本發(fā)明涉及一種輕巧型星上執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔振裝置，尤其適用于姿態(tài)控制過程中具有奇異性的控制力矩陀螺群組的振動抑制，屬于高速轉(zhuǎn)子擾振源執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔振技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

安裝在高分辨率衛(wèi)星上的光學(xué)載荷一般對振動十分敏感，而帶有高速轉(zhuǎn)子的飛輪、控制力矩陀螺等執(zhí)行機(jī)構(gòu)是星上最主要的擾振源之一。

飛輪、控制力矩陀螺等含有高速轉(zhuǎn)子的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在軌工作過程中，會生成含多種簡諧振動成分的擾動，這些振動可能會影響星上光學(xué)載荷、陀螺或地敏等需要保證成像質(zhì)量或測量精度的單機(jī)產(chǎn)品。對于需要快速從一個目標(biāo)機(jī)動到另一個目標(biāo)，完成大量圖像采集以及立體圖像獲取的衛(wèi)星，控制力矩陀螺發(fā)揮著不可或缺的作用?？焖贆C(jī)動能力要求衛(wèi)星姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有良好的控制性能，由于控制力矩陀螺具有輸出力矩大，控制效率高等優(yōu)點(diǎn)，在近幾年發(fā)射的先進(jìn)敏捷遙感衛(wèi)星中，常把控制力矩陀螺作為其姿態(tài)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。然而，和飛輪相比，控制力矩陀螺的高速轉(zhuǎn)子具有更高的轉(zhuǎn)速，因此會產(chǎn)生更大的擾振力。

振動抑制問題，根據(jù)其原理可分類為消振與隔振，消振是在結(jié)構(gòu)應(yīng)變能較大的位置使用阻尼裝置消耗能量的方法，而隔振是將隔振裝置串聯(lián)在振源與敏感設(shè)備之間，阻止振動傳遞的方法。隔振方法常用于姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)或光學(xué)載荷的振動抑制問題，消振方法則用于大型天線等低頻柔性部件的振動抑制問題。隔振方法分為被動隔振、主動隔振與半主動隔振等。被動與主動兩種隔振方式各有千秋，一般根據(jù)隔振的目的與限制條件合理選擇最佳方案。被動隔振無需輸入能量，結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)，主動隔振的性能往往比被動隔振優(yōu)越，但實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，且隔振裝置質(zhì)量較大。

控制力矩陀螺群組的控制問題，具有自身的特點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果表明，控制力矩陀螺的動力學(xué)與控制問題中需要解決的幾個主要問題為：系統(tǒng)動力學(xué)模型的建立、姿態(tài)控制器的設(shè)計(jì)、控制力矩陀螺奇異性分析、操縱律設(shè)計(jì)、系統(tǒng)誤差影響分析。其中控制過程中的奇異性是需要仔細(xì)探討與研究的重要問題。奇異問題的研究工作最初出現(xiàn)在機(jī)器人學(xué)與機(jī)構(gòu)學(xué)的研究領(lǐng)域中，在航天技術(shù)領(lǐng)域的研究可追溯到上世紀(jì)六、七十年代。當(dāng)控制力矩陀螺群組進(jìn)入奇異狀態(tài)，系統(tǒng)會失去三維控制能力，無法發(fā)揮其優(yōu)越的控制性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種輕巧型星上執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔振裝置，通過在上平臺與下平臺之間采用不同的鉸接方式安裝作動器，改變了控制力矩陀螺的安裝構(gòu)型，克服了控制力矩陀螺群組的奇異難題；通過活動元件、隔振元件和傳感器的配合，優(yōu)化了作動器的結(jié)構(gòu)，解決了含高速轉(zhuǎn)子的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的擾振問題；通過三個作動器的相互配合，減輕了隔振裝置的重量，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的隔振裝置笨重復(fù)雜的缺陷。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種輕巧型星上執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔振裝置，包括作動器、上平臺和下平臺；上平臺一側(cè)與擾振源固定連接，上平臺另一側(cè)與作動器一端鉸接，作動器另一端與下平臺一側(cè)鉸接，下平臺另一側(cè)與衛(wèi)星固定連接，上平臺與下平臺平行，作動器的數(shù)量設(shè)為三個，三個作動器在上平臺上共同鉸接于一點(diǎn)，擾振源的質(zhì)心在上平臺的垂直投影與三個作動器在上平臺的共同鉸接點(diǎn)重合，三個作動器在下平臺上分別鉸接于三點(diǎn)且三點(diǎn)連線呈等邊三角形，擾振源的質(zhì)心在下平臺的垂直投影與所述等邊三角形的中心重合。

