CN110758778B - 一种航天器在轨对接分离机构控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种航天器在轨对接分离机构控制方法，该方法包括以下步骤：步骤A、当两航天器进入包络范围内时，电机正转，对接机构的主动部分向被动部分伸出中心杆；步骤B、当控制器捕捉到中心杆头部霍尔传感器反馈信号时驱动电磁铁工作，电机反转，两航天器相对拉近；步骤C、当控制器捕捉到中心杆尾部霍尔传感器反馈信号，电机停机，驱动其余三组电磁铁工作，机械臂抱紧，两航天器刚性连接完成；步骤D、当控制器收到解锁指令后，电磁铁工作，破坏锁定状态，在3组分离推杆作用下主被动部分分离。本发明可满足航天器分离连接控制。
Description
技术领域
本发明设计一种航天器在轨对接分离机构控制方法，用于实现两航天器在轨对接与分离控制，属于航天器在轨服务技术领域。
背景技术
航天器在轨加注的概念是指，通过航天飞机、飞船、补给卫星等服务航天器对在轨运行航天器的推进剂等耗费品进行在轨补给。航天器通过接受推进剂在轨加注，能够大大提高轨道机动能力，增强执行任务的灵活性，延长在轨工作寿命，因此航天器在轨加注有着巨大的应用前景和重要的战略意义。影响在轨加注可靠性的主要因素是航天器对接的可靠性。航天器对接是指2个航天器在宇宙空间完成连接、保持连接和分离的操作。
随着对空间研究、开发与应用能力的不断提高，各国相继研制并发射了大量面向各种任务要求的航天器，航天器的结构、组成日益复杂。在这种情况下如何保证航天器在复杂的空间环境中更加持久、稳定、高质量地在轨运行，已成为目前航天技术领域亟待解决的重要问题。交会对接技术是在轨加注操作的基础和上游技术。因为所有在轨服务任务的执行都是以服务航天器与目标航天器的交会、伴/绕飞和对接为前提，两航天器的成功交会对接是顺利执行多数在轨服务的先决条件。且随着自主在轨服务任务需求的发展，对自主交会对接技术提出了越来越高的要求。该技术长期以来都是航天领域的研究热点。
我国在这一领域的相关研究工作目前尚处于起步阶段，需要充分借鉴吸收国外的先进技术和经验，实现我国在轨加注技术研究工作的高效发展。为了在高真空、微重力、冷热交变的复杂太空环境中实现对目标航天器安全、可靠的在轨加注，无一例外地都采用了空间交会对接的途径，即首先通过捕获和对接将两航天器刚性地连接成一个轨道复合体，然后才开始对目标航天器进行在轨加注的相关操作。因此，空间对接是实现对航天器在轨加注服务的先决条件，是延长卫星等中小型航天器寿命和降低开发利用太空资源成本的关键技术。所以，航天器在轨对接分离是本领域一直渴望解决的技术难题。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供了一种航天器在轨对接分离机构控制方法，解决了航天器在轨对接分离的问题。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：
一种航天器在轨对接分离机构控制方法，航天器包括无刷直流电机、头部霍尔传感器、尾部霍尔传感器、电磁铁及中心杆，包括如下步骤：
步骤A、当两航天器进入包络范围内时，无刷直流电机正转，对接机构的主动部分向被动部分伸出中心杆；
步骤B、当控制器捕捉到中心杆头部霍尔传感器反馈信号时驱动电磁铁工作，无刷直流电机反转，两航天器相对拉近；
步骤C、当控制器捕捉到中心杆尾部霍尔传感器反馈信号，无刷直流电机停机，驱动其余三组电磁铁工作，机械臂抱紧，两航天器刚性连接完成；
步骤D、当控制器收到解锁指令后，电磁铁工作，破坏锁定状态，在3组分离推杆作用下主被动部分分离。
所述步骤A包括以下过程：
第一步，当两航天器进入包络范围时，控制器检测头部霍尔传感器反馈信号，为1时说明中心杆已到位，为0时说明中心杆未到位；
第二步，当头部霍尔传感器反馈信号为0时，控制器驱动无刷直流电机正转，对主动接机构向被动对接机构伸出中心杆；
最后，直到控制器检测到头部霍尔传感器反馈信号为1时，无刷直流电机停机。
所述步骤B包括以下过程：
