CN110426968B - 行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置与方法,属于飞行器地面仿真领域。本发明地面监控与控制系统通过电缆与其他系统相连接,位置测量系统返回编码器的数据到地面监控与控制系统,地面监控与控制系统发送伺服电机的控制指令到运动模拟系统;视觉测量系统中的相机控制器通过RS422串口与地面监控与控制系统进行通讯,传输运动模拟器的位置信息反馈;视觉测量系统通过线缆与模拟引力生成系统连接,视觉测量系统采集模拟引力生成系统上运动模拟器的图像,运动模拟系统与模拟引力生成系统固定连接。本发明具有数学模拟不可比拟的优越性,会遇到不可预测问题,从而验证控制算法的可靠性与鲁棒性,提高工程实施的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置与方法,属于飞行器地面仿真领域。
背景技术
随着卫星技术的迅速发展,为了确保航天器在轨道上有效运行,航天器需要地面全物理仿真试验。因此,地面模拟试验系统的建设是空间技术发展的重要保证。数学仿真只能模拟深空环境对行星捕获制动及环绕器和着陆器分离的影响,而不能有效地模拟安装误差、测量单机、大推力控制等因素带来的影响,因此有必要通过地面全物理仿真试验来分析轨道控制策略及算法的可行性,提高工程实施的可靠性。
发明专利(CN201310377060.0)“火星捕获制动控制高保真仿真方法及装置”中建立火星捕获制动控制的动力学模型;根据所述动力学模型并采用非线性优化算法生成火星捕获制动仿真系统,向火星捕获制动仿真系统输入第一参数,以获取从所述火星捕获制动仿真系统输出的结果参数,所述第一参数包括:火星探测器进入火星影响球的速度、火星探测器质量、发动机参数以及目标轨道参数,所述结果参数包括:点火时刻、点火时长、制动前近火点半径以及匀角速率。本发明能够对在火星捕获制动阶段的火星探测器进行精确控制,结果参数的优化精度高于4%。发明专利“火星捕获制动控制高保真仿真方法及装置”中提到对于火星的捕获制动都是采用仿真的方式进行,并没有进行实际的物理验证。
专利“火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法及系统”申请号为(CN201310377389.7)中提到轨道发生器模块获取火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置和理论速度,根据理论位置获取火星的仿真图像,并投影到屏幕上;光学系统导航模块的相机电路通过一光学镜头对屏幕的投影进行采集以获取火星的模拟图像,图像预处理单元使用Sobel算子对火星的模拟图像进行边缘检测,图像质心提取单元根据边缘检测的结果并使用最小二乘法获取火星的模拟图像的圆心;自主导航模块获取火星探测器的位置初始值和速度初始值,根据位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心,并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度。专利“火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法及系统”虽然实现了半物理仿真,但是对于火星引力对于实际的火星探测器运动轨迹的影响并未进行考虑。
本发明旨在建立一套在地面模拟行星引力影响下,探测器在引力作用的情况下,在考虑安装误差、测量单机、大推力控制等因素下,对于控制算法进行验证。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题,进而提供一种行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置与方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置,所述行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置包括模拟引力生成系统、运动模拟系统、视觉测量系统、位置测量系统和地面监控与控制系统,
模拟引力生成系统包括工业控制计算机、ISA控制板卡、特制电磁机构驱动器和特制电磁机构;
运动模拟系统包括运动模拟器和电磁铁,运动模拟器均由刚性仪表平台、器载设备及相应的气浮系统组成,其中器载设备包括姿态测量子系统、控制器和等效执行机构,刚性仪表平台上放置有器载设备,姿态测量子系统由陀螺电机和加表组合构成,控制器由GNC单元和仿真计算机构成,等效执行机构包括冷气推力器;
视觉测试系统包括相机控制器和相机,相机与相机控制器之间通过电缆连接;
位置检测系统包括编码器以及限位装置,编码器以及限位装置安装在运动模拟系统上;
地面监控与控制系统包括工业控制计算机、ISA控制板卡和驱动器;
地面监控与控制系统通过电缆与模拟引力生成系统、运动模拟系统、视觉测量系统和位置测量系统相连接,位置测量系统返回编码器的数据到地面监控与控制系统,地面监控与控制系统发送伺服电机的控制指令到运动模拟系统;视觉测量系统中的相机控制器通过RS422串口与地面监控与控制系统进行通讯,传输运动模拟器的位置信息反馈;视觉测量系统通过线缆与模拟引力生成系统连接,视觉测量系统采集模拟引力生成系统上运动模拟器的图像,运动模拟系统与模拟引力生成系统固定连接;
器器分离是采用两个运动模拟器分别来模拟环绕器与着陆器,两个模拟器通过电磁铁进行连接。
本发明一种行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验方法,所述行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验方法的具体步骤为:
第一步:将上文所述的行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验系统上电,开启模拟引力生成系统的工业控制计算机与视觉测试系统的相机控制器;
