高海波，牛福亮，劉振，于海濤，李楠

哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150001

微低重力環(huán)境包括在環(huán)星球軌道上近似為零的微重力環(huán)境以及在星球表面低于地球表面重力的低重力環(huán)境。處在微低重力環(huán)境中的航天器或宇航員的受力狀態(tài)與動力學(xué)特性明顯不同于在地球重力環(huán)境下。較小的重力使得航天器在有限的運載火箭發(fā)射載荷能力下可采用相較于地面強度、剛度更弱的結(jié)構(gòu)件和驅(qū)動能力更小的驅(qū)動部件，從而為部署更多的其他器件提供空間。但這會導(dǎo)致在地球重力下這些航天器很輕易發(fā)生變形損壞，無法正常放置和進(jìn)行相關(guān)測試實驗。微低重力使得宇航員能夠付出更少的肌肉力量來完成維修操作和搬運任務(wù)等。但這使得宇航員在太空中的“體感”與地球重力環(huán)境下大大不同，在地面進(jìn)行的操作訓(xùn)練對太空任務(wù)執(zhí)行的指導(dǎo)意義大打折扣[1-2]。

為了解決上述問題，需要研制一種在地面使用的能夠模擬太空微低重力環(huán)境的系統(tǒng)，使得部署其中的航天器能夠在地面進(jìn)行發(fā)射前的測試實驗，宇航員能夠在地面開展太空任務(wù)模擬訓(xùn)練。為航天任務(wù)的順利開展提供充足的實驗驗證與較高的可靠性[3-5]。

在地面模擬太空微低重力環(huán)境的研究和應(yīng)用由來已久且研究成果較多，例如美國、蘇聯(lián)等國家從20世紀(jì)60年代開始設(shè)計過多種針對月球車、宇航員等應(yīng)用的微低重力模擬系統(tǒng)。按照模擬原理的不同可以分為落塔法、拋物飛行法、水浮法、氣浮法、懸吊法、外骨骼法和機械臂托舉法。對這些方法的橫向?qū)Ρ热绫?所示。

表1 各種微低重力模擬方法的對比Table 1 Comparison of various micro-low gravity simulation methods

綜合分析，懸吊法綜合優(yōu)勢最大，目前研究成果也最多。隨著針對其控制策略研究的發(fā)展，懸吊式微低重力模擬精度越來越高，使得該方法被越來越多地應(yīng)用于微低重力模擬場合。本文的綜述內(nèi)容主要圍繞懸吊法的研究現(xiàn)狀、主要研究問題、關(guān)鍵技術(shù)和未來發(fā)展趨勢展開。

1 懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外存在很多懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)的研究成果，在航天器和宇航員上都有應(yīng)用，并且方案構(gòu)型形式多樣。下面從國內(nèi)外2個角度對一些典型的懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)的研究成果進(jìn)行研究現(xiàn)狀的綜述。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外的懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)以NASA的研究成果最多，按照直接提供重力補償力的子系統(tǒng)中是否含有電機、電缸等主動驅(qū)動器件將研究成果分為被動式和主動式兩類。

1)被動懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)

被動的微低重力模擬一般采用固定長度吊索直接懸吊、配重式懸吊和彈簧式懸吊3種。相關(guān)研究成果的原理介紹和性能對比列在表2中。

表2 國外被動懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)對比Table 2 Comparison of foreign passive-suspended micro-low gravity simulation systems

續(xù)表

2)主動懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)

主動懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)中電機、電缸的控制閉環(huán)使得系統(tǒng)可以實現(xiàn)較高的微低重力模擬精度與足夠的快速性。目前主要研究成果的原理介紹和性能對比分析如表3所示。

表3 國外主動懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)對比Table 3 Comparison of foreign active-suspended micro-low gravity simulation systems

續(xù)表

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)研究成果主要集中在航天器的微低重力模擬方面。同樣將研究成果分為被動式和主動式2類進(jìn)行綜述。

1)被動懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)

