CN107640333B - 一种基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统，包括主动飞行器模拟器、目标飞行器模拟器、大理石气浮平台、地面试验综合监控系统以及系绳。本发明可在地面环境下，模拟零重力条件下的绳系组合体拖曳动力学特性，对绳系组合体的拖曳控制方案及技术进行试验验证。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器地面试验验证领域，尤其是涉及一种基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统。
背景技术
绳系组合体作为一个复杂柔性多体系统，动力学规律复杂、非线性显著，存在较多的不确定性，采用常规数学仿真的手段，不能达到有效验证拖曳运动和控制规律的目的。因此需开展绳系组合体拖曳移除地面试验，以掌握绳系组合体拖曳动力学与控制的规律，验证对非合作目标的拖曳移除控制策略及技术；提高对绳系动力学与控制的认识，修正控制方案和对测量设备及系绳收放装置的指标要求，为拖曳移除控制的工程实现提供重要支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统，用于对绳系组合体拖曳动力学与控制特性进行试验验证。
为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统，包括主动飞行器模拟器、目标飞行器模拟器、大理石气浮平台、地面试验综合监控系统以及系绳。
可选的，所述主动飞行器模拟器由支撑结构、冷喷气推力器组、惯测组合、控制计算机、供气气瓶、气足和系绳收放试验装置组成。
可选的，所述支撑结构为模拟器的主结构，用于承载模拟器上的所有设备；所述冷喷气推力器组用于提供主动飞行器模拟器三自由度控制和绳系组合体控制所需推力/力矩；所述惯测组合由加速度计和陀螺组成，用于测量主动飞行器模拟器的平动加速度和转动角速度。
可选的，所述控制计算机用于控制冷喷气推力器组和系绳收放试验装置工作；所述供气气瓶设置在所述支撑结构上，为冷喷气推力器组和气足供气。
可选的，所述气足设置在所述支撑结构底部，并置于所述气浮平台上；所述系绳收放试验装置设置在所述支撑结构上，用于绳系组合体的系绳收放和张力控制。
可选的，所述目标飞行器模拟器由支撑结构、冷喷气推力器组、惯测组合、控制计算机、供气气瓶和气足组成；利用惯测组合和冷喷气推力器组进行快速起旋，以实现失稳目标的运动特性模拟。
可选的，所述地面试验综合监控系统由地面综控模块和地面视觉测量模块组成。
可选的，所述地面综控模块通过无线网络与主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器连接，并向主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器发送控制指令，同时接受主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器返回的状态和位姿信息；所述地面视觉测量模块通过网线与所述地面综控模块连接，实时向所述地面综控模块发送测量数据，并由所述地面综控模块转发给所述主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器。
可选的，所述大理石气浮平台为由多块高平整度和水平度的大理石拼接而成，用于提供模拟器运动的有效支撑平台；所述系绳采用高强度的凯夫拉系绳，用于实现主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器之间的有效连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提出的基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统，可实现零重力条件下的绳系组合体拖曳运动特性模拟，包括组合体平动和转动；并可实现基于系绳张力控制的失稳目标消旋控制、绳系组合体姿态机动控制和绳系组合体拖曳变轨控制的试验验证，从而达到在开展在轨试验前对关键环节和关键技术进行有效验证的目的，极大地降低了在轨试验的风险，提高了在轨飞行的可靠性。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明较佳实施例的基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统的结构示意图。
图2是本发明较佳实例中主动飞行器模拟器的结构示意图。
图3是本发明较佳实例中系绳收放试验装置的结构示意图。
图4是本发明较佳实例中失稳目标消旋控制地面试验结果图。
图5是本发明较佳实例中绳系组合体姿态机动控制试验结果图。
图6是本发明较佳实例中绳系组合体拖曳变轨控制试验结果图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统，用于对绳系组合体拖曳动力学与控制特性进行试验验证。
为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统，包括主动飞行器模拟器、目标飞行器模拟器、大理石气浮平台、地面试验综合监控系统以及系绳。
所述主动飞行器模拟器由支撑结构、冷喷气推力器组、惯测组合、控制计算机、供气气瓶、气足和系绳收放试验装置组成。所述支撑结构为模拟器的主结构，用于承载模拟器上的所有设备；所述冷喷气推力器组用于提供主动飞行器模拟器三自由度控制和绳系组合体控制所需推力/力矩；所述惯测组合由加速度计和陀螺组成，用于测量主动飞行器模拟器的平动加速度和转动角速度。
进一步地，所述控制计算机用于控制冷喷气推力器组和系绳收放试验装置工作；所述供气气瓶设置在所述支撑结构上，为冷喷气推力器组和气足供气。所述气足设置在所述支撑结构底部，并置于所述气浮平台上；所述系绳收放试验装置设置在所述支撑结构上，用于绳系组合体的系绳收放和张力控制。
