CN109760860A - 一种双臂协同抓捕非合作旋转目标的地面试验系统 - Google Patents
一种双臂协同抓捕非合作旋转目标的地面试验系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的一种双臂协同抓捕非合作旋转目标的地面试验系统包括动力学宿主机、动力学目标机、数据中转计算机、星载计算机、控制指令中转计算机、地面控制台、分布式外部测量相机、相机数据处理计算机、大理石气浮台、目标星运动模拟系统和主动星运动模拟系统；目标星运动模拟系统主要由1个5自由度运动模拟器和1个缩比星上对接环构成，可实现台面定点悬停的位置保持控制和模拟器缓慢旋转的姿态控制，以模拟空间非合作旋转目标在较短时间内的运动；主动星运动模拟系统主要由1个3自由度运动模拟器和2组完全相同的机械臂抓捕装置构成，每组机械臂抓捕装置包括1条6自由度机械臂、1台安装在机械臂前端的手眼相机和1个安装在机械臂前端的指爪。
Description
技术领域
本发明涉及卫星试验设备，具体属于一种双臂协同抓捕非合作旋转目标的地面试验系统。
背景技术
随着航天技术的飞速发展，空间航天器的结构、组成日趋复杂，性能和制造成本不断提高，因此保证航天器在复杂空间环境中更加持久、稳定的在轨运行，已成为目前空间技术领域的研究热点。空间自主在轨服务技术在提高航天器寿命和性能方面具有巨大的优势，成为目前航天任务中迫切需要解决和发展的重要内容之一。
在轨服务的核心是失效卫星的抓捕，失效卫星在空间通常是非合作的，且会绕主轴自旋，对非合作旋转目标的常用抓捕手段是采用双臂进行协同抓捕，该方式可实现对目标的刚性连接，便于后续在轨模块更换、在轨加注等操控任务。双臂协同抓捕的关键技术包括双臂协同轨迹规划和星臂协同控制，为实现对上述两方面关键技术的验证，需要研制双臂协同抓捕非合作旋转目标的地面试验系统，为关键技术的地面试验验证提供条件保障。
发明内容
本发明要解决的是服务卫星对失效卫星在轨抓捕的地面试验验证问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种双臂协同抓捕非合作旋转目标的地面试验系统，所述的地面模拟试验系统包括动力学宿主机1、动力学目标机2、数据中转计算机3、星载计算机4、控制指令中转计算机5、地面控制台6、分布式外部测量相机7、相机数据处理计算机8、大理石气浮台9、目标星运动模拟系统10和主动星运动模拟系统11。
进一步，所述的双臂协同抓捕非合作旋转目标的地面试验系统的信息流图是动力学宿主机1通过UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)把动力学仿真程序加载到动力学目标机2中，动力学目标机2通过UDP把动力学数据发送给数据中转计算机3，数据中转计算机3同时接收地面控制台6的测量数据，并通过串口RS422把动力学数据和测量数据发送给星载计算机4，星载计算机4完成控制指令解算并通过串口RS422把控制指令发送给控制指令中转计算机5，控制指令中转计算机5再通过UDP把控制指令发送给动力学目标机2；地面控制台6接收数据中转计算机3的动力学数据，同时接收由8台外部测量相机7采集并由相机数据处理计算机8处理得到的主动星运动模拟系统11相对于目标星运动模拟器10的相对位置和相对姿态测量数据，通过无线路由器把动力学数据和测量数据发送给主动星运动模拟系统11，主动星运动模拟系统11根据接收的数据完成控制指令解算，并通过自身的飞轮和喷气装置完成相对于目标星运动模拟系统10的相对位置和相对姿态的跟踪。
进一步，所述的地面控制台6可实现与主动星运动模拟系统10和目标星运动模拟系统11的无线数据通信，完成指令发送、状态检测和数据处理；气浮台周围布置8台外部测量相机7，每台相机都有电缆与集线器相连，可把采集的主动星运动模拟系统10和目标星运动模拟器11的位置和姿态数据通过UDP发送给相机处理计算机8，相机处理计算机8通过数据解算获得主动星运动模拟系统10相对于目标星运动模拟系统11的相对位置和相对姿态信息；大理石气浮台9作为主动星运动模拟系统10和目标星运动模拟系统11水平运动的基面，水平度不大于30μm/m，可使上述两个模拟器在平台上模拟零重力、低摩擦、微干扰的平动和转动。