第一步，当控制器捕捉到中心杆头部霍尔传感器反馈信号为1时，无刷直流电机停机后，驱动中心电磁铁工作，中心电磁铁得电锁紧，“三爪”式机械臂抱紧，两航天器建立软连接；
第二步，控制器控制无刷直流电机反转，中心杆收回，主动部分利用软连接将被动部分相对拉近。
所述步骤C包括以下过程：
第一步，控制器捕捉中心杆尾部霍尔传感器反馈信号，0表示未到位，1表示已到位，当反馈信号为1时，无刷直流电机停机；
第二步，控制器给其余三组电磁铁上电，驱动中心电磁铁工作，中心电磁铁得电锁紧，“三爪”式机械臂抱紧，两航天器建立刚性连接，两航天器刚性连接完成。
所述步骤D包括以下过程：
第一步，当系统加注完成，控制器接到解锁命令，四组电磁铁同时电磁铁掉电，“三爪”式机械臂全部释放；
第二步，两航天器利用装有弹簧的分离推杆推开，两航天器实现分离。
本发明的优点效果如下：
本发明实现两航天器在轨对接与分离控制。
附图说明
图1为本发明一种航天器在轨对接分离机构控制方法的工作流程图；
图2为本发明一种航天器在轨对接分离机构控制方法的上位机设计流程图；
图3为本发明一种航天器在轨对接分离机构控制方法的电机控制原理图；
图4为本发明一种航天器在轨对接分离机构控制方法的串口数据接口原理图；
图5为本发明一种航天器在轨对接分离机构控制方法的霍尔传感器到位信号采集原理图；
图6为本发明一种航天器在轨对接分离机构控制方法的电磁铁控制原理图；
图7为本发明一种航天器在轨对接分离机构控制方法的控制芯片引脚分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
图1给出了本发明一种航天器在轨对接分离机构控制方法的工作流程图。工作方式可选择地面控制箱和上位机控制两种工作方式。当对接机构进入包络范围时，控制器检测头部霍尔信号是否到位，如果已到位，则驱动中心电磁铁工作，电磁铁上电，驱动无刷直流电机反转，两航天器拉近，之后检测到尾部霍尔传感器到位信号，则驱动周边电磁铁工作。如头部霍尔传感器没到位，则驱动无刷直流电机正转，中心杆伸出，直至检测到头部霍尔到位信号，重复上述过程。收到加注完成信号，电磁铁掉电释放，两航天器在分离推杆的作用下实现分离，过程结束。
图2给出一种航天器在轨对接分离机构控制方法的上位机设计流程图。如图2所示，航天器对接有两种控制方式：一种是地面控制箱控制方式，一种是上位机控制方式。上位机控制可进行分步控制和自动控制。分步控制分为电机控制和电磁铁控制，电机控制方式分为三种：定速控制（1000rpm、1500rpm、2000rpm）、PWM控制、定时控制。电磁铁控制为连接和分离两种工作状态。自动控制为控制器通过检测信号自动完成对接及分离过程。数据采集将采集的参数（包括电压、电流、电机转速、电机正转时间、电机反转时间、电磁铁状态等）进行保存，采集停止后进行回读处理，完成试验后退出系统，给系统断电完成测试。
图3给出一种航天器在轨对接分离机构控制方法的电机控制原理图，选用的是无刷直流电机，其具有体积小、重量轻、出力大、效率高、省去了电刷和换向器等特点如图3所示，无刷直流电机转速通过调节DSP输出PWM波形的占空比来控制，通过DSP的ECAP模块采集到霍尔传感器输出的信号来控制场效应管通断来控制电机绕组通断，进而控制无刷直流电机转向，通过DSP的ECAP模块接收霍尔传感器信号来实现转速的测量。通过DSP的GPIO引脚接收霍尔开关的信号，来判断移动到位进而完成对接过程。通过DSP的GPIO引脚来控制电磁铁的通断进而控制装置的分离。无刷直流电机控制采用HPWM-LON的方式来控制。上桥臂采用PWM来控制，下桥臂采用引脚控制开断来控制。上桥臂采用PMOS管，下桥臂采用NMOS管。通过控制上下桥臂的MOS管的通断来控制无刷直流电机ABC三相引脚的导通。当MCU_H为高电平时，其对应PMOS管导通，当MCV_L为高电平时，其对应NMOS管导通，此时其它引脚输出均为低电平（即禁止导通状态）。此时AB相导通。其它相导通方式与此类似。在无刷直流电机启动前，需先检测HALL状态，根据HALL换向表，打开对应上桥臂的开关管的PWM信号及开通下桥臂的开关管。无刷直流电机转动后，HALL信号一旦变化，即进入捕获输入中断，在中断中重新根据HALL状态进行换向，根据真值表对不同电机相序按照一定顺序供电即可实现无刷直流电机的连续运转与正反转控制。