國內(nèi)的被動懸吊式也主要采用簡單的固定長度吊索懸吊，配重懸吊或彈簧懸吊。目前主要研究成果的原理介紹和性能對比如表4所示。

續(xù)表

2)主動懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)

國內(nèi)的主動懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)研究成果較多，相比被動式模擬實現(xiàn)了更高的微低重力模擬精度，目前主要研究成果的原理介紹和性能對比如表5所示。

表5 國內(nèi)主動懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)對比Table 5 Comparison of domestic active-suspended micro-low gravity simulation systems

續(xù)表

1.3 按微低重力模擬原理總結(jié)的研究成果

1.1節(jié)和1.2節(jié)對現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行了被動式和主動式的分類并做了詳細(xì)的介紹。從微低重力模擬原理和現(xiàn)有成果的性能特征角度綜合分析，對每一個大類進(jìn)行更詳細(xì)的分類并總結(jié)各類具有的優(yōu)勢和不足,如表6所示。

表6 按微低重力模擬原理總結(jié)的研究成果Table 6 Summary of research results according to principle of micro-low gravity simulation

2 懸吊式微低重力模擬的共性研究問題及關(guān)鍵技術(shù)

懸吊式系統(tǒng)絕大部分采用豎直單索懸吊，因此本文主要對這類系統(tǒng)進(jìn)行討論。懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)滿足以下2條設(shè)計準(zhǔn)則：

1) 吊索補償力恒等于被吊對象全部或部分重力，分別對應(yīng)微重力和低重力模擬。

2) 吊索補償力方向與重力方向相反，即吊索要豎直，補償力的水平分量盡可能為0。

第1條準(zhǔn)則保證了豎直方向微低重力模擬需求，相關(guān)子系統(tǒng)稱為恒拉力子系統(tǒng)，提供恒定吊索力及豎直位移。第2條保證了水平方向微低重力模擬需求，相關(guān)子系統(tǒng)為二維位置隨動子系統(tǒng)與目標(biāo)位姿采集子系統(tǒng)，提供吊索豎直及水平位移。分析這2條設(shè)計準(zhǔn)則和現(xiàn)有研究成果的構(gòu)型方案，可以歸納出目前在懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)研究中存在的3個共性問題：

1) 如何設(shè)計同時滿足高帶寬和高抗擾需求的恒拉力子系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的快速性決定了電機對吊索力擾動的抑制能力，帶寬越高，快速性越好。高負(fù)載情況下實現(xiàn)高動態(tài)性能對電機提出了較高的要求。同時吊索力容易有沖擊突變，通常需要引入可等效為低通濾波器的彈性環(huán)節(jié)對力沖擊進(jìn)行抑制，降低吊索力誤差，但同時也降低了系統(tǒng)帶寬，并且使系統(tǒng)變成帶有柔性環(huán)節(jié)的欠驅(qū)動系統(tǒng)。高帶寬和高抗擾成為一對矛盾需要折中處理，算法的設(shè)計也變得復(fù)雜。該算法類似于柔性關(guān)節(jié)機械臂進(jìn)行人機交互的柔順控制。此處對應(yīng)第1個關(guān)鍵技術(shù)：寬頻帶高抗擾恒拉力技術(shù)。

2) 在3個平移自由度方向如何同時消除力誤差和力誤差積分產(chǎn)生的累積速度誤差

在低重力模擬工況下被吊對象大部分時間接觸地，由于地面支持力的實時變化會消除豎直力誤差的累積和水平干擾力誤差的累積，因此控制算法只需消除3個平移自由度方向的當(dāng)前力誤差即可。但是在微重力模擬工況下，被吊對象漂浮時3個平移自由度方向的力誤差會累積從而產(chǎn)生被吊對象的速度誤差。因此在控制算法上需要同時消除力誤差與力誤差積分產(chǎn)生的累積速度誤差。在實際操作中容易遇到積分器長時間開啟產(chǎn)生發(fā)散，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。除此之外，豎直方向存在彈性環(huán)節(jié)，水平方向存在長吊索，即3個平移方向都是欠驅(qū)動。雙控制目標(biāo)、欠驅(qū)動讓控制算法設(shè)計變得復(fù)雜。這是目前該系統(tǒng)急需解決的一個問題。此處對應(yīng)第2個關(guān)鍵技術(shù)：低力誤差與力誤差積分控制技術(shù)。

