CN105416616A - 新型空间站舱外巡检维修装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型空间站舱外巡检维修装置（EIMU），属于航天飞行器设计领域。该装置包括舱内监视设备、天线和舱外EIMU装置，其中舱内监视设备和舱外EIMU装置通过天线进行通讯；所述舱内监视备包括视频显示终端、巡检装置操控平台和手动遥控装置；所述舱外EIMU装置包括太阳能电池板、微机械臂、太阳敏感器、氮气推进器、双目立体视觉相机、三轴磁力矩器、动量轮、星载计算机板和通讯板。本发明能够为空间站等大型航天器提供舱外巡检维修服务，保证航天器在轨运行安全，顺利完成任务。

Description

新型空间站舱外巡检维修装置

技术领域

本发明涉及一种新型空间站舱外巡检维修装置（EIMU），属于航天飞行器设计领域。

背景技术

空间站在轨道上运行期间受空间环境的作用和影响，或者因本身设备的故障、操作失误或人的行为的原故，会引发诸多空间站事故和故障，如火灾、减压、失控、翻滚、通信中断、水污染、机械损伤、航天员失常、电击、爆炸等等。空间站长期在轨稳定运行，离不开航天员的在轨维修。航天员需要定期和不定期的对空间站进行预防性维修和恢复性维修，其中舱外维修对维修设备以及航天员的要求非常高，舱外维修不仅加大了航天员的维修难度，而且航天员自身的安全存在很大的风险。在这些维修工作中，机器人等系统起到了很大的作用，但目前机器人系统的自动化水平还不足以替代人来执行舱外活动，因此还需要考虑其他设备来辅助维护。所以近年来，国际上将大量人力、资金投入到空间站舱外巡检维修装置的研发，如空间站伴随卫星等。空间站舱外巡检维修装置可以减少航天员出舱的次数和时间，从而一定程度上减少了航天员的安全风险。采用空间站舱外巡检维修装置具有成本低、可靠性高以及工作周期长的优点，因此具有不可替代性。

国外已有多个具有空间站舱外巡特点、任务和功能的航天器——伴随卫星的研究和发展计划，已研制出类似的航天器并发射上天。比较典型的、具有空间站舱外巡检维修装置功能的研究和发展计划有：以德国为首的X-MirInspector伴随卫星、美国的XSS飞行器、AERCam微小卫星、轨道快车和“太空盾牌”、Livermore微小卫星、法国CNES天文观测任务、德国的TerraSAR-X雷达卫星计划、SSFTS遥控机器人装置及徘徊者遥控机器人飞行试验计划等。这当中尤以Inspector计划最为著名。与此同时，西欧、日本等国家也正在加紧空间站技术的研究。1997年10月，美国航天局发射释放了仅重5千克的AERCam纳米微小卫星。释放后的纳星由自带电池供电，冷氙气推进，可由航天员在舱内遥控操作调整姿态和喷气变轨，或在航天员监视下自主飞行。它可以对航天员和航天飞机进行几个小时的近距离视频和照相观测。该项目主要用于实验微小伴星对主航天器的表面检测、自主对接和在轨回收等技术，回收充电后的微小伴星可以多次使用。XSS-11卫星于2005年4月发射，重145千克，具有成像和机动能力。它开展了自主交会试验，其主要应用目标包括近距离检查飞行器的状态、协助地面人员对在轨卫星进行综合诊断、监视空间目标、实现太空飞行器燃料补给操作。2007年3月，美国将两颗名为“轨道快车”的小型卫星送入轨道。该卫星总重不到1吨，具备很强的机动变轨能力，可以通过轨道机动进入其他卫星的运行轨道，卫星带有高度自动化的机械手臂，初步具有替代航天员在太空完成太空维修作业的能力，甚至具有“太空掳星”能力。

我国神舟七号微小伴随卫星采用两舱一体化结构设计，整星质量不超过40千克，同时具有光学成像、大容量压缩存储、机动变轨、伴随飞行、自主导航、多模式指向和高速数传等多种功能。伴星电源子系统运用直接能量转换的全调节母线系统，采用了平均光电转换效率大于26.5%的三结砷化镓高效太阳能电池。推进系统采用以液氨为推进剂的液化气推进系统。伴星上安装了星载GPS接收机，可实现自主导航功能，也可以接受地面注入的轨道数据。另外还安装了一台USB测控应答机和一台数传机。伴星在释放过程中获得的载人飞船不同方位清晰图像和视频，验证了微小卫星对大型载人航天器的多方位照相和观测技术；首次开展并实现的对无源轨道目标的绕飞技术试验，突破了微小卫星轨道机动和对共面目标的接近、绕飞和保持等关键技术。

