CN109733649B - 空间组合体航天器的非完全连接约束状态地面模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种空间组合体航天器的非完全连接约束状态地面模拟方法，包含如下步骤：S1，模拟器A上安装两条用于抓捕目标的机械臂，用于模拟服务航天器系统的空间运动；S2，模拟器B上安装星箭对接环，用于模拟目标航天器系统的空间运动；S3，模拟器A驱动本体所携带的两条机械臂实现对目标航天器的抓捕，抓捕点位于目标航天器的星箭对接环薄壁；S4，根据ADAMS仿真结果，调整服务航天器的机械臂末端的锁紧状态，利用模拟器A和模拟器B模拟不同质量的组合体航天器的非完全连接约束状态。本发明基于气浮平台，利用运动模拟器，实现了组合体航天器的非完全约束状态模拟，为非完全约束组合体动力学和控制方法地面实验提供硬件基础。

Description

空间组合体航天器的非完全连接约束状态地面模拟方法
技术领域
本发明涉及空间操控研究领域，具体涉及一种组合体航天器的非完全连接约束状态地面模拟方法。
背景技术
服务航天器利用本体携带的机械臂捕获目标之后，形成组合体航天器。由于捕获目标是非合作(故障航天器、废弃航天器、空间碎片等)的，捕获完成之后，机械臂末端与捕获点未实现完全刚性连接，导致服务航天器与目标之间存在相对运动，处于非完全连接约束状态，如图1所示。
针对组合体航天器的控制问题，目前已有学者开展了一系列研究，马广富等[1]针对组合体航天器的控制问题，提出了一种有限时间超螺旋反步姿态控制算法，秦琰[2]提出了一种局部惯量未知的航天器组合体姿态控制方法，陈雪芬等[3]提出了一种非合作体附着下的组合体航天器自适应控制方法，刘超镇[4]等提出了一种基于在轨参数辨识的组合体航天器姿态控制技术，李磊[5]等提出一种组合体航天器变拓扑过程中姿态稳定控制研究([1]马广富,高寒,吕跃勇,宋婷,袁建平,组合体航天器有限时间超螺旋反步姿态控制,宇航学报,Vol.38,No.11,2017.[2]秦琰,局部惯量未知的航天器组合体姿态控制,哈尔滨工业大学,硕士学位论文.[3]陈雪芬,康国华,非合作体附着下的组合体航天器自适应控制,导航与控制,Vol.15,No.4,2016..[4]刘超镇,贺亮,卢山,贾成龙,基于参数在轨辨识的组合体航天器姿态控制技术,上海航天,Vol.31,No.6,2014.[5]李磊,周军,黄河,张浩,组合体航天器变拓扑过程中姿态稳定控制研究,计算机仿真,Vol.32,No.6,2015)。
针对组合体航天器的控制器设计方法，目前已有单位申请了一系列专利，北京理工大学[6]提出了一种调整推力器方向指向组合体航天器质心的方法，并已申请专利；上海新跃仪表厂[7]提出了一种在轨拖曳的组合体航天器姿轨复合控制方法并已申请专利；北京航空航天大学[8]提出了一种组合体航天器闭环反馈最优控制分配方法并已申请专利([6]许涛,张尧,张景瑞,翟光,赵书阁,一种调整推力器方向指向组合体航天器质心的方法,北京理工大学,CN103235598A[7]卢山,刘超镇,武海雷,贺亮,韩飞,李剑,在轨拖曳的组合体航天器姿轨复合控制方法,上海新跃仪表厂,CN103970142A[8]郭雷,刘志兵,乔建忠,徐健伟,吴克坚,一种组合体航天器闭环反馈最优控制分配方法,北京航空航天大学,CN105867406A)。
由研究现状调研可以发现，目前对于组合体航天器的研究集中在控制方法研究方面，且研究对象多为完全连接约束的组合体航天器，未涉及非完全连接约束情况的研究。对于非完全约束组合体航天器的地面实验方法，据我们调研，目前尚未有研究。针对非完全约束组合体的地面模拟问题，本研究团队提出一种空间组合体航天器的非完全连接约束状态地面模拟方法。