在上述的一種輕巧型星上執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔振裝置中，所述三個作動器分別為第一作動器、第二作動器、第三作動器；第一作動器和第二作動器均通過球鉸鏈與上平臺連接，第一作動器和第二作動器均通過單自由度鉸鏈與下平臺連接，第三作動器通過球鉸鏈與上平臺和下平臺連接。

在上述的一種輕巧型星上執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔振裝置中，所述作動器包括活動元件、隔振元件和傳感器；隔振元件和傳感器均安裝在活動元件中，活動元件用于緩沖擾振源的振動傳遞，隔振元件用于抑制擾振源的振動傳遞，傳感器用于檢測活動元件的運(yùn)動狀態(tài)。

在上述的一種輕巧型星上執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔振裝置中，所述活動元件包括滑套、導(dǎo)軌和電機(jī)；滑套和導(dǎo)軌均采用圓柱體結(jié)構(gòu)，滑套一端設(shè)有用于連接上平臺的球鉸鏈，滑套另一端設(shè)有孔，隔振元件與導(dǎo)軌一端安裝在所述孔中，導(dǎo)軌另一端設(shè)有用于連接下平臺的球鉸鏈或單自由度鉸鏈，電機(jī)分別與滑套和導(dǎo)軌固定連接，用于驅(qū)動滑套沿導(dǎo)軌運(yùn)動，滑套和導(dǎo)軌均與傳感器連接，用于檢測滑套和導(dǎo)軌的相對位移。

在上述的一種輕巧型星上執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔振裝置中，所述隔振元件包括彈簧和阻尼墊；彈簧一端與阻尼墊貼合并安裝在滑套中，彈簧另一端與導(dǎo)軌貼合。

在上述的一種輕巧型星上執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔振裝置中，所述滑套與導(dǎo)軌同軸。

在上述的一種輕巧型星上執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔振裝置中，所述彈簧的剛度范圍是2000～10000N/m。

在上述的一種輕巧型星上執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔振裝置中，所述阻尼墊的阻尼范圍是0.1～0.5。

在上述的一種輕巧型星上執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔振裝置中，所述上平臺上設(shè)有用于連接作動器的球鉸支座。

在上述的一種輕巧型星上執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔振裝置中，所述下平臺上分別設(shè)有用于連接作動器的球鉸支座和單自由度鉸支座。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

【1】本發(fā)明同時具備隔振和變構(gòu)型的功能，既能抑制高速轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的高頻擾振，又能有效避免控制力矩陀螺等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入奇異狀態(tài)，通用性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、實(shí)用可靠。

【2】本發(fā)明已應(yīng)用于敏捷遙感衛(wèi)星的控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其實(shí)際使用性能及功效明顯優(yōu)于常規(guī)的雙框架陀螺隔振器，而且更加輕便，滿足了星上機(jī)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

【3】本發(fā)明的第一作動器和第二作動器均通過球鉸鏈與上平臺連接，第一作動器和第二作動器均通過單自由度鉸鏈與下平臺連接，第三作動器通過球鉸鏈與上平臺和下平臺連接，確保了有效控制三個作動器同時完成三向轉(zhuǎn)動。

【4】本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)緊湊，適用于多種工作環(huán)境，在復(fù)雜工況下依然能夠良好運(yùn)轉(zhuǎn)，具有良好的可操作性。

【5】本發(fā)明的電機(jī)和傳感器均為標(biāo)準(zhǔn)件，無需特制，而且便于維修和更換，大幅降低了生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)圖

