第 1 章 绪论
1.1 研究目的及意义
近年来深空勘测开发成为当下的热点，各国对航天事业的重视程度越来越高。2004 年我国正式开启“嫦娥工程”，并于 2007 年“嫦娥一号”发射圆满成功，拉开了我国探测外太空的新篇章[1]。未来随着航天事业的不断发展，更多的航天设备将多种探测器运送到外太空进行勘测，为人类认识外太空提供重要的数据支持[2,3]。如何将航天设备安全送入外太空成为重中之重，因此在地球表面搭建低重力环境实现航天设备仿真实验极为必要。近年来人类为了在地面验证航天设备的稳定性和安全性，提出了一系列低重力环境模拟方法，如气悬浮法、落塔法、悬吊法等，其中悬吊法地面低重力环境模拟方法应用广泛[4,5]。悬吊法低重力环境模拟装置对实验环境要求较低，与落塔法相比实验时间更长，比气悬浮法更稳定且控制精度更高，因此应用较广，主要应用于星球车、机械臂、飞行器等低重力实验中[6,7]。悬吊法水平随动控制系统在竖直方向上通过恒张力装置提供一个补偿力，用于抵消目标体自身重力实现竖直方向的低重力模拟[8]；本文主要研究随动控制系统在水平方向上的跟踪情况，首先构造基于吊线摆角调节的位置跟踪系统，当目标体在水平方向运动产生偏角时，位置跟踪系统通过补偿偏角控制悬吊装置迅速跟踪目标体移动，实现对航天设备水平运动的实时模拟。
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1.2 悬吊法水平随动控制系统研究现状
近年来深空勘测开发成为当下的热点，各国对航天事业的重视程度越来越高。2004 年我国正式开启“嫦娥工程”，并于 2007 年“嫦娥一号”发射圆满成功，拉开了我国探测外太空的新篇章[1]。未来随着航天事业的不断发展，更多的航天设备将多种探测器运送到外太空进行勘测，为人类认识外太空提供重要的数据支持[2,3]。如何将航天设备安全送入外太空成为重中之重，因此在地球表面搭建低重力环境实现航天设备仿真实验极为必要。近年来人类为了在地面验证航天设备的稳定性和安全性，提出了一系列低重力环境模拟方法，如气悬浮法、落塔法、悬吊法等，其中悬吊法地面低重力环境模拟方法应用广泛[4,5]。悬吊法低重力环境模拟装置对实验环境要求较低，与落塔法相比实验时间更长，比气悬浮法更稳定且控制精度更高，因此应用较广，主要应用于星球车、机械臂、飞行器等低重力实验中[6,7]。悬吊法水平随动控制系统在竖直方向上通过恒张力装置提供一个补偿力，用于抵消目标体自身重力实现竖直方向的低重力模拟[8]；本文主要研究随动控制系统在水平方向上的跟踪情况，首先构造基于吊线摆角调节的位置跟踪系统，当目标体在水平方向运动产生偏角时，位置跟踪系统通过补偿偏角控制悬吊装置迅速跟踪目标体移动，实现对航天设备水平运动的实时模拟。
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第 2 章 水平随动控制系统总体方案设计
2.1 水平随动控制系统设计要求与功能分析
水平随动控制系统实验装置的实验对象为卫星模型，该卫星模型设有主动喷气功能，喷气时间为 1s，喷气推力为 1N。根据随动系统的功能设计如下控制要求：1. 水平随动控制系统悬吊目标体受到1N s的冲量下，速度误差保持在 5%以内。2. 悬吊目标体受到1N s的冲量时，水平随动控制系统响应时间小于 0.5s 。3. 随动平台跟随范围为 3m 5m。4. 随动平台速度范围为 ±0.1m/s 。5. 随动平台加速度范围为2±0.1m/s 。6. 吊索摆角控制小于 0.1 。除上述控制要求外，设计水平随动控制系统时还应该注意其它方面的设计要求，如机械结构精度、控制系统闭环周期、数据测量频率等，还应考虑各个模块的具体布局及整个控制系统的稳定性等。
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2.2 水平随动控制系统总体规划设计
水平随动控制系统结构示意图如图 2-2 所示，摆角测量系统实时测量吊索是否竖直并将吊索状态作为输入实时反馈给位置跟踪系统，当吊索产生摆角时位置跟踪系统会根据已有的控制器计算输出给到伺服驱动器，从而控制伺服电机带动随动平台主动跟踪目标体，完成实时跟随，保持吊索竖直。水平随动控制系统示意图如图 2-3 所示，机架由型铝拼接构成。位置跟踪系统由 x 方向和 y 方向两个伺服电机、减速机、拖链、滑动块等元件组成；摆角测量系统包括 PSD 自准直仪，平面反射镜等。
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第 3 章 悬吊随动平台控制算法设计...............14
3.1 水平随动控制系统控制算法分析...............14
3.2 水平随动系统控制算法设计................14
第 4 章 水平随动控制系统设计...............21
4.1 水平随动控制系统硬件设计...............21
4.2 水平随动控制系统软件设计...............26
第 5 章 悬吊法水平随动控制系统仿真及实验...............37
5.1 水平随动系统实验仿真...............37
5.2 水平随动控制系统实验结果分析...............40
第 5 章 悬吊法水平随动控制系统仿真及实验
5.1 水平随动系统实验仿真
为了验证基于等效控制的滑模控制算法性能，本文在 Matlab Simulink 环境下对水平随动控制系统进行仿真分析，水平随动控制系统仿真框图如图 5-2 所示，模块 Horizontal Servo Control System 为被控对象模型，模块 slide modecontroller 为滑模控制器。随动平台质量M 为 300kg，悬吊体质量m 分别为 70kg 和 100kg，吊索长度l 为 1.5m，吊索摆动中的等效阻尼系数sc 为 0.002，积分收敛项1c 为 180000，比例收敛项2c 为 8900，滑模趋近律的增益 D 为 0.5，指数收敛项 为 9.5。在上述参数下对水平随动系统进行仿真。
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5.2 水平随动控制系统实验结果分析
由于仿真结果分析了基于等效控制的滑模控制算法相对于传统 PID 算法更有优势，因此实验中只用基于等效控制的滑模控制算法对质量为 50kg 的实验目标体在 x 轴方向进行了实验验证。图 5-5(a)为 PSD 高频准直仪实时反馈的吊索摆角值，由图可知在零时刻目标体受到一个喷气推力，实验开始 4s 后吊索摆角收敛到零附近，且并未引起抖动。
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结论
航天设备在进行深空探测之前需要在地面完成各种实验测试，因此在地面设置完善的低重力环境模拟装置尤为重要。本文设计的悬吊法水平随动控制系统的控制目标是实时跟踪悬吊目标体并保证吊索始终处于竖直状态，从而在地面模拟低重力环境，具体内容如下：1. 本文设计一套悬吊法水平随动控制系统，实现低重力环境模拟。该系统包括位置跟踪和摆角测量两个部分，当目标体受到水平方向干扰时摆角测量系统会实时采集吊索摆角并解耦为 x、y 两个方向，然后将解耦后的摆角反馈到位置跟踪系统，控制器输出后控制 x、y 方向两套伺服系统从而驱动随动平台主动跟踪悬吊目标体，实时保持吊索竖直。
参考文献（略）