所述目标飞行器模拟器由支撑结构、冷喷气推力器组、惯测组合、控制计算机、供气气瓶和气足组成；利用惯测组合和冷喷气推力器组进行快速起旋，以实现失稳目标的运动特性模拟。
所述地面试验综合监控系统由地面综控模块和地面视觉测量模块组成。其中，所述地面综控模块通过无线网络与主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器连接，并向主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器发送控制指令，同时接受主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器返回的状态和位姿信息；所述地面视觉测量模块通过网线与所述地面综控模块连接，实时向所述地面综控模块发送测量数据，并由所述地面综控模块转发给所述主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器。
所述大理石气浮平台为由多块高平整度和水平度的大理石拼接而成，用于提供模拟器运动的有效支撑平台；所述系绳采用高强度的凯夫拉系绳，用于实现主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器之间的有效连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提出的基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统，可实现零重力条件下的绳系组合体拖曳运动特性模拟，包括组合体平动和转动；并可实现基于系绳张力控制的失稳目标消旋控制、绳系组合体姿态机动控制和绳系组合体拖曳变轨控制的试验验证，从而达到在开展在轨试验前对关键环节和关键技术进行有效验证的目的，极大地降低了在轨试验的风险，提高了在轨飞行的可靠性。
以下将结合图1～图6对本发明的基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统作进一步的详细描述。
本发明的基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统可用于：
（1）基于系绳张力控制的失稳目标消旋控制试验验证；
（2）绳系组合体姿态机动控制试验验证；
（3）绳系组合体拖曳变轨控制试验验证。
图1为本发明较佳实施例的基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统的结构示意图。如图1所示，所述基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统，包括主动飞行器模拟器1、目标飞行器模拟器2、大理石气浮平台3、地面试验综合监控系统4以及系绳5。
所述主动飞行器模拟器1设置在所述大理石气浮平台3上，如图2所示，由支撑结构101、冷喷气推力器组102、惯测组合103、控制计算机104、供气气瓶105、气足106和系绳收放试验装置107组成。如图3所示，所述系绳收放试验装置由摆角测量模块201、预紧张力模块202、系绳张力测量模块203、系绳长度测量模块204、系绳卷曲模块205和控制模块206组成。
所述目标飞行器模拟器2也设置在所述大理石气浮平台上，由支撑结构、冷喷气推力器组、惯测组合、控制计算机、供气气瓶和气足组成。
所述大理石气浮平台3为由多块高平整度和水平度的大理石拼接而成，用于提供模拟器运动的有效支撑平台。
所述地面试验综合监控系统4由地面综控模块和地面视觉测量模块组成。所述地面综控模块通过无线网络与主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器连接，并向主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器发送控制指令，同时接受主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器返回的状态和位姿信息。所述地面视觉测量模块通过网线与所述地面综控模块连接，实时向所述地面综控模块发送测量数据，并由所述地面综控模块转发给所述主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器。
所述系绳5采用高强度的凯夫拉系绳。
本实施例中，基于系绳张力控制的失稳目标消旋控制试验任务过程如下：
1）初始化：各分系统上电，地面试验综合监控系统4的地面综控模块软件启动和地面视觉测量模块就绪，能够实时返回模拟器的位姿，主动飞行器模拟器1和目标飞行器模拟器放置2在大理石气浮平台3上的初始位置，主动飞行器模拟器1和目标飞行器模拟器2的控制软件启动，并与地面试验综合监控系统4建立无线通讯连接，初始化完成；
2）地面试验综合监控系统4发送任务指令：初始化完成后，地面试验综合监控系统4向目标飞行器模拟器2发送起旋控制任务指令，向主动飞行器模拟器1发送消旋控制任务指令；
3）目标飞行器模拟器2执行任务指令：接收到起旋任务指令后，目标飞行器模拟器2利用陀螺测量，并利用冷气推力器提供作用力矩，进行模拟器起旋控制，实现失稳目标的运动特性模拟，达到指令的旋转速度后，向地面试验综合监控系统4返回起旋完成状态信息，并转发给主动飞行器模拟器1；
4）主动飞行器模拟器1执行任务指令：接收到消旋控制任务指令后，主动飞行器模拟器1基于惯测组合103测量和地面试验综合监控系统4循环发送的主动飞行器模拟器1位姿测量信息，利用推力器102进行悬停控制；当接收到地面试验综合监控系统4转发的目标飞行器模拟器2起旋完成的状态信息，基于测量信息，利用系绳收放试验装置107，通过系绳张力控制，实现对目标飞行器模拟器2的消旋控制。
