阅读说明：本技术 一种超声电机驱动的超稳卫星平台及其控制方法 (Superstable satellite platform driven by ultrasonic motor and control method thereof ) 是由 李华峰 陈浩 于 2020-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超声电机驱动的超稳卫星平台及其控制方法,超稳卫星平台包括柔性电缆以及通过所述柔性电缆相连接的载荷模块和调姿模块；载荷模块用于承载有效载荷,有效载荷对卫星平台具有稳定性要求；载荷模块包括载荷平台以及设置在载荷平台上的第一姿态敏感器、锁紧线圈组、第一无线收发模块；调姿模块用于对载荷模块进行姿态调整；调姿模块包括三自由度机械臂、直线型超声电机、旋转型超声电机、电磁电机、控制模块、第二无线收发模块；第二无线收发模块与第一无线收发模块进行无线通信。本发明能够完成载荷模块和调姿模块的大角度相对运动,实现了卫星平台的高精度指向和振动抑制。(The invention discloses an ultra-stable satellite platform driven by an ultrasonic motor and a control method thereof, wherein the ultra-stable satellite platform comprises a flexible cable, and a load module and an attitude adjusting module which are connected through the flexible cable; the load module is used for bearing an effective load, and the effective load has a stability requirement on the satellite platform; the load module comprises a load platform, a first attitude sensor, a locking coil group and a first wireless transceiver module, wherein the first attitude sensor, the locking coil group and the first wireless transceiver module are arranged on the load platform; the posture adjusting module is used for adjusting the posture of the load module; the posture adjusting module comprises a three-degree-of-freedom mechanical arm, a linear ultrasonic motor, a rotary ultrasonic motor, an electromagnetic motor, a control module and a second wireless transceiver module; the second wireless transceiver module is in wireless communication with the first wireless transceiver module. The invention can complete the large-angle relative motion of the load module and the attitude adjusting module, and realizes the high-precision pointing and vibration suppression of the satellite platform.)

一种超声电机驱动的超稳卫星平台及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种超声电机驱动的超稳卫星平台及其控制方法，属于卫星平台技术领域。

背景技术

随着高分辨率光学载荷、深空望远镜、星间激光通信等航天活动的不断发展，航天器携带的高性能载荷对指向精度和姿态稳定度的要求越来越高，因此对航天器微振动的隔离技术提出了更高的要求。

目前，卫星的隔振技术根据隔振平台接口的刚度主要分为两类：

1.硬连接隔振。硬连接隔振系统主要包括无源的被动隔振系统和使用驱动器、传感器组成的主动隔振系统，其中驱动器主要包括压电驱动器、音圈驱动器和磁致伸缩驱动器。硬连接隔振具有以下缺点：首先，无源的被动隔振不能有效地隔离低频振动；其次，主动隔振受传感器测量精度以及驱动器定位精度的影响，难以实现高稳定性的振动隔离以及高精度的指向功能；再次，由于受驱动器行程的影响，隔振平台不能实现大角度、大位移的指向；最后，由于主动隔振需要不断的进行振动隔离，因此需要消耗大量的电能，对于在轨卫星来说，电能主要来自太阳能帆板，大量的电能消耗会影响卫星的主要任务。

2.软连接隔振。软连接隔振系统通过非接触驱动器和非接触传感器将卫星分为互不接触的载荷部分和支持部分，因此，能够将支持模块产生的干扰隔离至零频，软连接主要包含DFP(Disturbance-Free Payload，无干扰有效载荷)系统和双体卫星隔振系统。由于非接触传感器获得的测量信息用于驱动支持模块上的执行机构，因此软连接隔振系统的隔振性能不受传感器精度的影响。但是，由于非接触执行器的行程小，因此支持模块的运动需要跟随载荷模块的运动，当载荷模块进行快速机动时，支持模块也要进行快速机动，这就需要在支持模块上安装具有大力矩能力的执行机构，这无疑增加了控制系统的复杂程度以及航天器的能量消耗。

由此，目前急需一种能够解除非接触执行器行程的限制、实现载荷模块和支持模块大角度相对运动的机构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种超声电机驱动的超稳卫星平台及其控制方法，以解决现有技术存在的问题，能够实现载荷模块和调姿模块的大角度相对运动。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种超声电机驱动的超稳卫星平台，包括柔性电缆以及通过所述柔性电缆相连接的载荷模块和调姿模块；