进一步，所述的目标星运动模拟系统10由1个5自由度运动模拟器10-1、铝型材连接件10-2、背板10-3和缩比对接环10-4构成，可进行定点悬停的位置保持控制和缓慢旋转的姿态控制，以模拟空间非合作旋转目标较短时间的运动。
进一步，所述的主动星运动模拟系统11由1个3自由度运动模拟器11-1、铝型材框架11-2、连接件11-3和2组完全相同的机械臂抓捕装置构成，每组机械臂抓捕装置包括1条6自由度机械臂11-4、1台安装在机械臂前端的手眼相机11-5以及1个安装在机械臂前端的指爪11-6，手眼相机实时获取对接环图像，通过机械臂的驱动控制器对图像进行解算，获得相对位姿信息，并控制机械臂的关节运动；当机械臂末端与缩比对接环的相对距离在指爪操控范围内，末端指爪张开抓捕对接环并实时把力传感信息传送给机械臂的驱动控制器，实现柔顺抓捕，该系统具有姿态和平动控制、双臂路径规划、机械臂关节控制、末端柔顺抓捕的功能。
本发明在航天器半物理仿真系统中采用双臂协同抓捕控制的地面模拟技术，其有益效果是：可以模拟失效卫星在空间的旋转运动状态，实现双臂协同路径规划和抓捕控制技术的地面验证。
附图说明
图1为双臂协同抓捕非合作旋转目标的地面试验系统结构示意图，图中数字意义为：1——动力学宿主机；2——动力学目标机；3——数据中转计算机；4——星载计算机；5——控制指令中转计算机；6——地面控制台；7——分布式外部测量相机(8台)；8——相机数据处理计算机；9——大理石气浮台；10——目标星运动模拟器系统；11——主动星运动模拟器系统。
图2为目标星运动模拟器系统的结构安装示意图，图中数字意义为：10-1——5自由度运动模拟器；10-2——铝型材连接件；10-3——背板；10-4——缩比对接环。
图3为主动星运动模拟器系统的结构安装示意图，图中数字意义为：11-1——3自由度运动模拟器；11-2——铝型材框架；11-3——连接件；11-4——6自由度机械臂；11-5——手眼相机；11-6——指爪。
具体实施方式
双臂协同抓捕非合作旋转目标的地面试验系统见图1，主要包括动力学宿主机1、动力学目标机2、数据中转计算机3、星载计算机4、控制指令中转计算机5、地面控制台6、分布式外部测量相机7、相机数据处理计算机8、大理石气浮台9、主动星运动模拟器系统10和目标星运动模拟器系统11。
该系统的信息流图是动力学宿主机1通过UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)把动力学仿真程序加载到动力学目标机2中，动力学目标机2通过UDP把动力学数据发送给数据中转计算机3，数据中转计算机3同时接收地面控制台6的测量数据，并通过串口RS422把动力学数据和测量数据发送给星载计算机4，星载计算机4完成控制指令解算并通过串口RS422把控制指令发送给控制指令中转计算机5，控制指令中转计算机5再通过UDP把控制指令发送给动力学目标机2；地面控制台6接收数据中转计算机3的动力学数据，同时接收由8台外部测量相机7采集并由相机数据处理计算机8处理得到的主动星运动模拟系统11相对于目标星运动模拟器10的相对位置和相对姿态测量数据，通过无线路由器把动力学数据和测量数据发送给主动星运动模拟系统11，主动星运动模拟系统11根据接收的数据完成控制指令解算，并通过自身的飞轮和喷气装置完成相对于目标星运动模拟系统10的相对位置和相对姿态的跟踪。
地面控制台6可实现与主动星运动模拟系统10和目标星运动模拟系统11的无线数据通信，完成指令发送、状态检测和数据处理；气浮台周围布置8台外部测量相机7，每台相机都有电缆与集线器相连，可把采集的主动星运动模拟系统10和目标星运动模拟器11的位置和姿态数据通过UDP发送给相机处理计算机8，相机处理计算机8通过数据解算获得主动星运动模拟系统10相对于目标星运动模拟系统11的相对位置和相对姿态信息；大理石气浮台9作为主动星运动模拟系统10和目标星运动模拟系统11水平运动的基面，水平度不大于30μm/m，可使上述两个模拟器在平台上模拟零重力、低摩擦、微干扰的平动和转动。
