CC BY
41Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
УДК 681.5
ПРИМЕНЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ ДЛЯ НАВЕДЕНИЯ, СТАБИЛИЗАЦИИ И ВИБРОИЗОЛЯЦИИ БОРТОВЫХ ПРИБОРОВ
А. В. Горбунов1, Е. Б. Коротков1, А. В. Леканов2, С. А. Рудыка1, Н. С. Слободзян1*
балтийский государственный технический университет «Военмех» имени Д. Ф. Устинова Российская Федерация, 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, 1 2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: ja-nikita@mail.ru
Представлено описание многостепенных механизмов с параллельной структурой, применяемых для наведения, стабилизации и виброизоляции бортовых приборов и устройств космического назначения. Описаны кинематическая часть и система управления механизма типа «гексапод», предназначенного для решения задач наведения и стабилизации бортовых устройств. Указаны возможности, особенности применения и устройство таких механизмов для виброизоляции бортовых приборов космических аппаратов.
Ключевые слова: стабилизация, виброизоляция, линейный привод, гексапод, система управления, микроконтроллер.
APPLICATION OF SPATIAL MECHANISMS WITH PARALLEL STRUCTURE FOR THE CONTROL,
STABILIZATION AND VIBRATION ISOLATION OF ONBOARD DEVICES
A. V. Gorbunov1, E. B. Korotkov1, A. V. Lekanov2, S. A. Rudyka1, N. S. Slobodzyan1*
1Baltic State Technical University "Voenmeh" named after D. F. Ustinov 1, 1st Krasnoarmeyskaya Str., 190005, Saint Petersburg, Russian Federation
2JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation
E-mail: ja-nikita@mail.ru
A description of multi-step mechanisms with a parallel structure used for the guidance, stabilization and vibration isolation of airborne instruments and devices for space purposes is presented. The kinematic part and the control system of the "hexapod" type of mechanism designed for solving the problems of aiming and stabilizing the onboard devices are described. The possibilities, features of application and structure of such mechanisms, intended for vibration isolation of onboard instruments of space vehicles, are indicated.
Keywords: stabilization, vibration isolation, linear drive, hexapod, control system, microcontroller.
В БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова и АО «ИСС» им. академика М.Ф. Решетнёва проводится совместная работа по созданию ряда многостепенных механизмов с параллельной структурой (МПС) для обеспечения точного и прецизионного наведения, позиционирования и стабилизации бортовых приборов и устройств космического назначения (космических телескопов, солнечных батарей, оптико-электронных приборов).
Разрабатываемые МПС имеют множество конструктивных решений. Для систем наведения и стабилизации бортовых приборов космической техники нами предлагаются механизмы с параллельной кинематикой типа гексапод и трипод.
Перемещение подвижной платформы осуществляется по 6 координатам: трем линейным и трем угловым. Система управления гексаподом осуществляет позиционное и контурное управление подвижной платформой, в процессе которого по заданному положению на основании решения обратной задачи кинематики вычисляются задающие воздействия для линейных приводов, а по сигналам с датчиков обрат-
ной связи минимизируется ошибка управления. Таким образом, задача позиционирования верхней платформы относительно нижней сводится к задаче совместного управления шестью линейными приводами (ЛП) ног гексапода. Высокая точность стабилизации и наведения приборов достигается за счет применения: оптимальных конструкторских решений блоков механики МПС; высокоточных кинематических пар (механических передач, шарниров), современных высокоточных информационных датчиков, надежных синхронных двигателей (шаговых или вентильных); современной цифровой системы управления; интеллектуальных алгоритмов управления, реализуемых на современных высокопроизводительных микроконтроллерах.
Кинематический анализ системы типа «гексапод» показал [3], что для обеспечения заданного прецизионного перемещения и позиционирования верхней платформы (порядка 10 мкм по линейным координатам и десятков угловых секунд по угловым координатам) точность управляемого перемещения длин ног должна быть не хуже 1 мкм. Существуют две воз-
Решетневскуе чтения. 2017
можные схемы реализации конструкции ног гексапо-да для прецизионного управления шестью степенями подвижности платформы: первый вариант представляет схему ноги гексапода с шаровыми шарнирами платформы, двухосными шарнирами основания и одной линейной степенью свободы в каждой ноге; второй вариант - с двухосными шарнирами в платформе и в основании.
Типовая система управления линейным приводом состоит из электронного модуля управления и электромеханического модуля линейного привода. В состав электромеханической части линейного привода входит электродвигатель (шаговый или вентильный), датчик углового положения (резольвер с цифровым преобразователем угла или кодовый оптический), механическая передача (шарико-винтовая), прецизионные шарниры, а также датчик линейного положения. Модуль управления линейным приводом состоит из контроллера управления, преобразователей сигналов первичных датчиков углового и линейного положения, а также усилителя сигналов управления.