3) 如何設(shè)計同時滿足高速、高精度、大范圍測量需求的目標(biāo)位姿采集子系統(tǒng)

采集到的吊索傾角或目標(biāo)位姿信息作為二維位置隨動子系統(tǒng)的反饋通道作用十分重要。目前的技術(shù)背景下，高速(>500 Hz)、高精度(<0.01°或<1 mm)、大范圍(>2 m×2 m×2 m)三指標(biāo)同時滿足實時位姿采集是一個技術(shù)難點，通常需要優(yōu)先滿足最關(guān)鍵指標(biāo)而對另外的指標(biāo)做出讓步，這無疑會降低系統(tǒng)的位置隨動性能和水平方向微低重力模擬真實度。此處對應(yīng)第3個關(guān)鍵技術(shù)：目標(biāo)位姿高速高精度大范圍采集技術(shù)。

3 懸吊式微低重力模擬關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 寬頻帶高抗擾恒拉力技術(shù)

此類恒拉力技術(shù)主要針對剛性驅(qū)動+彈性緩沖懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)討論。此類系統(tǒng)的研究成果較多，除了在懸吊式微低重力模擬領(lǐng)域之外，在康復(fù)機械等領(lǐng)域也有應(yīng)用。剛性驅(qū)動主要實現(xiàn)高頻帶特性，通常為電機、電動缸、氣缸等，目前高端器件能夠?qū)崿F(xiàn)很高的帶寬，因此此類系統(tǒng)主要的性能約束產(chǎn)生在彈性緩沖環(huán)節(jié)，下面根據(jù)彈性緩沖實現(xiàn)方式的不同將此類恒拉力系統(tǒng)分為3類進(jìn)行具體綜述。

3.1.1 驅(qū)動部件+被動彈性元件式恒拉力系統(tǒng)

驅(qū)動部件+被動彈性元件式是最簡單的恒拉力方式。被動彈性元件主要為彈簧、氣缸里的空氣和一些特殊設(shè)計的彈性體。這一類系統(tǒng)在現(xiàn)有的懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)中應(yīng)用較多，具體構(gòu)型和實例如表7所示。

表7 驅(qū)動部件+被動彈性元件式系統(tǒng)構(gòu)型及實例

這類系統(tǒng)構(gòu)型原理簡單，但是當(dāng)存在沖擊載荷時，吊索力發(fā)生突變，電機無法瞬間響應(yīng)，此時的吊索力擾動完全靠被動彈性元件抑制。力誤差值直接受被動彈性元件剛度影響，剛度越低，吊索力誤差越小。由于這些彈性元件剛度無法做到很低，所以沖擊載荷下的力誤差值無法抑制到很小。這個弊端在后面2類系統(tǒng)中得到了改善。

3.1.2 驅(qū)動部件+主動彈性元件式恒拉力系統(tǒng)

被動彈性元件剛度受限的問題可以通過為彈性元件增加主動驅(qū)動源來改善，即通過主動驅(qū)動來調(diào)節(jié)彈性元件的變形，從而能夠降低一定剛度并提供更好的擾動抑制能力。表5系統(tǒng)9采用的即為該方法，原理如圖1所示[98]。卷揚電機負(fù)責(zé)吊索大的豎直位移，電動推桿+緩沖彈簧構(gòu)成了一個主動彈性元件，負(fù)責(zé)吊索力的恒定控制。

圖1 月球巡視器低重力模擬系統(tǒng)中恒力懸吊原理圖[98]Fig.1 Principle diagram of constant force suspension in low gravity simulation system of lunar patrol device[98]