所述载荷模块包括载荷平台以及设置于载荷平台上的第一姿态传感器、锁紧线圈组、第一无线收发模块，锁紧线圈组、第一姿态传感器分别与第一无线收发模块电连接；所述载荷平台用于承载有效载荷，载荷平台的底部中间有一半球形凹坑，且半球形凹坑的球心与载荷平台底面中心位于同一平面上，锁紧线圈组设置于半球形凹坑内壁上；

所述调姿模块包括三自由度机械臂、直线型超声电机、旋转型超声电机、电磁电机、控制模块、第二无线收发模块，直线型超声电机、旋转型超声电机、电磁电机、第二无线收发模块分别与控制模块电连接，三自由度机械臂顶端设有半球形铁球，底端与旋转型超声电机相连，旋转型超声电机与电磁电机相连，直线型超声电机设置于三自由度机械臂上，三自由度机械臂上还设有第二姿态传感器、非接触位置传感器，第二姿态传感器、非接触位置传感器分别与控制模块连接，第二无线收发模块与第一无线收发模块进行无线通信；

所述第一姿态传感器用于感知载荷平台的姿态信息；第一无线收发模块用于将第一姿态传感器所采集的姿态信息通过无线传输模式发送至第二无线收发模块；

所述第二姿态传感器用于感知三自由度机械臂的姿态信息，非接触位置传感器用于感知三自由度机械臂与载荷平台之间的相对位置信息，半球形铁球用于调姿时与载荷平台的连接，控制模块用于根据载荷平台的姿态信息、三自由度机械臂的姿态信息以及三自由度机械臂与载荷平台之间的相对位置信息，控制直线型超声电机、旋转型超声电机、电磁电机联动，从而驱动三自由度机械臂运动。

作为本发明超稳卫星平台的一种优选方案，所述三自由度机械臂具有两个转动自由度和一个平动自由度。

一种超声电机驱动的超稳卫星平台的控制方法，基于如上所述超声电机驱动的超稳卫星平台实现，包括如下步骤：

步骤1，利用第一姿态传感器感知载荷平台的姿态信息，利用第二姿态传感器感知三自由度机械臂的姿态信息，利用非接触位置传感器用于感知三自由度机械臂与载荷平台之间的相对位置信息；

步骤2，控制模块根据载荷平台的姿态信息、三自由度机械臂的姿态信息以及三自由度机械臂与载荷平台之间的相对位置信息，驱动三自由度机械臂，使三自由度机械臂顶端的半球形铁球伸入载荷平台底部的半球形凹坑中，且半球形铁球外表面中心点与半球形凹坑内壁中心点之间的距离小于1mm；

步骤3，向旋转型超声电机和直线型超声电机中通入同相电，使它们都处于超声悬浮状态；向锁紧线圈组通电，使调姿模块与载荷模块通过半球形铁球连接到一起；

步骤4，控制模块根据载荷平台的姿态信息以及载荷平台的新位姿信息驱动三自由度机械臂，使调姿模块带动载荷平台运动至新位姿；

步骤5，令锁紧线圈组断电，使调姿模块与载荷平台分离；控制模块根据三自由度机械臂的姿态信息、载荷平台的姿态信息以及三自由度机械臂与载荷平台的相对位置信息，驱动三自由度机械臂，使调姿模块与载荷平台分离。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明通过姿态传感器采集调姿模块和载荷模块的姿态信息，通过非接触位置传感器采集调姿模块与载荷模块之间的相对位置信息，实现对调姿模块和载荷模块位姿的准确检测；通过锁紧线圈的通断电实现调姿平台和载荷模块的连接和分离，在锁紧线圈通电的情况下，通过半球形铁球将调姿模块与载荷模块连接在一起，由三自由度机械臂的运动带动载荷模块进行姿态调整，实现了载荷模块的大角度姿态调整。

2、本发明在调姿模块与载荷模块连接的过程中，向三自由度机械臂上的超声电机通同相电，使超声电机处于超声悬浮状态，有效减小了调姿平台和载荷模块进行连接过程中造成的冲击振动，进一步增强了卫星平台的振动抑制。