Для обеспечения различных режимов работы исполнительных приводов применены два типа датчиков положения. Для управления приводом в режиме самокоммутации и (или) векторного управления используется датчик углового положения, установленный на выходном валу двигателя. Этот же датчик используется для измерения линейного перемещения подвижной штанги гексапода путем пересчета углового перемещения ротора датчика угла в линейное перемещение штока, осуществляемое посредством передачи винт-гайка. Однако, точность такого «косвенного» измерения зависит от точности всех звеньев применяемой механической передачи. Погрешности изготовления передачи винт-гайка не позволяют ставить в однозначное соответствие угловое положение винта и линейное положение гайки с закреплённым на ней штоком (при схеме типа «неподвижный винт») на всем диапазоне хода гайки, так как при функционировании в условиях открытого космоса возможны значительные температурные деформации элементов конструкции, что приведет дополнительным погрешностям косвенного измерения длин ног.
При необходимоси обеспечения требуемой более высокой точности позиционирования платформы (доли микрон) используется «прямой» метод измерения положения платформы относительно основания либо с применением абсолютного оптического датчика линейного перемещения, встроенного в конструкцию ноги, либо установкой на гексаподе пространственной интерферометрической измерительной системы определения взаимного положения верхней и нижней платформы.
При этом система управления выполняет решение прямой и обратной задач кинематики гексапода в реальном масштабе времени.
Благодаря использованию современных микропроцессорных средств и пьезоэлектрических линейных актуаторов возможно применение гексапода не только для задач наведения и стабилизации, но и для задач виброгашения [1; 2].
Проблема виброзащиты бортовых приборов космических аппаратов (зеркал антенн, солнечных батарей) возникает при сверхвысоких требованиях точности наведения и стабилизации. При этом с учетом низкой частоты собственных колебаний телескопов нового поколения, их значительных масс и широкого диапазона внутренних и внешних механических возмущений пассивная виброзащита является неэффективной и требуется применение пространственной системы активной низкочастотной виброзащиты и высокоточного наведения. При этом предлагается применение гексапода как системы активной виброзащиты и высокоточного наведения прецизионной полезной нагрузки космического аппарата (КА). Особенностью и преимуществом применения гексапода для виброзащиты является возможность пространственного (по 6 координатам) активного виброгашения нагрузки на платформе в достаточно компактном конструктивном исполнении.
Основным элементом устройства активного виброгашения гексапода является активный комбинированный линейный пьезоактуатор, обеспечивающий перемещение платформы стабилизации с одновременным виброгашеним по схеме с кинематической обратной связью с последовательным включением виброактуатора по сигналам обратной связи от датчиков микронавигации, установленных на платформе.
Библиографические ссылки
1. Жуков Ю. А., Коротков Е. Б., Слободзян Н. С. Система управления механизмом с параллельной кинематикой для перемещения бортовых приборов КЛА на базе современного отечественного радиационно стойкого микроконтроллера с процессорным ядром Cortex-M4F // Вопросы радиоэлектроники. 2017. № 7. С. 48-53.
2. Горбунов А. В., Коротков Е. Б., Слободзян Н. С. Высокоточная система наведения и ориентации космических бортовых приборов на базе гексапода с пространственным датчиком положения // Вопросы радиоэлектроники. 2017. № 7. С. 42-47.
References
1. Zhukov Yu. A., Korotkov E. B., Slobodzyan N. S.
Sistema upravleniya mekhanizmom s parallel'noy kine-matikoy dlya peremeshcheniya bortovykh priborov KLA na baze sovremennogo otechestvennogo radiatsionno stoykogo mikrokontrollera s protsessornym yadrom Cor-tex-M4F [Radiation résistant microcontroller with Cortex-M4F core based control system of parallel kinematics mechanism designed for spacecraft's onboard devices movements] // Voprosy radioelektroniki. 2017. № 7. P. 48-53.
2. Gorbunov A. V., Korotkov E. B., Slobodzyan N. S.
Vysokotochnaya sistema navedeniya i orientatsii kos-micheskikh bortovykh priborov na baze geksapoda s pros-transtvennym datchikom polozheniya [High-precision space on-board instruments aiming and orientation system of the hexapod with a spatial position sensor] // Voprosy radioelektroniki. 2017. № 7. P. 42-47.
© Горбунов А. В., Коротков Е. Б., Леканов А. В., Рудыка С. А., Слободзян Н. С., 2017
