[0007] 本发明针对空间合作目标的控制理论方法缺乏一类有效的实验验证平台的现状，公布一种空间合作目标运动再现的跨尺度控制实验台。该平台是一类机电控制设备，能够再现空间合作目标的对接过程，进而为先进控制理论方法的研究提供了一类实验台上。
[0008] 本发明包括四个自由度，上端两自由度运动平台和下端两自由度运动平台。
[0009] 上端两自由度运动平台包括第一限位机构、第一蜗杆、第一编码器、第一伺服电机、第一蜗轮、第二限位机构、第二伺服电机、第三限位机构、第二蜗轮、第二编码器、第二蜗杆、第四限位机构、CCD摄像头、凹形合作目标、第五限位机构。
[0010] 第一限位机构固定在第一蜗杆一端，第一蜗杆与第一蜗轮形成一套蜗轮蜗杆机构；第一蜗轮的上下两端分别与第一伺服电机和第一编码器同轴联接。第二限位机构固定在第一蜗杆另一端，即：第一限位机构与第二限位机构分别布置在第一蜗轮的两侧。第二伺服电机与第一蜗杆形成一对轴承轴套机构；其中，第一蜗杆在滑动配合段是光滑的轴承，第二伺服电机的联接段是一个轴套。第一限位机构与第二伺服电机分别在第二限位机构的两侧。第二蜗轮的左右两端分别与第二伺服电机和第二编码器同轴联接。第三限位机构固定在第二蜗杆一端。第二蜗杆与第二蜗轮形成一套蜗轮蜗杆机构。第三限位机构固定在第二蜗杆另一端，即：第三限位机构与第四限位机构分别布置在第二蜗轮的两侧。凹形合作目标与第四限位机构的底部联接。凹形合作目标凹槽内嵌CCD摄像头。 凹槽的两侧凸缘上嵌有第五限位机构和第六限位机构。支架的一端与第一编码器同轴联接，支架另一端垂直固定在底座上。
[0011] 下端两自由度运动平台包括第三伺服电机、第三编码器、主动滑轮、传动皮带、底座、滑道、小车、第四编码器、倒立摆、凸形合作目标、第六限位机构、被动滑轮。
[0012] 底座的平台表面的两端分别固定了被动滑轮和主动滑轮。传动皮带附着在被动滑轮和主动滑轮的滑轮上，形成皮带滑轮机构（滚动摩擦副）。传动皮带的两端分别固定在小车的两端。主动滑轮与第三编码器和第三伺服电机同轴联接。滑道一端固定在支架上，滑道平行于底座，且不与传动皮带产生干涉。第四编码器固定在小车顶面，倒立摆一端与小车顶面的可自由转动的转轴联接，且与第四编码器同轴联接。倒立摆另一端与凸形合作目标联接。
[0013] 上端两自由度运动平台的自由运动功能如下：在第一伺服电机的驱动下，第一蜗轮产生旋转运动，并由蜗轮蜗杆机构带动第一蜗杆产生水平直线运动。第一限位机构与第二限位机构对第一蜗杆的运动行程进行限位，防止脱落。第一编码器记录第一蜗轮的旋转角度，从而对第一蜗杆的运动行程进行实时测量。在第二伺服电机的驱动下，第二蜗轮产生旋转运动，并由蜗轮蜗杆机构带动第二蜗杆产生垂直直线运动。第三限位机构与第四限位机构对第二蜗杆的运动行程进行限位，防止脱落。第二编码器记录第二蜗轮的旋转角度，从而对第二蜗的运动行程进行实时测量。
[0014] 下端两自由度运动平台的自由运动功能如下：在第三伺服电机的驱动下，主动滑轮产生旋转运动，经皮带滑轮机构，带动传动皮带产生水平直线运动。第三编码器记录主动滑轮的旋转角度，从而对传动皮带的运动行程进行实时测量。在第二伺服电机的驱动下，第二蜗轮产生旋转运动，并由蜗轮蜗杆机构带动第二蜗杆产生垂直直线运动。第三限位机构与第四限位机构对第二蜗杆的运动行程进行限位，防止脱落。第二编码器记录第二蜗轮的旋转角度，从而对第二蜗的运动行程进行实时测量。倒立摆能够绕小车顶面的转轴自由转动，第四编码器记录倒立摆的旋转角度。由于凸形合作目标固定在倒立摆上端，随倒立摆同时转动。
[0015] 上端两自由度运动平台的主要功能是带动凹形合作目标产生垂直平面内的自由平动。上端两自由度运动平台的平面内自由平动的控制，定义为变轨控制。例如：它反映了空间飞行器的变轨控制，从而将空间飞行器的变轨运动再现为凹形合作目标的平动控制问题。
[0016] 下端两自由度运动平台的主要功能是带动凸形合作目标产生垂直平面内的水平方向的平动和平面内绕铰接点的转动。凸形合作目标在平面内的转角（姿态）控制和平动（轨道）控制是该目标体的姿轨同步控制。例如：它反映了空间飞行器的姿轨同步控制问题，从而将空间飞行器的姿轨运动再现为凹形合作目标的姿轨同步控制问题。
[0017] 该平台主要用途：第一，上端两自由度运动平台的平面内自由平动（变轨控制）控制；第二，下端两自由度运动平台的姿态（转角）和轨道(平移)的姿轨同步控制；第三，用于凹形合作目标和凸形合作目标的协调控制，例如：凹形和凸形两个合作目标的对接过程。
[0018] 这里，对凹形合作目标和凸形合作目标的协调控制问题做进一步说明。凸形合作目标在一定的姿轨同步控制作用下，使得凸台朝上，并停留在一定的水平位置。凹形合作目标形成相对平面运动，并在凸形合作目标上方下落，与凹形合作目标进行对接。最终，在第五限位机构和第六限位机构的作用下，停止向下运动，完成凹形合作目标和凸形合作目标的对接任务。
[0019] 跨尺度控制问题的提出。对接过程存在跨尺度控制问题，采用小车的直线运动的动态特性来调节倒立摆的角度控制目标是典型的跨尺度控制问题。凹形合作目标和凸形合作目标存在快慢差异，也是跨尺度控制问题。另外，平台自身是一个机电系统，第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机的电磁转换过程也是跨尺度控制问题。
[0020] 运动再现的说明。针对空间合作目标的具体应用问题，该平台能够定性地描述一个做变轨运动的合作目标和一个姿轨同步控制的合作目标的对接过程。对接前凹形合作目标在一个轨道内运行，对接后凹形合作目标已经在另一个轨道内运行，形成变轨控制。对接前凸形合作目标在一个轨道内运行且姿态不对，对接后凸形合作目标与凹形合作目标已经在同一个轨道内运行，并且对姿态进行调整，形成变轨控制。
[0021] 本发明的有益说明：
[0022] 凹形合作目标与凸形合作目标的对接过程能够反映空间合作目标的几个控制步骤，如：变轨控制、姿轨同步控制、与两个合作目标的协调控制。
[0023] 凸形合作目标是欠驱动、不稳定、非线性系统的系统，控制难度大，两个合作目标的协调控制对凸形合作目标的控制精度、鲁棒性、跟踪准确度等性能有很高的要求。
[0024] 凹形合作目标采用摄像头进行对凸形合作目标的局部定位，符合空间合作目标的实际情况。
[0025] 该实验台结构简单、造价低、技术方案可行，是验证空间合作目标的镇定控制、跟踪控制、协调控制的理想实验平台。