同樣原理的恒拉力方案也應(yīng)用在2個有關(guān)康復(fù)系統(tǒng)的研究成果中：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Frey等[104]研制的體重支撐系統(tǒng)，如圖2所示；南開大學(xué)的楊卓等[105-106]研制的主動式體重支撐系統(tǒng)，其中采用的恒拉力系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院人體體重支撐系統(tǒng)[104]Fig.2 Human body weight support system of Swiss Federal Institute of Technology Zurich [104]

圖3 南開大學(xué)研制的恒拉力系統(tǒng)[106]Fig.3 Constant force system of Nankai University[106]

圖1～圖3的恒拉力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的拉力精度，但是在出現(xiàn)沖擊擾動時，首先也是彈性元件被壓縮，然后其驅(qū)動源才去調(diào)節(jié)，雖然相比完全被動有了改善，但還是存在改進(jìn)的空間。同時雙驅(qū)動部件也增加了成本和復(fù)雜性。

3.1.3 驅(qū)動部件+恒拉力機構(gòu)(或低剛度機構(gòu))式恒拉力系統(tǒng)

為了進(jìn)一步降低吊索剛度實現(xiàn)更小的拉力誤差，一部分研究成果設(shè)計了特殊的不含驅(qū)動源的恒拉力機構(gòu)(或低剛度機構(gòu))來代替普通的被動彈簧。恒拉力機構(gòu)即為一類能夠在一定的輸出行程內(nèi)保持輸出力基本恒定的機構(gòu)。相較于普通彈性元件，其在高載荷，大位移下能保持更低的剛度，因此對吊索力誤差的抑制效果更好。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)在表5系統(tǒng)6和7中采用了一種旁路張緊式恒拉力機構(gòu)，如圖4所示。構(gòu)型為一個拉簧從側(cè)面拉動特殊長度的擺桿，擺桿上的滑輪對吊索施加作用力，在擺桿上下擺動的特定行程內(nèi)，彈簧張緊力在與吊索平行的豎直方向上的分量始終恒定。從而為吊索提供了恒力的緩沖。

圖4 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的旁路張緊式恒拉力機構(gòu)Fig.4 Bypass tension constant-force mechanism developed by Harbin Institute of Technology

目前該研究團(tuán)隊針對宇航員懸吊的寬頻帶需求，設(shè)計了如圖5所示的串聯(lián)張緊式恒拉力系統(tǒng)[107-109]。在力矩電機和卷筒之間串聯(lián)恒拉力機構(gòu)。該機構(gòu)采用正負(fù)剛度疊加的原理，徑向布置的壓簧在零位附近提供負(fù)剛度，軸線處布置的扭桿彈簧提供正剛度，疊加的結(jié)果為低剛度，可調(diào)至0剛度即恒力輸出從而抑制吊索力擾動。

上面介紹的2種恒拉力機構(gòu)是目前應(yīng)用在懸吊式系統(tǒng)中的實例。在其他領(lǐng)域恒拉力機構(gòu)的應(yīng)用也十分廣泛，Wang和Xu[110]對恒力機構(gòu)設(shè)計和建模的最新發(fā)展進(jìn)行了調(diào)查，并將其分為柔性恒力機構(gòu)和常規(guī)恒力機構(gòu)。前者依靠拓?fù)鋬?yōu)化得到的柔性構(gòu)件的彈性變形來實現(xiàn)恒力輸出；后者則基于剛性結(jié)構(gòu)和彈性元件的特殊組合實現(xiàn)恒力輸出?？紤]懸吊式恒拉力系統(tǒng)需要具有較大承載能力，可調(diào)性和可互換性，因此采用常規(guī)恒力機構(gòu)更適用。這類機構(gòu)按照采用的組件的不同主要分為依靠特殊布置的彈簧實現(xiàn)恒力輸出的純彈簧式恒力機構(gòu)[108]和依靠特殊設(shè)計輪廓的凸輪實現(xiàn)恒力輸出的彈簧-凸輪式恒力機構(gòu)[111-113]。