第二步:初始化行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置,通过工业控制计算机检测各个硬件是否能正确工作,如不能正确工作,进行检修;
第三步:通过模拟引力生成系统启动控制程序,通过工业控制计算机输入初始位置、分离位置及分离速度,并使运动模拟系统的伺服电机运动到指定的初始位置;
第四步:利用气爪连接运动模拟系统和运动模拟器;
第五步:初始化相机串口并开启串口,将采集的运动模拟器的位置信息反馈给地面监控与控制系统,实现闭环控制;
第六步:运动模拟系统和运动模拟器到达指定释放位置后,由地面监控与控制系统发送指令释放气爪抓手,开启引力,抓手释放后,运动模拟器在引力和初始速度的作用下会发生运动,此时由地面监控与控制系统通过电缆发送命令控制运动模拟系统跟踪运动模拟器,地面监控与控制系统通过接收视觉测量系统采集模拟引力生成系统上运动模拟器的图像,地面监控与控制系统模拟引力生成系统实现引力大小与方向的正确跟踪;
第七步:保存地面监控与控制系统上存储的跟踪速度和引力大小的实验数据,完成实验。
本发明一种行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置与方法,真正的物理实现,具有数学模拟不可比拟的优越性,会遇到不可预测问题,从而验证控制算法的可靠性与鲁棒性,提高工程实施的可靠性。
附图说明
图1为本发明行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置的结构示意图。
图2为本发明行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置中的运动模拟器的连接图。
图3为本发明行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置中运动模拟器的示意图。
图4为本发明行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置中模拟引力系统的组成图。
图5为本发明行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验方法的仿真实验步骤流程图。
图6为本发明行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验方法的仿真实验的速度跟踪相应曲线。
图7为本发明行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验方法的仿真实验的模拟引力跟踪曲线。
图中附图标记有:1为模拟引力生成系统;2为运动模拟系统;3为视觉测量系统;4为位置测量系统;5为地面监控与控制系统;2-1为模拟环绕器;2-2为着陆器;2-3为两个模拟器通过电磁铁;2-4为刚性仪表平台;2-5为姿态测量子系统;2-6为控制器;2-7为等效执行机构。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式,但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例一:如图1-5所示,本实施例所涉及的行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置,所述行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置包括模拟引力生成系统、运动模拟系统、视觉测量系统、位置测量系统和地面监控与控制系统,
模拟引力生成系统包括工业控制计算机、ISA控制板卡、特制电磁机构驱动器和特制电磁机构;
运动模拟系统包括运动模拟器和电磁铁,运动模拟器均由刚性仪表平台、器载设备及相应的气浮系统组成,其中器载设备包括姿态测量子系统、控制器和等效执行机构,刚性仪表平台上放置有器载设备,姿态测量子系统由陀螺电机和加表组合构成,控制器有GNC单元和仿真计算机构成,等效执行机构包括冷气推力器;
视觉测试系统包括相机控制器和相机,相机与相机控制器之间通过电缆连接;
位置检测系统包括编码器以及限位装置,编码器以及限位装置安装在运动模拟系统上;
地面监控与控制系统包括工业控制计算机、ISA控制板卡和驱动器;
地面监控与控制系统通过电缆与模拟引力生成系统、运动模拟系统、视觉测量系统和位置测量系统相连接,位置测量系统返回编码器的数据到地面监控与控制系统,地面监控与控制系统发送伺服电机的控制指令到运动模拟系统;视觉测量系统中的相机控制器通过RS422串口与地面监控与控制系统进行通讯,传输运动模拟器的位置信息反馈;视觉测量系统通过线缆与模拟引力生成系统连接,视觉测量系统采集模拟引力生成系统上运动模拟器的图像,运动模拟系统与模拟引力生成系统固定连接;
器器分离是采用两个运动模拟器分别来模拟环绕器与着陆器,两个模拟器通过电磁铁进行连接。
行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验步骤:
第一步:系统上电,开启工控机与相机控制器。
第二步:初始化系统,检测各个硬件是否能正确工作,如不能正确工作,进行检修。
第三步:启动控制程序,输入初始位置、分离位置及分离速度,并使伺服机构运动到指定的初始位置。
第四步:利用气爪连接三自由度伺服机构和运动模拟器。
第五步:初始化相机串口并开启串口,将采集的运动模拟器的位置信息反馈回来,实现闭环控制。
第六步:到达指定释放位置,释放抓手,开启引力,并控制平动机构跟踪运动模拟器,实现引力大小与方向的正确跟踪。
第七步:保存实验数据,完成实验。
实施例二:如图1-5所示,本实施例所涉及的一种行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置的工作原理:由地面监控与控制系统发送指令释放抓手,开启引力,抓手释放后,运动模拟器在引力和初始速度的作用下会发生运动,此时由地面监控与控制系统通过电缆发送命令控制运动模拟系统跟踪运动模拟器,地面监控与控制系统通过接收视觉测量系统采集模拟引力生成系统上运动模拟器的图像,利用程序控制模拟引力生成系统实现引力大小与方向的正确跟踪。