在太空中，由于废弃卫星或者故障卫星的质量不同、体积不同，导致实际目标航天器的质量不确定，而服务航天器的质量和执行能力是一定的。当目标航天器与服务航天器的质量比过大时，由于抓捕点连接不牢固，目标航天器和服务航天器之间存在相对运动，即存在非完全连接约束状态。在地面上实现非完全连接状态模拟是必要的。
发明内容
本发明用于模拟空间组合体航天器的非完全连接约束状态，具体提供一种基于大理石气浮平台卫星模拟器的组合体航天器非完全连接约束状态地面模拟方法。
本发明是基于大理石气浮平台的两个模拟器实现的，利用两个运动模拟器实现组合体航天器的非完全连接约束地面模拟，其特征在于，包括以下步骤：
S1，模拟器A上安装两条用于抓捕目标的机械臂，用于模拟服务航天器系统的空间运动；
S2，模拟器B上安装星箭对接环，用于模拟目标航天器系统的空间运动；
S3，模拟器A驱动本体所携带的两条机械臂实现对目标航天器的抓捕，抓捕点位于目标航天器的星箭对接环薄壁；
S4，根据ADAMS仿真结果，调整服务航天器的机械臂末端的锁紧状态，利用模拟器A和模拟器B模拟不同质量的组合体航天器的非完全连接约束状态。
其中模拟器A用于描述服务航天器的空间运动，模拟器B用于描述目标航天器的空间运动。模拟器A上安装有两条机械臂，用于模拟服务航天器系统的空间运动；模拟器B上安装有星箭对接环装置，用于模拟目标航天器的空间运动。模拟器A通过本体携带的两条机械臂抓捕模拟器B的星箭对接环，从而模拟器A和模拟器B组成组合体模拟系统，用于模拟组合体航天器的空间运动。
附图说明
图1为组合体航天器非完全连接约束状态地面模拟示意图；
图2为组合体航天器非完全连接约束状态地面模拟流程图；
图3为星箭对接环结构示意图；
图4为本发明实施例的仿真结果图。
具体实施方式
以下结合附图1-4所示，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
为实现空间组合体航天器的非完全连接约束状态地面模拟，本发明包含如下步骤：
S1，模拟器A1上安装两条用于抓捕目标的机械臂，用于模拟服务航天器系统的空间运动；
S2，模拟器B2上安装星箭对接环，用于模拟目标航天器系统的空间运动；
S3，模拟器A1驱动本体所携带的两条机械臂实现对目标航天器的抓捕，抓捕点位于目标航天器的星箭对接环薄壁；
S4，根据ADAMS仿真结果，调整服务航天器的机械臂末端的锁紧状态，利用模拟器A1和模拟器B2模拟不同质量的组合体航天器的非完全连接约束状态。
对模拟器A1上施加控制力和控制力矩，模拟服务航天器与目标航天器间相对滑动和相对转动两种非完全连接约束状态。
附：ADAMS仿真结果
1.仿真思路
(1)滑动：设定夹具和对接环的初始位置为平行，给夹具和对接环添加一对平行的滑移副，使两者只在平行方向上做滑移运动；给定夹具一夹持力矩，使其产生夹持力，作用在对接环上，并给定夹具在滑移副方向上的驱动函数，测量对接环在滑移副方向上的位移并计算对接环和夹具之间的相对位移。
(2)转动：设定夹具和对接环的初始位置为不平行，给夹具添加滑移副，给对接环添加平行副(相对于Ground始终平行)，使对接环既可滑动又能转动；给定夹具一夹持力矩(含库伦摩擦力)，使其产生夹持力，作用在对接环上，并给定夹具在滑移副方向上的驱动函数，测量对接环在各个方向上的位移并计算对接环和夹具之间的相对位移。
2.仿真控制变量
(1)夹具和对接环的初始位置(即抓捕位置)
