，通過(guò)緊密交錯(cuò)排布連桿構(gòu)成整體外形。
6.如權(quán)利要求1所述一種地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，其特征在于：還具有三條支腳構(gòu)成的起落架，起落架具有整體環(huán)形框架，環(huán)形框架周向上等角度間隔安裝有3條等長(zhǎng)的桿狀支腳，支腳沿環(huán)形框架軸向設(shè)置，頂端與圓環(huán)框架底面固連，底端可包覆減震球，且與環(huán)形框架軸線間呈30度夾角。
7.如權(quán)利要求1所述一種地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，其特征在于：移動(dòng)組件采用四個(gè)涵道風(fēng)扇形成的四旋翼無(wú)人機(jī)構(gòu)型的控制方式為：
8.如權(quán)利要求1所述一種地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，其特征在于：移動(dòng)組件采用多舵面共軸雙槳結(jié)構(gòu)的共軸雙槳無(wú)人機(jī)構(gòu)型的控制的方式為：
9.如權(quán)利要求1所述一種地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，其特征在于：沿中心主體部分俯仰及滾轉(zhuǎn)方向姿態(tài)調(diào)整方式為：通過(guò)飛行控制器調(diào)節(jié)任一組俯仰方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸位置實(shí)現(xiàn)沿中心主體部分俯仰方向的姿態(tài)調(diào)節(jié)控制；通過(guò)飛行控制器調(diào)節(jié)任一組滾轉(zhuǎn)方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸位置實(shí)現(xiàn)沿中心主體部分滾轉(zhuǎn)方向的姿態(tài)調(diào)節(jié)控制。
10.如權(quán)利要求1所述一種地面環(huán)境下模擬空間漂浮物體的裝置，其特征在于：控制方式為上電開(kāi)啟后，飛行控制器初始化進(jìn)行姿態(tài)初始化調(diào)整，調(diào)整后的外側(cè)姿態(tài)模擬部分的軸線與小型無(wú)刷電機(jī)電機(jī)輸出軸平行，將裝置沿外側(cè)姿態(tài)模擬部分的軸線方向布置于起落架中央通過(guò)起落架進(jìn)行支撐；隨后根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)模擬要求，生成模擬所需的期望運(yùn)動(dòng)信息并將所述信息錄入機(jī)載電腦；錄入完成后，飛行控制器運(yùn)行起飛檢測(cè)程序，通過(guò)飛行控制器內(nèi)部的imu和氣壓計(jì)數(shù)據(jù)判斷裝置是否滿(mǎn)足起飛條件，如果起飛條件滿(mǎn)足，飛行控制器通過(guò)通信線纜向機(jī)載電腦傳輸對(duì)應(yīng)信號(hào)，機(jī)載電腦通過(guò)對(duì)應(yīng)通信線纜向深度相機(jī)傳輸對(duì)應(yīng)控制信號(hào)，啟動(dòng)深度相機(jī)；深度相機(jī)初始化后將采集的深度信息以及自身狀態(tài)信息通過(guò)對(duì)應(yīng)通信線纜傳輸至機(jī)載電腦；機(jī)載電腦運(yùn)行視覺(jué)定位程序，通過(guò)深度相機(jī)的回傳深度數(shù)據(jù)，計(jì)算裝置當(dāng)前位置；計(jì)算完成后，機(jī)載電腦通過(guò)自身運(yùn)行的位置信息檢測(cè)及濾波程序?qū)νㄟ^(guò)計(jì)算獲得的位置信息進(jìn)行檢測(cè)及濾波，位置信息達(dá)到精度要求后，機(jī)載電腦通過(guò)對(duì)應(yīng)的通信線纜將濾波后的位置信息以及起飛指令發(fā)送至飛行控制器，飛行控制器在接收到完整的起飛指令及位置信息后，通過(guò)運(yùn)行的級(jí)聯(lián)pid算法程序，利用自身的姿態(tài)信息以及獲得的位置信息計(jì)算移動(dòng)組件中各個(gè)飛行控制電機(jī)的控制指令，飛行控制器將控制指令傳輸給對(duì)應(yīng)受控電機(jī)。