CN111071493A - 一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，属于航天器对接系统设计领域；包括被动对接件和主动对接件；被动对接件包括被动对接环、3个被动导向板、3个卡板器和n个被动锁紧机构；所述主动对接件包括主动对接环、3个主动导向板、3个捕获锁、n个主动锁紧机构、6个直线驱动机构和导向环；对接过程6个直线驱动机构单独控制，不耦合，通过6个直线驱动机构驱动导向环对准被动对接环，最终自适应完成捕获缓冲力柔顺主动控制，最终实现两飞行器的对接；本发明通过改变直线驱动机构的控制特性，实现不同的阻尼刚度模拟，以适应不同吨位的航天器对接。
Description
技术领域
本发明属于航天器对接系统设计领域，涉及一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统。
背景技术
空间对接系统(亦称对接机构)可以使两个航天器在空间轨道上结合并在结构上连接成一个整体，其广泛应用于空间站、空间实验室、空间平台等大型飞行器、舱段及设施的在轨装配、回收、补给、维修以及空间救援等领域，例如：神舟八号、神舟九号、神舟十号载人飞船与天宫一号目标飞行器通过对接系统实现两者之间的对接；神舟十一号载人飞船、天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室通过对接系统实现两者的对接；未来空间站建造过程的舱段对接及载人飞船和货运飞船与空间站的对接；航天员通过对接通道进入到天宫一号、天宫二号实验舱或空间站内，开展空间探索及科学试验。
大部分的对接系统都包括一套捕获缓冲系统和一套刚性连接系统，都有一个机械结构，包括捕获锁、密封锁紧机构和其他的机构。实施对接连接的两航天器，一般一个为主动追踪飞行器，另一个为目标飞行器。一般情况下，实现两航天器的连接有两种方法：对接或停靠。对接操作出现的情况是，当主动飞行器(如神舟飞船)在自主机动控制下进入捕获包络范围，与目标飞行器(如空间站)对接系统接触碰撞。停靠操作出现的情况是，航天器通过被机械臂系统操作抓住，操纵其进入捕获范围，与空间站对接系统接触。对接和停靠操作需要两个航天器都有一个对接装置，从而将两个对接装置连接起来。
下面的论述描述了在任何对接过程中的主要阶段。首先是接近段，主动飞行器运动到对接捕获初始条件范围内。对接捕获初始条件是预先定义的一个围绕对接装置的区域，在对接和停靠前必须导引飞行器进入该区域。第二是导向对准阶段，将两个航天器柔性捕获环相互导向并对准。这个阶段通常驱动两飞行器相互靠近，在对接操作时，迫使捕获环利用被动导向实现对准，或者利用RMS视觉提示校准偏差实现重新对准。第三是捕获阶段，主要是相互靠近的两航天器通过捕获装置(如捕获锁)实现柔性连接。第四是缓冲阶段，两航天器之间相对运动能量和剩余的相对运动通过对接系统进行吸收和消耗。第五是拉近阶段，主动对接机构将两飞行器拉近，通过对接框面的导向销套实现精确对准。最后阶段是刚性连接阶段，当两飞行器的对接框面处于接近位置时，对接锁工作，完成刚性连接，为两对接面提供刚性连接力和密封力，实现对接通道的密封。
当前载人飞船/货运飞船使用的对接机构，为机械式异体同构周边式对接系统，在对接与捕获过程中需要较大的力和相对速度，碰撞力大，且在轨不可调整性能，机械系统非常复杂，适应范围有限。美国NASA早期的弱撞击对接系统(LDS或iLDS)，提出了一种基于整体六维力大闭环力反馈控制的对接系统，可以实现弱撞击对接，但该系统采用了力传感器非常复杂，对实时控制系统要求高且复杂。波音公司于2014年提出了一种基于滑动离合器的力管理系统的对接系统，通过设置期望滑动力阀值的方式实现对接过程，系统对滑动离合力阀值控制系统设计要求高。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，通过改变直线驱动机构的控制特性，实现不同的阻尼刚度模拟，以适应不同吨位的航天器对接。
本发明解决技术的方案是：