文献《航天员舱外作业动力学建模与仿真方法研究》介绍了国外空间站在轨维修的一些相关情况，重点对国外空间站在轨维修方式、维修级别、维修类型以及维修时间进行了分析，通过对国外空间站在轨维修策略的分析，给出了对我国开展空间站在轨维修的一些启示。文献《国外空间站在轨维修策略研究及启示》从航天员舱外太空作业的物理背景入手，讨论其研究难点，在深入分析现有研究的基础上，提出一套支持航天员舱外作业动力学建模与仿真的方法，并通过一个航天员搬运载荷的例子验证了其可行性。文献《空间站的维修性》阐述了在轨维修技术对空间站的重要作用，并在初步分析空间站维修性的需求和可行性的基础上提出了空间站维修性设计的思路、方案及支撑技术，通过对NASA和俄罗斯的空间站维修策略进行比较，结合我国空间站建设的现状，设想性地给出了我国空间站的维修策略。

目前国际上空间站的巡检通常采取宇航员出舱人工巡查的方式，此种方式持续周期短、风险高，且存在死角。如果能设计出一种由空间站多次回收释放，且可对空间站进行绕飞、任意点悬停的舱外巡检维修装置EIMU（ExtravehicularInspectionMaintenanceUnit），就能避免上述问题，为空间站的安全增加一种新手段。

发明内容

针对空间站安全监测，目前国际空间站通常采用宇航员出舱进行人工巡查，此种方式持续周期短且宇航员的安全存在较高风险，本发明提出了一种新型空间站舱外巡检维修装置（EIMU），为我国未来空间站提供一个通用、低成本、低风险、长期高可靠的非接触式安全监测手段，减少宇航员出舱次数，保障宇航员的生命安全以及航天器的安全。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种新型空间站舱外巡检维修装置，包括舱内监视设备、天线和舱外EIMU装置，其中舱内监视设备和舱外EIMU装置通过天线进行通讯；

所述舱内监视备包括视频显示终端、巡检装置操控平台和手动遥控装置，所述视频显示终端实时显示EIMU拍摄的画面；所述巡检装置操控平台用于控制EIMU的释放、回收以及能量和数据传输；所述手动遥控装置主要操控EIMU近距离绕飞、悬停以及微机械臂的动作；

所述舱外EIMU装置包括太阳能电池板、微机械臂、太阳敏感器、氮气推进器、双目立体视觉相机、三轴磁力矩器、动量轮、星载计算机板和通讯板，所述双目立体视觉相机，对空间站进行特征提取以及三维建模；所述太阳能电池板，对EIMU供电；所述微机械臂，完成对空间站舱外故障的简单维修；所述太阳敏感器，用于EIMU的姿态测量；所述氮气推进器，用于EIMU的轨道控制；所述三轴磁力矩器用于EIMU的姿态控制；所述动量轮，给EIMU提供恒定角动量并对磁力矩器进行卸载；所述星载计算机板，用于EIMU导航解算等；所述通讯板，用于EIMU通讯。

所述太阳能电池板为4块。

所述微机械臂为基于Arduino控制的可伸缩微机械臂。

所述太阳敏感器为2个。

所述氮气推进器为12个。

本发明的有益效果如下：

本发明能够为空间站等大型航天器提供舱外巡检维修服务，保证航天器在轨运行安全，顺利完成任务。

（1）采用双目立体视觉相机，能够实现相对姿态、位置测量，同时通过视频处理技术，对空间站进行特征提取以及三维建模。

（2）自动和人在回路两种方式对EIMU自由绕飞、悬停进行操控，扩大了EIMU巡检范围，提高巡检效率。

（3）能量和数据无线传输方式，增加EIMU舱外长期运行能力。

（4）携带的基于Arduino控制的微机械臂，可用于舱外维修工作。

（5）为各大型航天器提供了通用、低成本、低风险、长期巡检维修服务。

附图说明

图1为EIMU系统设计示意图。

图2为EIMU整体结构示意图。

图3为EIMU内部结构示意图；其中天线；②太阳能电池板；③基于Arduino控制的可伸缩微机械臂；④太阳敏感器；⑤氮气推进器；⑥双目视觉立体相机；⑦三轴磁力矩器；⑧动量轮姿控板；⑨星载计算机板；⑩通讯板。

图4为手动遥控装置界面示意图；包含多种视角：EIMU视角、空间站视角、航天员视角等；②天线；③监控显示界面；④EIMU剩余电量显示和剩余氮气显示；⑤手动遥控装置开关；⑥确定、停止键；⑦显示灯；⑧方向键；⑨旋转按钮；⑩操纵杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造作进一步详细描述。

本发明旨在设计一种低成本、高可靠性的新型空间站舱外巡检维修装置EIMU，从而减少宇航员出舱活动的次数并为空间站的安全提供低成本的保障。

系统组成如图1所示

（1）舱内监视设备

空间站舱内监视设备包括视频显示终端、巡检装置操控平台和手动遥控装置。视频显示终端可以实时显示EIMU拍摄的画面；巡检装置操控平台用于控制EIMU的释放、回收以及能量和数据传输等；手动遥控装置主要用于操控EIMU近距离绕飞、悬停以及微机械臂的动作。