实施例三:如图1-7所示,本实施例所涉及的一种行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验方法仿真实验过程:
第一步:将上文所述的行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验系统上电,开启模拟引力生成系统的工业控制计算机与视觉测试系统的相机控制器;
第二步:初始化行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验系统,通过工业控制计算机中的程序检测各个硬件是否能正确工作,如不能正确工作,进行检修;
第三步:通过模拟引力生成系统的相关控制软件启动控制程序,通过工业控制计算机输入初始位置、分离位置及分离速度,并使运动模拟系统的伺服机构(陀螺电机)运动到指定的初始位置;
第四步:利用气爪连接运动模拟系统和运动模拟器;
第五步:初始化相机串口并开启串口,将采集的运动模拟器的位置信息反馈给地面监控与控制系统,实现闭环控制;
第六步:运动模拟系统和运动模拟器到达指定释放位置后,由地面监控与控制系统发送指令释放抓手,开启引力,抓手释放后,运动模拟器在引力和初始速度的作用下会发生运动,此时由地面监控与控制系统通过电缆发送命令控制运动模拟系统跟踪运动模拟器,地面监控与控制系统通过接收视觉测量系统采集模拟引力生成系统上运动模拟器的图像,利用程序控制模拟引力生成系统实现引力大小与方向的正确跟踪;
第七步:保存地面监控与控制系统上存储的跟踪速度,引力大小等实验数据,完成实验。对实验数据分析如下图6和7所示。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式,而且本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (2)
1.行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置,其特征在于,所述行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置包括模拟引力生成系统(1)、运动模拟系统(2)、视觉测量系统(3)、位置测量系统(4)和地面监控与控制系统(5),
模拟引力生成系统(1)包括工业控制计算机、ISA控制板卡、特制电磁机构驱动器和特制电磁机构;
运动模拟系统(2)包括运动模拟器和电磁铁(2-3),运动模拟器均由刚性仪表平台(2-4)、器载设备及相应的气浮系统组成,其中器载设备包括姿态测量子系统(2-5)、控制器(2-6)和等效执行机构(2-7),刚性仪表平台(2-4)上放置有器载设备,姿态测量子系统(2-5)由陀螺电机和加表组合构成,控制器(2-6)由GNC单元和仿真计算机构成,等效执行机构包括冷气推力器;
视觉测试系统(3)包括相机控制器和相机,相机与相机控制器之间通过电缆连接;
位置检测系统(4)包括编码器以及限位装置,编码器以及限位装置安装在运动模拟系统(2)上;
地面监控与控制系统(5)包括工业控制计算机、ISA控制板卡和驱动器;
地面监控与控制系统(5)通过电缆与模拟引力生成系统(1)、运动模拟系统(2)、视觉测量系统(3)和位置测量系统(4)相连接,位置测量系统(4)返回编码器的数据到地面监控与控制系统(5),地面监控与控制系统(5)发送伺服电机的控制指令到运动模拟系统(2);视觉测量系统(3)中的相机控制器通过RS422串口与地面监控与控制系统(5)进行通讯,传输运动模拟器的位置信息反馈;视觉测量系统(3)通过线缆与模拟引力生成系统(1)连接,视觉测量系统(3)采集模拟引力生成系统(1)上运动模拟器的图像,运动模拟系统(2)与模拟引力生成系统(1)固定连接;
器器分离是采用两个运动模拟器分别来模拟环绕器(2-1)与着陆器(2-2),两个模拟器通过电磁铁(2-3)进行连接。
2.行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验方法,其特征在于,所述行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验方法的具体步骤为:
第一步:将权利要求1所述的行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验系统上电,开启模拟引力生成系统(1)的工业控制计算机与视觉测试系统(3)的相机控制器;
第二步:初始化行星探测捕获制动与器器分离全物理仿真实验装置,通过工业控制计算机检测各个硬件是否能正确工作,如不能正确工作,进行检修;
第三步:通过模拟引力生成系统(1)启动控制程序,通过工业控制计算机输入初始位置、分离位置及分离速度,并使运动模拟系统(2)的伺服电机运动到指定的初始位置;
第四步:利用气爪连接运动模拟系统(2)和运动模拟器;
第五步:初始化相机串口并开启串口,将采集的运动模拟器的位置信息反馈给地面监控与控制系统(5),实现闭环控制;
第六步:运动模拟系统(2)和运动模拟器到达指定释放位置后,由地面监控与控制系统(5)发送指令释放气爪抓手,开启引力,抓手释放后,运动模拟器在引力和初始速度的作用下会发生运动,此时由地面监控与控制系统(5)通过电缆发送命令控制运动模拟系统(2)跟踪运动模拟器,地面监控与控制系统(5)通过接收视觉测量系统(4)采集模拟引力生成系统(1)上运动模拟器的图像,地面监控与控制系统(5)模拟引力生成系统(1)实现引力大小与方向的正确跟踪;
第七步:保存地面监控与控制系统(5)上存储的跟踪速度和引力大小的实验数据,完成实验。
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