图6给出一种航天器在轨对接分离机构控制方法的电磁铁控制原理图，由图6可知，通过程序控制DSP的I/0口输出状态，采用MC1413反向器来驱动继电器，通过控制继电器供电状态来驱动电磁铁的动作。为提高电磁铁推力，分别设计两个驱动器，通过一个驱动电路板控制，可以提供瞬间高压驱动电磁铁产生更大推力，实现分离功能，后恢复为正常电压，经实验验证，可以驱动电磁铁正常工作，实现分离功能。
图7给出一种航天器在轨对接分离机构控制器设计方法的控制芯片引脚分布图，由图7可知，控制器为DSP控制芯片，DSP的捕获功能可以通过霍尔传感器测量无刷直流电机的转速，对无刷直流电机进行换向控制。DSP的PWM（脉冲宽度调制）功能可以用来驱动无刷直流电机，调节无刷直流电机的转速。DSP的A/D采集功能配合相应的传感器可以用来测量电压、电流等数据。DSP的串行通讯接口配合相应模块可实现与上位机的通讯功能，DSP具有丰富的I/O接口，可实现各个开关、按钮的控制，DSP芯片可以满足该项目的要求，通过搭建DSP最小系统，配合其它电路模块，可实现该项目的各项要求。
Claims (5)
1.一种航天器在轨对接分离机构控制方法，航天器包括无刷直流电机、头部霍尔传感器、尾部霍尔传感器、电磁铁及中心杆，其特征在于包括下述步骤：
步骤A、当两航天器进入包络范围内时，无刷直流电机正转，对接机构的主动部分向被动部分伸出中心杆；
步骤B、当控制器捕捉到中心杆头部霍尔传感器反馈信号时驱动电磁铁工作，无刷直流电机反转，两航天器相对拉近；
步骤C、当控制器捕捉到中心杆尾部霍尔传感器反馈信号，无刷直流电机停机，驱动其余三组电磁铁工作，机械臂抱紧，两航天器刚性连接完成；
步骤D、当控制器收到解锁指令后，电磁铁工作，破坏锁定状态，在3组分离推杆作用下主被动部分分离；
所述步骤B包括以下过程：
第一步，当控制器捕捉到中心杆头部霍尔传感器反馈信号为1时，无刷直流电机停机后，驱动中心电磁铁工作，中心电磁铁得电锁紧，“三爪”式机械臂抱紧，两航天器建立软连接；
第二步，控制器控制电机反转，中心杆收回，主动部分利用软连接将被动部分相对拉近；
所述步骤C包括以下过程：
第一步，控制器捕捉中心杆尾部霍尔传感器反馈信号，0表示未到位，1表示已到位，当反馈信号为1时，无刷直流电机停机；
第二步，控制器给其余三组电磁铁上电，驱动中心电磁铁工作，中心电磁铁得电锁紧，“三爪”式机械臂抱紧，两航天器建立刚性连接，两航天器刚性连接完成；
所述步骤D包括以下过程：
第一步，当系统加注完成，控制器接到解锁命令，四组电磁铁同时电磁铁掉电，“三爪”式机械臂全部释放；
第二步，两航天器利用装有弹簧的分离推杆推开，两航天器实现分离。
2.如权利要求1所述的一种航天器在轨对接分离机构控制方法，其特征在于，所述步骤A包括以下过程：
第一步，当两航天器进入包络范围时，控制器检测头部霍尔传感器反馈信号，为1时说明中心杆已到位，为0时说明中心杆未到位；
第二步，当头部霍尔传感器反馈信号为0时，控制器驱动无刷直流电机正转，对主动接机构向被动对接机构伸出中心杆；
最后，直到控制器检测到头部霍尔传感器反馈信号为1时，无刷直流电机停机。
3.如权利要求1所述的一种航天器在轨对接分离机构控制方法，其特征在于，所述无刷直流电机转速通过调节DSP输出PWM波形的占空比来控制，通过DSP的ECAP模块采集到霍尔传感器输出的信号来控制场效应管通断来控制电机绕组通断，进而控制无刷直流电机转向，通过DSP的ECAP模块接收霍尔传感器信号来实现转速的测量。
4.如权利要求1所述的一种航天器在轨对接分离机构控制方法，其特征在于，所述的电磁铁通过程序控制DSP的I/0口输出状态，采用MC1413反向器来驱动继电器，通过控制继电器供电状态来驱动电磁铁的动作。
5.如权利要求1所述的一种航天器在轨对接分离机构控制方法，其特征在于，所述的控制器为DSP控制芯片，DSP的捕获功能通过霍尔传感器测量无刷直流电机的转速，对无刷直流电机进行换向控制。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111409873A (zh) * | 2020-03-10 | 2020-07-14 | 上海卫星工程研究所 | 一种分离式微小卫星两舱解锁锁紧方法 |