圖5 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的串聯(lián)張緊式恒拉力系統(tǒng)[108]Fig.5 Cascaded tension constant-force system developed by Harbin Institute of Technology[108]

3.2 低力誤差與力誤差積分控制技術(shù)

在目前的懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)研究成果中，大部分的研究只是消除3個平移自由度方向的力誤差，例如模糊PID控制[78]、積分型滑模變結(jié)構(gòu)控制[114]和基于小腦模型的控制[115]等。考慮力誤差積分消除控制的研究成果很少，僅查閱到的有針對水平干擾力消除的PID控制[116-117]和滑?？刂芠91,118]。在相近的領(lǐng)域，德國宇航中心的學(xué)者利用無源控制的思想對衛(wèi)星的微重力進(jìn)行模擬[20,119]，其沒有直接對力誤差積分進(jìn)行消除而是讓衛(wèi)星保持在無源狀態(tài)，消除了模擬系統(tǒng)和重力對衛(wèi)星的能量注入，從而保證了穩(wěn)定并間接消除了力誤差。下面對這3種方法進(jìn)行詳細(xì)的綜述。

3.2.1 PID控制

在對二維位置隨動控制的研究中，鄒勝宇等[116-117]對吊索傾角的消除進(jìn)行了研究。假設(shè)吊索力F控制得很好，F(xiàn)=mg，m為被吊對象質(zhì)量。吊索傾斜θ角度，此時產(chǎn)生的水平干擾力Fd為

Fd=mgsinθ

(1)

從時刻t0到時刻te，干擾力的沖量對被吊對象產(chǎn)生了一個干擾動量mΔv，可得

(2)

在實際的過程中吊索傾角θ較小，因此式(2)可以簡化為

(3)

因此為了使得水平干擾力產(chǎn)生的累積速度誤差為0，應(yīng)該讓式(3)為0，即

(4)

即傾角的積分為0，式(4)即為力誤差積分為0在水平位置隨動控制中的體現(xiàn)。為了保持吊索鉛錘，還應(yīng)該包含力誤差為0，即式(1)為0，體現(xiàn)為

θ=0°

(5)

跟隨結(jié)束進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時，傾角的角速度也為0 (°)/s，即

(6)

式(4)～式(6)即為實現(xiàn)水平隨動控制的控制律，分別對應(yīng)傾角的積分、比例、微分控制，即PID控制。其可以滿足力誤差和力誤差積分的消除需求。在實際的仿真中，也驗證了PID控制器的有效性。實際實驗中，應(yīng)對不同的激勵擾動，固定參數(shù)PID的表現(xiàn)仍需再測試，結(jié)合自適應(yīng)控制律調(diào)節(jié)PID參數(shù)能提高系統(tǒng)性能。

3.2.2 滑?？刂?/p>

同樣是在對二維隨動控制的研究中，高揚等[91,118]在式(4)～式(6)的基礎(chǔ)上，用滑?？刂茖崿F(xiàn)積分、比例、微分項的同時消除。其設(shè)計的滑模函數(shù)為

(7)

式中：c1與c2為常數(shù)；s代表滑模面。系統(tǒng)狀態(tài)收斂到滑模面時可以滿足傾角的積分、比例、微分均為0，即滿足了微低重力模擬需求。采用帶指數(shù)項的切換控制器可滿足快速收斂，令式(7)的導(dǎo)數(shù)為0可以導(dǎo)出等效控制律，疊加指數(shù)收斂控制器即可得到最終控制律。并且通過構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)可以證明穩(wěn)定性。該方法在仿真和實驗中也取得了較好的效果。但是也存在滑?？刂瞥３霈F(xiàn)的抖振問題。通過用飽和函數(shù)替代不連續(xù)切換函數(shù)能夠削弱抖振的影響。