目标星运动模拟系统10(见图2)由1个5自由度运动模拟器10-1(目标模拟器)、铝型材连接件10-2、背板10-3和缩比对接环10-4构成，目标模拟器10-1通过连接件10-2与背板10-3连接，背板上装有缩比的对接环模型10-4，该缩比对接环模型作为抓捕对象，具有定点悬停位置保持控制和缓慢旋转的姿态控制的能力，以模拟空间非合作慢旋目标较短时间内的运动。
主动星运动模拟系统11(见图3)由1个3自由度运动模拟器11-1(主动模拟器)、铝型材框架11-2、连接件11-3和2组完全相同的机械臂抓捕装置构成，该系统的3自由度运动模拟器11-1上安装框架11-2，该框架通过连接件11-3与两个完全相同的机械臂抓捕装置连接。每组机械臂抓捕装置包括1条6自由度机械臂11-4、1台安装在机械臂前端的手眼相机11-5以及1个安装在机械臂前端的指爪11-6，手眼相机实时获取对接环图像，通过机械臂的驱动控制器对图像进行解算，获得相对位姿信息，并控制机械臂的关节运动；当机械臂末端与缩比对接环的相对距离在指爪操控范围内，末端指爪张开抓捕对接环并实时把力传感信息传送给机械臂的驱动控制器，实现柔顺抓捕，该系统具有姿态和平动控制、双臂路径规划、机械臂关节控制、末端柔顺抓捕的功能。
为将在轨两星相对运动状态反映至目标模拟器和主动模拟器在平台的相对运动中，建立空间轨道坐标系和大理石气浮平台基准坐标系的对应关系。大理石气浮平台的基准坐标系Fp(XOY)与真实在轨卫星轨道坐标系Fo的关系为：Fp的Xp轴指向与Fo的Zo轴指向一致，指向地心；Fp的Yp轴与Fo的Xo轴指向一致，在轨道平面内指向卫星速度方向。
非合作旋转目标双臂协同抓捕控制的地面试验流程如下所示：
1)试验准备阶段
(1)分别完成主动模拟器和目标模拟器的充气和充电；
(2)启动两个模拟器的供电开关以及两个机械臂的供电开关，打开外部视觉测量开关和各计算机的电源，打开总控控制界面，完成两个模拟器与地面控制台的通讯；
(3)把动力学宿主机1中数据加载到动力学目标机2中；
(4)撤去目标模拟器的支撑保护机构，手扶住模拟器台面，移动配重块到设定位置，完成目标模拟器水平方向的粗配平；
(5)启动系统的配平程序，输入目标姿态角，飞轮进行姿态稳定，根据飞轮输出力矩大小，计算配平块应移动距离并进行移动，并多次配平直到5自由度模拟器的不平衡力矩满足要求，完成目标模拟器的精配平。
2)试验阶段
(1)打开目标模拟器和主动模拟器的气瓶截止阀，地面控制台设定目标模拟器的初始位置和姿态，目标模拟器采集模拟器上的惯测敏感器数据，并通过无线网络接收地面控制台转发的外部测量数据，基于轨道机动和姿态控制算法，启动目标模拟器的喷气装置和飞轮完成台面的平移运动和姿态机动控制，完成位置和姿态的初始化；
(2)地面控制台同时设定主动模拟器的初始位置和姿态，按照步骤(1)的操作流程，满足主动模拟器位置和姿态的初始化；
(3)运行动力学目标机，动力学目标机通过UDP把动力学数据发送给数据中转计算机，数据中转机把数据发送给星载计算机板和地面控制台；
(4)外部测量系统通过大理石平台周围的8台相机，实时获取目标模拟器和主动模拟器的位置信息和姿态信息，并把外部测量数据发送给星载计算机板和地面控制台；
(4)星载计算机板分别接收数据中转计算机的目标星和主动星位姿信息以及外部测量数据，完成姿态和轨道的解算，根据设计的控制系统解算控制律，并将控制指令传输给控制指令中转计算机，控制指令中转计算机把接收指令发送给动力学目标机，根据接收到的控制指令模拟控制效果，更新动力学数据；
(5)同时，地面综合测控分系统接收数据中转计算机的目标星和主动星的动力学位姿信息以及外部测量数据，并通过无线网络，把目标星的动力学位姿信息及外部测量的目标星位姿信息发送给5自由度目标模拟器，把主动星的动力学位姿信息及外部测量的主动星测量位姿信息发送给3自由度主动星运动模拟系统；
(6)目标模拟器和主动模拟器分别基于动力学数据和外部测量数据，完成姿态和轨道的解算，根据设计的控制系统解算控制律，并分别通过各自模拟器上的飞轮和喷气装置，完成两个模拟系统的转动和平动控制，直到主动模拟器实现与目标的稳定跟踪(相距约0.3m)；
(7)当主动模拟器实现对目标模拟器的稳定跟踪后，主动模拟器计算机接收地面控制台转发的外部测量数据以及机械臂手眼相机数据，实时规划机械臂路径，把路径规划结果发送给两个机械臂的驱动控制器；