圖2為本發(fā)明原理圖

圖3為本發(fā)明三個作動器分別與上平臺和下平臺連接的鉸接點(diǎn)位置圖

其中：1作動器；101第一作動器；102第二作動器；103第三作動器；2活動元件；201滑套；202導(dǎo)軌；203電機(jī)；3隔振元件；301彈簧；302阻尼墊；4傳感器；5上平臺；6下平臺；

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的方案更加明了，下面結(jié)合附圖說明和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

如圖1～3所示，一種輕巧型星上執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔振裝置，包括作動器1、上平臺5和下平臺6；上平臺5一側(cè)與擾振源固定連接，上平臺5另一側(cè)與作動器1一端鉸接，作動器1另一端與下平臺6一側(cè)鉸接，下平臺6另一側(cè)與衛(wèi)星固定連接，上平臺5與下平臺6平行，作動器1的數(shù)量設(shè)為三個，三個作動器1在上平臺上共同鉸接于一點(diǎn)，擾振源的質(zhì)心在上平臺的垂直投影與三個作動器1在上平臺的共同鉸接點(diǎn)重合，三個作動器1在下平臺上分別鉸接于三點(diǎn)且三點(diǎn)連線呈等邊三角形，擾振源的質(zhì)心在下平臺的垂直投影與所述等邊三角形的中心重合。

通過作動器1改變控制力矩陀螺的構(gòu)型，三個作動器1分別為第一作動器101、第二作動器102、第三作動器103；第一作動器101和第二作動器102均通過球鉸鏈與上平臺5連接，第一作動器101和第二作動器102均通過單自由度鉸鏈與下平臺6連接，第三作動器103通過球鉸鏈與上平臺5和下平臺6連接，不將三個作動器1的下端均通過單自由度鉸鏈連接是因?yàn)椋河扇齻€單自由度鉸鏈進(jìn)行約束時，可控制的三個自由度中必然包含垂直方向的平動自由度，因此無法控制三個作動器1同時完成三向轉(zhuǎn)動。

作動器1包括活動元件2、隔振元件3和傳感器4；隔振元件3和傳感器4均安裝在活動元件2中，活動元件2用于緩沖擾振源的振動傳遞，隔振元件3用于抑制擾振源的振動傳遞，傳感器4用于檢測活動元件2的運(yùn)動狀態(tài)。

活動元件2包括滑套201、導(dǎo)軌202和電機(jī)203；滑套201和導(dǎo)軌202均采用圓柱體結(jié)構(gòu)，滑套201一端設(shè)有用于連接上平臺5的球鉸鏈，滑套201另一端設(shè)有孔，隔振元件3與導(dǎo)軌202一端安裝在所述孔中，導(dǎo)軌202另一端設(shè)有用于連接下平臺6的球鉸鏈或單自由度鉸鏈，電機(jī)203分別與滑套201和導(dǎo)軌202固定連接，用于驅(qū)動滑套201沿導(dǎo)軌202運(yùn)動，滑套201和導(dǎo)軌202均與傳感器4連接，用于檢測滑套201和導(dǎo)軌202的相對位移。

隔振元件3包括彈簧301和阻尼墊302；彈簧301一端與阻尼墊302貼合并安裝在滑套201中，彈簧302另一端與導(dǎo)軌202貼合。

滑套201與導(dǎo)軌202同軸。

彈簧301的剛度范圍是2000～10000N/m。

阻尼墊302的阻尼范圍是0.1～0.5。

上平臺5上設(shè)有用于連接作動器1的球鉸支座。

下平臺6上分別設(shè)有用于連接作動器1的球鉸支座和單自由度鉸支座。

本發(fā)明的工作原理是：

控制力矩陀螺的力矩輸出能力及奇異狀態(tài)，與其群組的安裝構(gòu)型有密切聯(lián)系，如果在框架角組合的情況下，陀螺群的角動量相互平行，則陀螺群在該方向上不能輸出力矩，傳統(tǒng)的單框架控制力矩陀螺群組陷入奇異狀態(tài)時，利用改變安裝角的方式使其奇異狀態(tài)得到改善，提高其三維控制能力。

本發(fā)明說明書中未詳細(xì)描述的內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。