(2)夹具的夹持力矩
(3)夹具的驱动函数(速度、加速度)
3.滑动仿真
(1)初始条件设置
1)输入：对接环主动，夹具为从动，设定对接环的驱动函数为10*time，即以10mm/s的速度运动；夹具的夹持力矩分别设定为800000N*mm和260000N*mm，其中摩擦模型为库伦摩擦，静摩擦系数为0.3，动摩擦系数为0.1。
2)输出：在不同夹持力矩下，对接环和夹具在滑移副方向(X轴)上的位移。
(2)仿真结果
仿真曲线如图4所示。
结果分析：在800000N*mm的夹持力矩下，由于摩擦力较大，夹具和对接环几乎没有相对滑动；在260000N*mm的夹持力矩下，摩擦力相对较大，夹具和对接环之间出现了相对滑动。

Claims (1)

1.一种空间组合体航天器的非完全连接约束状态地面模拟方法，基于气浮平台，利用两个运动模拟器实现组合体航天器的非完全连接约束地面模拟，其特征在于，包括以下步骤：
S1，模拟器A上安装两条用于抓捕目标的机械臂，用于模拟服务航天器系统的空间运动；
S2，模拟器B上安装星箭对接环，用于模拟目标航天器系统的空间运动；
S3，模拟器A驱动本体所携带的两条机械臂实现对目标航天器的抓捕，抓捕点位于目标航天器的星箭对接环薄壁；
S4，根据ADAMS仿真结果，调整服务航天器的机械臂末端的锁紧状态，利用模拟器A和模拟器B 模拟不同质量的组合体航天器的非完全连接约束状态; 其中模拟器A 用于描述服务航天器的空间运动，模拟器B用于描述目标航天器的空间运动;模拟器A上安装有两条机械臂，用于模拟服务航天器系统的空间运动；模拟器B上安装有星箭对接环装置，用于模拟目标航天器的空间运动;模拟器A通过本体携带的两条机械臂抓捕模拟器B的星箭对接环，从而模拟器A和模拟器B组成组合体模拟系统，用于模拟组合体航天器的空间运动;所述抓捕点位于目标航天器星箭对接环的薄壁上;所述非完全连接约束状态包含服务航天器与目标航天器的相对滑动和相对转动两种状态；对模拟器A（1）上施加控制力和控制力矩，模拟服务航天器与目标航天器间相对滑动和相对转动两种非完全连接约束状态；
仿真过程包括：
仿真思路：
（1）滑动：设定夹具和对接环的初始位置为平行，给夹具和对接环添加一对平行的滑移副，使两者只在平行方向上做滑移运动；给定夹具一夹持力矩，使其产生夹持力，作用在对接环上，并给定夹具在滑移副方向上的驱动函数，测量对接环在滑移副方向上的位移并计算对接环和夹具之间的相对位移；
（2）转动：设定夹具和对接环的初始位置为不平行，给夹具添加滑移副，给对接环添加平行副，使对接环既可滑动又能转动；给定夹具一夹持力矩，使其产生夹持力，作用在对接环上，并给定夹具在滑移副方向上的驱动函数，测量对接环在各个方向上的位移并计算对接环和夹具之间的相对位移；
仿真控制变量
（1）夹具和对接环的初始位置；
（2）夹具的夹持力矩；
（3）夹具的驱动函数；
滑动仿真
（1）初始条件设置
1）输入：对接环主动，夹具为从动，设定对接环的驱动函数为10*time，即以10mm/s的速度运动；夹具的夹持力矩分别设定为800000N*mm和260000N*mm，其中摩擦模型为库伦摩擦，静摩擦系数为0.3，动摩擦系数为0.1；
2）输出：在不同夹持力矩下，对接环和夹具在滑移副方向上的位移；
（2）仿真结果
结果分析：在800000N*mm的夹持力矩下，由于摩擦力较大，夹具和对接环几乎没有相对滑动；在260000N*mm的夹持力矩下，摩擦力相对较大，夹具和对接环之间出现了相对滑动。
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