(8)两个机械臂的驱动控制器分别对手眼相机进行解算，获得相对位姿结果，并分别控制各自的机械臂关节运动；
(9)当机械臂末端与目标抓捕部位的相对距离在末端指爪的操控范围后，末端指爪张开对目标对接环进行抓捕，并实时把力传感信息传送给驱动控制器，控制末端指爪的抓取力的大小，实现柔顺抓捕，形成固连的组合体；
(10)地面综合控制系统发出试验停止指示，停止从相对测量敏感器和运动模拟器的数据采集，存储试验数据；
(11)机械臂指爪张开，完成机械臂与对接环的分离，主动模拟器上相对测量敏感器、机械臂和控制器断电，目标模拟器的控制器也断电，然后关闭运动模拟器上电源等设备，关闭地面综合测控系统，关闭运动模拟器上气足，整理试验数据，试验结束。
Claims (5)
1.双臂协同抓捕非合作旋转目标的地面试验系统，其特征在于：该系统包括动力学宿主机1、动力学目标机2、数据中转计算机3、星载计算机4、控制指令中转计算机5、地面控制台6、分布式外部测量相机7、相机数据处理计算机8、大理石气浮台9、目标星运动模拟系统10和主动星运动模拟系统11。
2.双臂协同抓捕非合作旋转目标的地面试验系统，其特征在于：该系统的信息流图是动力学宿主机1通过UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)把动力学仿真程序加载到动力学目标机2中，动力学目标机2通过UDP把动力学数据发送给数据中转计算机3，数据中转计算机3同时接收地面控制台6的测量数据，并通过串口RS422把动力学数据和测量数据发送给星载计算机4，星载计算机4完成控制指令解算并通过串口RS422把控制指令发送给控制指令中转计算机5，控制指令中转计算机5再通过UDP把控制指令发送给动力学目标机2；地面控制台6接收数据中转计算机3的动力学数据，同时接收由8台外部测量相机7采集并由相机数据处理计算机8处理得到的主动星运动模拟系统11相对于目标星运动模拟器10的相对位置和相对姿态测量数据，通过无线路由器把动力学数据和测量数据发送给主动星运动模拟系统11，主动星运动模拟系统11根据接收的数据完成控制指令解算，并通过自身的飞轮和喷气装置完成相对于目标星运动模拟系统10的相对位置和相对姿态的跟踪。
3.双臂协同抓捕非合作旋转目标的地面试验系统，其特征在于：地面控制台6可实现与主动星运动模拟系统10和目标星运动模拟系统11的无线数据通信，完成指令发送、状态检测和数据处理；气浮台周围布置8台外部测量相机7，每台相机都有电缆与集线器相连，可把采集的主动星运动模拟系统10和目标星运动模拟器11的位置和姿态数据通过UDP发送给相机处理计算机8，相机处理计算机8通过数据解算获得主动星运动模拟系统10相对于目标星运动模拟系统11的相对位置和相对姿态信息；大理石气浮台9作为主动星运动模拟系统10和目标星运动模拟系统11水平运动的基面，水平度不大于30μm/m，可使上述两个模拟器在平台上模拟零重力、低摩擦、微干扰的平动和转动。
4.双臂协同抓捕非合作旋转目标的地面试验系统，其特征在于：目标星运动模拟系统10由1个5自由度运动模拟器10-1、铝型材连接件10-2、背板10-3和缩比对接环10-4构成，可进行定点悬停的位置保持控制和缓慢旋转的姿态控制，以模拟空间非合作旋转目标较短时间的运动。
5.双臂协同抓捕非合作旋转目标的地面试验系统，其特征在于：主动星运动模拟系统11由1个3自由度运动模拟器11-1、铝型材框架11-2、连接件11-3和2组完全相同的机械臂抓捕装置构成，每组机械臂抓捕装置包括1条6自由度机械臂11-4、1台安装在机械臂前端的手眼相机11-5以及1个安装在机械臂前端的指爪11-6，手眼相机实时获取对接环图像，通过机械臂的驱动控制器对图像进行解算，获得相对位姿信息，并控制机械臂的关节运动；当机械臂末端与缩比对接环的相对距离在指爪操控范围内，末端指爪张开抓捕对接环并实时把力传感信息传送给机械臂的驱动控制器，实现柔顺抓捕，该系统具有姿态和平动控制、双臂路径规划、机械臂关节控制、末端柔顺抓捕的功能。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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