5）完成试验：当目标飞行器模拟器2的旋转角速度满足消旋控制要求后，地面试验综合监控系统4收到主动飞行器模拟器1试验完成的指令后，将主动飞行器模拟器1和目标飞行器模拟器2保存的测量数据下载到本机，以便分析。
图4为本实施例中，基于系绳张力控制的失稳目标消旋控制试验的一组实验结果图。图中显示该试验系统可实现对≤15°/s失稳目标的消旋控制试验验证，消旋后目标飞行器模拟器残余角速度＜2°/s。
本实施例中，绳系组合体姿态机动控制试验任务过程如下：
1）初始化：各分系统上电，地面试验综合监控系统4的地面综控模块软件启动和地面视觉测量模块就绪，能够实时返回模拟器的位姿，主动飞行器模拟器1和目标飞行器模拟器2放置在大理石气浮平台3上的初始位置，主动飞行器模拟器1和目标飞行器模拟器2的控制软件启动，并与地面试验综合监控系统4建立无线通讯连接，初始化完成；
2）地面试验综合监控系统4发送任务指令：初始化完成后，地面试验综合监控系统4向主动飞行器模拟器1发送绳系组合体姿态机动控制任务指令；
3）主动飞行器模拟器1执行任务指令：接收到任务指令后，依据当前姿态和期望姿态，规划姿态机动的路径；主动飞行器模拟器1基于惯测组合103和系绳收放试验装置107测量、地面试验综合监控系统4循环发送的模拟器位姿测量信息，利用推力器102进行闭环跟踪控制；同时在机动过程中，依据任务指令，系绳收放试验装置107进行固定张力保持，从而实现绳系组合体的姿态机动。
4）完成试验：当绳系组合体姿态机动到目标角度后，地面试验综合监控系统4收到主动飞行器模拟器1试验完成的指令后，将主动飞行器模拟器1和目标飞行器模拟器2保存的测量数据下载到本机，以便分析。
图5为本实施例中，绳系组合体姿态机动控制试验的一组实验结果图。图中显示该试验系统可实现绳系组合体的姿态机动试验验证，绳系组合体姿态机动角度≥30°，机动过程中绳系组合体稳定。
本实施例中，绳系组合体拖曳变轨控制试验任务过程如下：
1）初始化：各分系统上电，地面试验综合监控系统4的地面综控模块软件启动和地面视觉测量模块就绪，能够实时返回模拟器的位姿，主动飞行器模拟器1和目标飞行器模2拟器放置在气浮平台3上的初始位置，主动飞行器模拟器1和目标飞行器模拟器2的控制软件启动，并与地面试验综合监控系统4建立无线通讯连接，初始化完成；
2）地面试验综合监控系统4发送任务指令：初始化完成后，地面试验综合监控系统向主动飞行器模拟器1发送绳系组合体拖曳变轨控制任务指令；
3）主动飞行器模拟器1执行任务指令：接收到任务指令后，主动飞行器模拟器1基于惯测组合103和系绳收放试验装置107测量、地面试验综合监控系统4循环发送的模拟器位姿测量信息，利用推力器102进行绳系组合体和主动飞行器模拟器1稳定姿态控制；同时依据任务指令，主动飞行器模拟器1前进方向的推力器102间歇式开关机，并且系绳收放试验装置107进行固定张力保持，以实现绳系组合体稳定拖曳变轨；
4）完成试验：当将目标飞行器模拟器2拖曳至预定位置后，地面试验综合监控系统4收到主动飞行器模拟器1试验完成的指令后，将主动飞行器模拟器1和目标飞行器模拟器2保存的测量数据下载到本机，以便分析。
图6为本实施例中，绳系组合体拖曳变轨控制试验的一组实验结果图。图中显示该试验系统可实现绳系组合体拖曳变轨控制试验验证，拖曳变轨过程中主动飞行器模拟器姿态控制精度优于1°，绳系组合体面内摆角控制精度优于1°。
Claims (2)
1.一种基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统，其特征在于，包括主动飞行器模拟器、目标飞行器模拟器、大理石气浮平台、地面试验综合监控系统以及系绳；
所述主动飞行器模拟器由支撑结构、冷喷气推力器组、惯测组合、控制计算机、供气气瓶、气足和系绳收放试验装置组成；
所述支撑结构为主动飞行器模拟器的主结构，用于承载主动飞行器模拟器上的所有设备；所述冷喷气推力器组用于提供主动飞行器模拟器三自由度控制和绳系组合体控制所需推力/力矩；所述惯测组合由加速度计和陀螺组成，用于测量主动飞行器模拟器的平动加速度和转动角速度；
所述控制计算机用于控制冷喷气推力器组和系绳收放试验装置工作；所述供气气瓶设置在所述支撑结构上，为冷喷气推力器组和气足供气；
所述气足设置在所述支撑结构底部，并置于所述气浮平台上；所述系绳收放试验装置设置在所述支撑结构上，用于绳系组合体的系绳收放和张力控制；
所述目标飞行器模拟器由支撑结构、冷喷气推力器组、惯测组合、控制计算机、供气气瓶和气足组成；利用惯测组合和冷喷气推力器组进行快速起旋，以实现失稳目标的运动特性模拟；
所述地面试验综合监控系统由地面综控模块和地面视觉测量模块组成；
所述地面综控模块通过无线网络与主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器连接，并向主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器发送控制指令，同时接受主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器返回的状态和位姿信息；
所述地面视觉测量模块通过网线与所述地面综控模块连接，实时向所述地面综控模块发送测量数据，并由所述地面综控模块转发给所述主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器。
2.如权利要求1所述的一种基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统，其特征在于，所述大理石气浮平台为由多块高平整度和水平度的大理石拼接而成，用于提供主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器运动的有效支撑平台；所述系绳采用高强度的凯夫拉系绳，用于实现主动飞行器模拟器和目标飞行器模拟器之间的有效连接。
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