（2）舱外EIMU

EIMU包括立体视觉相机、磁强计、太阳敏感器、动量轮、三轴磁力矩器、氮气推进器以及微机械臂等。EIMU配备双目立体视觉相机，采用双目测量技术，进行相对姿态、位置测量，同时通过视频处理技术，可以对空间站进行特征提取以及三维建模；采用磁强计、太阳敏感器进行磁导航，结合轮控技术，实现对EIMU的远距离和长周期控制，延长在轨寿命；通过手动遥控装置控制氮气推进器，实现EIMU近距离的绕飞控制；EIMU还携带基于Arduino控制的微机械臂，根据需要可自行修改动作指令，并且通过手动遥控装置可执行简单操作，可用于空间站舱外故障基础维修。

（3）天线

EIMU在执行任务期间，能量和数据采用无线传输方式，能量传输距离在百米范围内，从而增加EIMU舱外长期运行能力，减少回收、释放次数；

2、EIMU结构设计

EIMU采用立方体结构，外包络尺寸为250mmx250mmx250mm，整体结构示意图如图2所示。

内部结构采用片式系统，电路板以PC104的规格为标准，各电路板用铜柱连接。如图3所示。包括天线、4块太阳能电池板、2个基于Arduino控制的可伸缩微机械臂、2个太阳敏感器、12个氮气推进器、双目视觉立体相机、三轴磁力矩器、动量轮姿控板、星载计算机板和通讯板。太阳敏感器、氮气推进器、双目视觉立体相机、三轴磁力矩器和动量轮都基于片上系统，与星载计算机板和通讯板通过标准接口定义的排针相接，天线、太阳能电池板、微机械臂以电气接口和机械结构形式与EIMU其他部件相接。

3、手动遥控装置界面设计

手动遥控装置用以实现对EIMU近距离绕飞、悬停以及微机械臂的控制，界面设计如图4所示。包括三种视角的选择、天线、监控显示界面、EIMU剩余电量显示和剩余氮气显示、手动遥控装置开关、确定和停止键、显示灯、方向键、旋转按钮以及操纵杆。其中三种视角包括EIMU视角、空间站视角、航天员视角；显示灯为绿色表示手动遥控装置正常控制EIMU，显示灯为红色表示手动遥控装置控制EIMU出现故障；方向键用于控制微型机械臂上下左右方向的运动；旋转按钮用于控制EIMU的航向方向；操纵杆用于控制EIMU近距离的自由绕飞、悬停。

4、EIMU创新性

（1）近距离双目视觉的位姿测量技术，以及特征提取、三维建模和立体匹配等。

（2）近距离的能量（百米级）、数据无线传输方式。

（3）远距离下基于中高精度的磁导航和轮控技术的姿态稳定技术。

（4）程控与人在回路相结合的近距离绕飞、悬停控制技术。

（5）基于Arduino控制的微机械臂，用于完成舱外抓取和固定等简单维修任务。

Claims (5)

1.一种新型空间站舱外巡检维修装置，其特征在于包括舱内监视设备、天线和舱外EIMU装置，其中舱内监视设备和舱外EIMU装置通过天线进行通讯；

所述舱内监视备包括视频显示终端、巡检装置操控平台和手动遥控装置，所述视频显示终端实时显示EIMU拍摄的画面；所述巡检装置操控平台用于控制EIMU的释放、回收以及能量和数据传输；所述手动遥控装置主要操控EIMU近距离绕飞、悬停以及微机械臂的动作；

所述舱外EIMU装置包括太阳能电池板、微机械臂、太阳敏感器、氮气推进器、双目立体视觉相机、三轴磁力矩器、动量轮、星载计算机板和通讯板，所述双目立体视觉相机，对空间站进行特征提取以及三维建模；所述太阳能电池板，对EIMU供电；所述微机械臂，完成对空间站舱外故障的简单维修；所述太阳敏感器，用于EIMU的姿态测量；所述氮气推进器，用于EIMU的轨道控制；所述三轴磁力矩器用于EIMU的姿态控制；所述动量轮，给EIMU提供恒定角动量并对磁力矩器进行卸载；所述星载计算机板，用于EIMU导航解算；所述通讯板，用于EIMU通讯。

2.根据权利要求1所述的新型空间站舱外巡检维修装置，其特征在于所述太阳能电池板为4块。

3.根据权利要求1所述的新型空间站舱外巡检维修装置，其特征在于所述微机械臂为基于Arduino控制的可伸缩微机械臂。

4.根据权利要求1所述的新型空间站舱外巡检维修装置，其特征在于所述太阳敏感器为2个。

5.根据权利要求1所述的新型空间站舱外巡检维修装置，其特征在于所述氮气推进器为12个。