3.2.3 無源控制

德國宇航中心De Stefano等[20,119]在用工業(yè)機械臂模擬衛(wèi)星微重力的實驗系統(tǒng)中采用了無源控制中的時域無源控制方法(TDPA法)，著重解決時延和離散積分帶來的系統(tǒng)無源性破壞從而不穩(wěn)定的問題。類似于其解決離散積分發(fā)散問題的思路，懸吊式系統(tǒng)也可以設(shè)計無源觀測器觀測系統(tǒng)能量變化，當(dāng)檢測到被吊對象動能的增加大于除吊索力之外的干擾力對被動對象做的功時，說明懸吊式系統(tǒng)對被動對象輸入了能量，被吊對象與外界的動力學(xué)接觸過程不再是無源的，因此會產(chǎn)生失穩(wěn)。無源條件可以設(shè)計為

(8)

式中：Eobsv為無源觀測器檢測到的能量；v0和v分別為初始時刻和當(dāng)前時刻的速度；Fout為作用在被吊質(zhì)量m上的外力。當(dāng)檢測到無源觀測器Eobsv值大于0時，用TDPA法中的無源控制器對系統(tǒng)的反饋力或速度指令進(jìn)行修正，原理為串聯(lián)或并聯(lián)一個可調(diào)電阻去消耗掉增加的能量，從而保證動力學(xué)接觸過程無源，進(jìn)而保證系統(tǒng)穩(wěn)定。微低重力模擬對應(yīng)于無源觀測器Eobsv=0，即無損系統(tǒng)，外力做功完全轉(zhuǎn)化為被吊對象動能變化，間接說明了吊索力與重力對被吊對象做的功剛好抵消，即實現(xiàn)了微低重力模擬，間接實現(xiàn)了力誤差和力積分誤差的消除。

除了TDPA方法，直接采用無源控制中較為普遍的能量成型和阻尼注入方法也可以保證系統(tǒng)的無源性[120-121]，進(jìn)而保證穩(wěn)定和力誤差積分的消除。該方法沒有直接應(yīng)用于微低重力模擬中的成果，但是具有很好的借鑒意義。無源控制方法有很強的物理直觀性，其存儲函數(shù)可以直接作為李雅普諾夫函數(shù)來證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此可以基于此進(jìn)行控制算法的設(shè)計。

3.3 目標(biāo)位姿高速高精度大范圍采集技術(shù)

在微低重力模擬中對目標(biāo)位姿的測量主要是水平2個平移自由度的測量。個別的系統(tǒng)也進(jìn)行旋轉(zhuǎn)自由度的測量，如表5系統(tǒng)7所示的空間站機械臂微重力模擬系統(tǒng)。目標(biāo)位姿采集技術(shù)存在較多研究成果，但是通常只能滿足高速、高精度和大范圍3個指標(biāo)中的部分指標(biāo)。下面對現(xiàn)有研究成果進(jìn)行綜述。

3.3.1 基于相機視覺的目標(biāo)位姿采集技術(shù)

利用工業(yè)相機直接對被吊對象進(jìn)行目標(biāo)位姿采集是一種常用的方法。相機可以用單目也可以雙目，采用雙目冗余設(shè)計可提高可靠性。雙目相機視覺目標(biāo)位姿采集的原理是采用相機成像并對圖像進(jìn)行處理從而得到靶標(biāo)點的空間6自由度位姿信息，如圖6所示。在懸吊式系統(tǒng)應(yīng)用實例有文獻(xiàn)[66]，表5系統(tǒng)6和7。該方案空間測量精度較高(0.1 mm)，空間范圍大(單相機標(biāo)記范圍距離可達(dá)30 m)。缺點是采集速度較低(250 Hz左右)，且需要依賴于其自帶軟件，這對于將數(shù)據(jù)銜接入實時控制系統(tǒng)有一定難度。實時圖像后處理速度限制了采集速度的提高。

圖6 雙目視覺吊索傾角采集方案Fig.6 Binocular vision sling inclination acquisition scheme

3.3.2 基于編碼器或傾角儀的目標(biāo)位姿采集技術(shù)

