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驗裝置和方法。

背景技術(shù)：

1、小行星探測六自由度微重力實驗裝置用于人類對小行星微重力環(huán)境下的探測器的動力學(xué)與運(yùn)動學(xué)進(jìn)行科學(xué)研究，相關(guān)科學(xué)研究能夠為未來的太空任務(wù)提供技術(shù)儲備，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)償力波動大等缺點，小行星探測器在微重力實驗裝置中跳躍時，小行星探測器會從最低點升高至最高點，速度從最大變?yōu)?，之后小行星探測器從最高點開始向最低點運(yùn)動，速度開始反向增大，在最高點對于z軸驅(qū)動組件來說，速度會從正向旋轉(zhuǎn)變?yōu)槟嫦蛐D(zhuǎn)，此時z軸驅(qū)動組件會有一定的反應(yīng)時間，同時會產(chǎn)生很大的重力補(bǔ)償力的波動；此外，對于吊繩式重力補(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，往往存在微重力實驗裝置通用性不強(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驗裝置中的恒轉(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，且不能實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)單一方向旋轉(zhuǎn)。

技術(shù)實現(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驗裝置和方法。

2、根據(jù)第一方面，一種小行星探測六自由度微重力實驗裝置，包括：

3、支撐框架；

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

5、恒拉力系統(tǒng)，恒拉力系統(tǒng)設(shè)置于隨動平臺上，且能沿隨動平臺的y軸滑動，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，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)上受力點的長度，為彈性桿運(yùn)動時對套環(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。

10、可選地，彈性桿進(jìn)行收縮運(yùn)動時對套環(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)動時對套環(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)動時內(nèi)盤的圓心至套環(huán)的輪廓上受力點的距離，是彈性桿進(jìn)行伸長運(yùn)動時內(nèi)盤的圓心至套環(huán)的輪廓上受力點的距離，，是和的最小值，是和的最大值，和的最值均于和時取得，是套環(huán)在360°范圍內(nèi)相同的輪廓的個數(shù)，是彈性桿進(jìn)行收縮運(yùn)動對套環(huán)傳遞的力矩，是彈性桿與套環(huán)之間的相對滑動摩擦系數(shù)，是彈性桿進(jìn)行伸長運(yùn)動對套環(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)動組件包括滑動件、導(dǎo)軌和驅(qū)動件，驅(qū)動件用于驅(qū)動滑動件沿導(dǎo)軌運(yùn)動；

19、彈性件的一端與滑動件連接，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、第二擺桿和隨動平臺平行設(shè)置時，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)置于隨動平臺的底部，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，隨動平臺上設(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)，以使隨動平臺實時追蹤小行星探測器。

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)帶動滑塊運(yùn)動。

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驗方法，基于上述任一項所述的一種小行星探測六自由度微重力實驗裝置完成，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)置一個中心點，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，保證隨動平臺實時追蹤小行星探測器。

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

29、本發(fā)明實施例提供的一種小行星探測六自由度微重力實驗方法和裝置，此實驗裝置中設(shè)置拉力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，通過閉環(huán)控制自動調(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，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、此實驗裝置中設(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，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，從而實現(xiàn)小行星探測器在支撐框架內(nèi)跳躍時，小行星探測器從最低點往最高點運(yùn)動時恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)小行星探測器從最高點往最低點運(yùn)動時，在恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)無需反轉(zhuǎn)的情況下實現(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、此實驗裝置中恒轉(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，使得隨動平臺的整體結(jié)構(gòu)更加簡單，降低了隨動平臺整體的質(zhì)量和慣性，提高了響應(yīng)速度，減小了隨動平臺的震動與滯后性；

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