附图说明

图1是本发明超稳卫星平台结构框图。

图2是本发明超稳卫星平台结构示意图。

图3是本发明实施例中载荷平台与锁紧线圈组结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1和图2所示，本实施例提供一种超稳卫星平台，包括载荷模块、调姿模块、柔性电缆，载荷模块和调姿模块通过柔性电缆相连接；载荷模块与调姿模块互不接触。

载荷模块用于承载有效载荷，有效载荷对卫星平台具有高稳定性要求；载荷模块包括载荷平台以及设置在载荷平台上的第一姿态传感器、锁紧线圈组、第一无线收发模块；载荷平台底部设有一半球形凹坑，锁紧线圈组设置于半球形凹坑内壁上，如图3所示；

第一姿态传感器用于感知载荷平台的姿态信息；

锁紧线圈组通过通电和断电完成调姿模块与载荷模块之间的连接和分离；

第一无线收发模块用于与调姿模块进行无线通讯，将第一姿态传感器所采集的姿态信息通过无线传输模式发送至调姿模块。

调姿模块用于对载荷模块进行姿态调整；调姿模块包括旋转型超声电机、直线型超声电机、电磁电机、三自由度机械臂、控制模块、第二无线收发模块；控制模块与三自由度机械臂相连，三自由度机械臂上设有第二姿态传感器、半球形铁球、非接触位置传感器；

调姿模块用于带动载荷模块进行姿态调整；

第二姿态传感器用于感知三自由度机械臂的姿态信息；

半球形铁球用于载荷模块与调姿模块相连接，即载荷平台与三自由度机械臂相连接；

非接触位置传感器用于感知三自由度机械臂与载荷平台之间的相对位置信息；

三自由度机械臂用于驱动调姿平台运动；三自由度机械臂上设有一个旋转型超声电机和一个直线型超声电机以及一个电磁电机，三自由度机械臂具有两个转动自由度和一个平动自由度，超声电机用于驱动三自由度机械臂；

控制模块用于对三自由度机械臂进行控制，通过三自由度机械臂带动调姿平台运动；

第二无线收发模块用于与第一无线收发模块进行无线通讯，接收第一姿态传感器所采集的姿态信息；

柔性电缆用于调姿模块与载荷模块之间的能量传输。

在轨卫星的有效载荷如深空望远镜在太空中需要进行指向、姿态调整，本实施例提供一种调姿控制方法，包括如下步骤：

步骤S1、连接调姿模块与载荷平台

第一姿态传感器感知和采集载荷平台的姿态信息，并通过第一无线收发模块和第二无线收发模块将载荷平台的姿态信息传送至控制模块，第二姿态传感器感知和采集三自由度机械臂的姿态信息，非接触位置传感器感知和采集载荷平台与三自由度机械臂之间的相对位置信息；控制模块根据第一姿态传感器、第二姿态传感器和非接触位置传感器所采集的信息驱动三自由度机械臂，使三自由度机械臂端部的半球形铁球伸入载荷平台的凹坑中，且铁球与凹坑底部间距小于1mm。

由于超声电机具有断电自锁能力，因此，三自由度机械臂在不通电的情况下无法***。通过控制模块向三自由度机械臂上的每个超声电机通入同相电压，在同相电压的作用下，超声电机转子处于超声悬浮状态，因此三自由度机械臂处于***状态，此时向载荷模块的锁紧线圈组通电，调姿模块和载荷平台能够以最小的冲击通过电磁铁相连。

步骤S2、通过三自由度机械臂带动载荷模块进行位姿调整

控制模块通过第一姿态传感器所采集的信息以及载荷模块的新位姿信息驱动三自由度机械臂，使三自由度机械臂带动载荷模块运动至新位姿；其中新位姿信息由卫星上有效载荷的任务指令来确定，例如，调整载荷模块，使卫星指向新的星体。通过三自由度机械臂带动载荷模块运动调姿，实现了载荷模块大角度的姿态调整，避免了使用大功率反作用轮进行大角度姿态，而且，由于超声电机响应快，实现了对载荷模块姿态调整的快速响应。

步骤S3、分离调姿模块与载荷平台，并对载荷模块的姿态进行微调

载荷模块运动至新位姿后，锁紧线圈组断电，使调姿模块与载荷平台分离，控制模块根据第一姿态传感器、第二姿态传感器和非接触位置传感器所采集的信息驱动三自由度机械臂，使调姿模块与载荷平台分离。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。