基于編碼器的目標(biāo)位姿采集技術(shù)測量吊索傾角的原理如圖7所示。在2個正交的方向放置擺桿和旋轉(zhuǎn)編碼器，當(dāng)?shù)跛靼l(fā)生傾斜時，擺桿驅(qū)動旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動從而得到吊索傾角信息。該方法在懸吊式系統(tǒng)中應(yīng)用較多，如表5系統(tǒng)5和系統(tǒng)7，南開大學(xué)研制的恒拉力系統(tǒng)[106]。此方案的優(yōu)點是原理構(gòu)型簡單，采集速度較高(1 kHz以上)，測量范圍大(±180°)，成本低。缺點是吊索和擺桿間存在正反向間隙，導(dǎo)致正反向測量誤差，并且只能測量2個自由度的旋轉(zhuǎn)信息。

類似于雙編碼器的測量原理，可以采用傾角儀布置在安裝于吊索上的一個平臺上采集吊索的傾角，也能實現(xiàn)高精度、大范圍的測量。但傾角儀的測量速率一般在200 Hz左右，難以達(dá)到1 kHz的高速采集。

3.3.3 基于光學(xué)測量的目標(biāo)位姿采集技術(shù)

最常用的基于光學(xué)測量的目標(biāo)位姿采集技術(shù)為激光自準(zhǔn)直傾角采集技術(shù)，其原理如圖8所示。激光束入射到安裝于吊索上的反射鏡表面，反射光線進(jìn)入激光管經(jīng)分光鏡后入射到PSD傳感器，經(jīng)過信號處理得到反射光線的偏轉(zhuǎn)信息，進(jìn)而獲得鏡面的偏轉(zhuǎn)信息與吊索的傾角信息。該方案在懸吊式系統(tǒng)中也得到了應(yīng)用，如文獻(xiàn)[91]。此方案的優(yōu)點是采集速度高(>800 Hz)，傾角測量精度高(<0.03°)。缺點是測量的吊索傾角范圍??；只能采集2個旋轉(zhuǎn)自由度的信息；反射鏡的質(zhì)量較大，對恒拉力系統(tǒng)的快速性有一定的影響。

PSD較高的位置分辨率(0.1 μm)和較高的采集速度(10 kHz)使其成為能實現(xiàn)高速高精度大范圍采集的關(guān)鍵器件。一些學(xué)者提出基于雙PSD吊索陰影測量實現(xiàn)吊索傾角采集的原理如圖9所示。雙PSD平行安裝于集成有信號處理電路的PCB板上，激光光斑完全覆蓋住2個平行的PSD(間距h)。吊索投影其上，遮住部分光束在PSD上形成部分陰影，吊索晃動，陰影位置也隨之變化。PSD輸出的位置信號即陰影重心位置x1與x2，根據(jù)陰影位置和三角函數(shù)關(guān)系即可計算出吊索傾角θ。該方案目前在測試階段。

圖9 基于雙PSD陰影測量的吊索傾角采集方案Fig.9 Sling inclination acquisition scheme based on double PSD shadow measurement

以上介紹的幾種目標(biāo)位姿采集技術(shù)具有各自的優(yōu)勢和不足，歸納如表8所示?？梢钥吹剑pPSD陰影測量方案能同時滿足高速、高精度和大范圍3個指標(biāo)，在經(jīng)過測試研究后可能會用到以后的懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)中。

表8 各種目標(biāo)位姿采集技術(shù)指標(biāo)滿足情況

4 懸吊式微低重力模擬技術(shù)的發(fā)展趨勢

4.1 系統(tǒng)設(shè)計

目前懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)的研究成果較多，同時也存在一些缺點，例如吊索無法進(jìn)行空間交叉。根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀以及航天應(yīng)用的需求，懸吊法在未來的應(yīng)用過程中會有以下發(fā)展趨勢：

1) 懸吊法和其他方法的結(jié)合。可以上面用懸吊，下面用氣浮支撐以解決空間交叉問題。還可以將懸吊的二維平臺布置到實驗臺底部，設(shè)計成主動托舉式微低重力模擬系統(tǒng)。懸吊法中的恒力機構(gòu)可以拓展為二維平面形式，可用于托舉式系統(tǒng)，實現(xiàn)水平2個方向的干擾力抑制。