| CN113859590B (zh) * | 2021-10-13 | 2023-11-14 | 西北工业大学 | 一种基于钩爪与棘爪齿的空间嵌入式电磁对接机构 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4664344A (en) * | 1985-11-07 | 1987-05-12 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Apparatus and method of capturing an orbiting spacecraft |
| US5803407A (en) * | 1993-11-12 | 1998-09-08 | Scott; David R. | Apparatus and methods for in-space satellite operations |
| CN105000200A (zh) * | 2015-07-24 | 2015-10-28 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种防误判带信号反馈的柔性对接杆 |
| CN105083592A (zh) * | 2015-07-24 | 2015-11-25 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种对接补加一体化装置及对接方法 |
| CN108639389A (zh) * | 2018-03-26 | 2018-10-12 | 南京航空航天大学 | 可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构及对接方法 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4664344A (en) * | 1985-11-07 | 1987-05-12 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Apparatus and method of capturing an orbiting spacecraft |
| US5803407A (en) * | 1993-11-12 | 1998-09-08 | Scott; David R. | Apparatus and methods for in-space satellite operations |
| CN105000200A (zh) * | 2015-07-24 | 2015-10-28 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种防误判带信号反馈的柔性对接杆 |
| CN105083592A (zh) * | 2015-07-24 | 2015-11-25 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种对接补加一体化装置及对接方法 |
| CN108639389A (zh) * | 2018-03-26 | 2018-10-12 | 南京航空航天大学 | 可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构及对接方法 |
Non-Patent Citations (1)
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| 对卫星柔性对接补加一体化机构建模与设计;黄剑斌等;《空间控制技术与应用》;20181015(第05期);30-37 * |
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