2) 向多索及繩驅(qū)并聯(lián)機器人方向發(fā)展。單吊索能夠模擬的自由度主要為3個平移自由度，3個 旋轉(zhuǎn)自由度運動主要依靠被動的人機接口支架實現(xiàn)。多索并聯(lián)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)6自由度的模擬，在側(cè)面增加吊索實現(xiàn)更為復(fù)雜的運動。

3) 在實現(xiàn)微低重力模擬基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)擴(kuò)展研究。目前的被吊對象運動速度慢，基本進(jìn)行的是靜力學(xué)模擬。當(dāng)考慮快速運動、動力學(xué)模擬時，將會出現(xiàn)很多新的研究，例如微低重力下人體步態(tài)研究，空間機械臂微重力下抓取操作時阻抗接觸動力學(xué)研究，航天器消旋研究等。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

1) 恒拉力技術(shù)中增加高速、高加速模擬需求。目前的懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)更多的是針對運動緩慢的航天器，例如星球車、太陽翼等，針對快速運動目標(biāo)的系統(tǒng)較少。未來航天器運動速度將提升很多，宇航員也將執(zhí)行更多復(fù)雜任務(wù)，這要求恒拉力系統(tǒng)能夠適應(yīng)被吊對象的快速運動，動態(tài)地保持吊索力恒定。

2) 恒拉力技術(shù)向考慮吊索傾角的變力懸吊發(fā)展。目前懸吊式系統(tǒng)吊索拉力設(shè)定為恒定值，然而當(dāng)?shù)跛鲀A斜時，豎直分力將小于設(shè)定值。因此可以讓恒拉力系統(tǒng)在設(shè)定值附近的小范圍做變力控制，始終保持吊索力的豎直分量等于設(shè)定值，可以提高豎直方向微低重力模擬效果。

3) 無源控制等能量方法在力誤差和力誤差積分消除中應(yīng)用的深入研究。系統(tǒng)能量的變化是系統(tǒng)的本質(zhì)，因此從能量角度出發(fā)，能夠?qū)⒖此篇毩⒌牧φ`差和力誤差積分消除雙指標(biāo)變成能量塑造單指標(biāo)。并且從能量角度設(shè)計的控制律通常具有本質(zhì)非線性，比直接用非線性控制方法設(shè)計控制律要簡單且有物理學(xué)解釋。

4) 現(xiàn)有目標(biāo)位姿采集技術(shù)的融合或新型技術(shù)的應(yīng)用?，F(xiàn)有的幾種目標(biāo)位姿采集技術(shù)各有優(yōu)劣，因此可以多種方式結(jié)合取長補短，實現(xiàn)綜合效果最優(yōu)。另外基于精度和采集速度均較高的PSD進(jìn)行新型吊索傾角測量技術(shù)研究也是一個重要的方向，在后處理電路和針對吊索的采集優(yōu)化上需要進(jìn)行深入的研究。

5 結(jié) 論

1) 對現(xiàn)有微低重力模擬方法進(jìn)行了討論，懸吊法具有模擬時間長、模擬范圍大、不引入附加慣量等優(yōu)勢，是目前最主要采用的方式。

2) 對國內(nèi)外懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，對比了其原理、性能特點和不足等，并且根據(jù)原理的不同進(jìn)行了詳細(xì)的分類總結(jié)，討論了每類系統(tǒng)的適用性和優(yōu)缺點。

3) 從微低重力模擬需求出發(fā)確定了懸吊式模擬的2條設(shè)計準(zhǔn)則：恒拉力和吊索豎直，據(jù)此提出了3個目前研究中的關(guān)鍵技術(shù)并且分別針對其進(jìn)行了研究現(xiàn)狀的綜述。

4) 討論了懸吊式微低重力模擬系統(tǒng)設(shè)計及其3個相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。