一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，包括被动对接件和主动对接件；被动对接件包括被动对接环、3个被动导向板、3个卡板器和n个被动锁紧机构；被动对接环为轴向竖直放置的柱状结构；被动对接环的轴向底端设置有柱状被动凹槽；n个被动锁紧机构沿周向均匀分布在被动对接环轴向底端面；3个被动导向板沿周向均匀设置在凹槽的内壁；3个卡板器沿周向均匀设置在凹槽的内壁；所述主动对接件包括主动对接环、3个主动导向板、3个捕获锁、n个主动锁紧机构、6个直线驱动机构和导向环；其中，主动对接环为轴向竖直放置的柱状结构；主动对接环的轴向顶端设置有柱状主动凹槽；n个主动锁紧机构沿轴向均匀分布在主动对接环的轴向顶端面；导向环为环状结构；导向环设置在主动对接环的上方；3个主动导向板沿周向均匀设置在导向环的内壁；3个捕获锁对应设置在3个主动导向板的侧壁上；6个直线驱动机构两两一组分为3组；每组直线驱动机构分别对应一个主动导向板；每组直线驱动机构的轴向底端与主动对接环凹槽侧壁连接；每组直线驱动机构的轴向顶端与一个主动导向板连接。
在上述的一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，所述n为正整数，且n≥10。
在上述的一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，所述3个被动导向板与3个卡板器间隔交错分布；相邻的被动导向板与卡板器之间夹角为60°。
在上述的一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，所述直线驱动机构包括上连接支点、弹性缓冲装置、滚柱丝杠、位置测量装置、力传感器和下连接支点；其中，滚柱丝杠竖直放置；弹性缓冲装置固定安装在滚柱丝杠的轴向顶端；上连接支点固定安装在弹性缓冲装置的顶端；上连接支点与主动导向板的内壁旋转连接；位置测量装置套装在滚柱丝杠的外壁；力传感器安装在滚柱丝杠的轴向底端；下连接支点固定设置在力传感器的底端；下连接支点与主动对接环凹槽侧壁旋转连接。
在上述的一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，所述位置测量装置实现对滚柱丝杠伸长量的测量；所述力传感器实现对直线驱动机构承力的测量。
在上述的一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，3组直线驱动机构实现对导向环的6自由度姿态调整。
在上述的一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，所述对接系统的对接过程为：
主动对接件移动至被动对接件的下方；通过6个直线驱动机构将导向环推出主动对接环的凹槽；主动对接件与被动对接件粗对准后；6个直线驱动机构调整导向环伸入被动对接环的凹槽；当主动导向板与被动导向板接触时，通过力传感器实现监测；通过6个直线驱动机构旋转导向环；实现3个主动导向板对准3个被动导向板的空隙；完成对准；导向环继续伸入，直至3个捕获锁对3个卡板器的锁死；实现主动对接件与被动对接件对接部位的固定；通过6个直线驱动机构带动主动对接环竖直上移，直至主动对接环与被动对接环同轴对接；通过主动锁紧机构实现对被动锁紧机构的锁死密封，完成对接。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明不但将对接过程中碰撞载荷控制在很小的范围内，实现弱撞击对接，减小对失重环境的破坏，还可以通过改变控制规律实现与不同对接质量目标的对接与分离，并还可以实现与现有载人航天器之间的对接。且其构型简单、工作可靠、质量轻，并具有通用性；
(2)本发明采用六杆独立力柔顺主动控制系统，在对接过程每个直线驱动机构各自测量自己的单向拉压力，并依据力测量结果，各自实现弹簧阻尼模拟，完成捕获缓冲过程，可以与捕获信号关联，在捕获前，弹簧阻尼控制参数适当调软，捕获后，弹簧阻尼参数变硬，利于缓冲耗能；
(3)本发明对接环在初始条件下接触产生相互作用，通过对接环传递到6个直线驱动机构，每个直线驱动机构测量各自的受力，并独立按照控制规律，控制直线驱动机构运动，实现力柔顺主动控制，最终实现对接环的捕获和缓冲；并实现对接环的位姿控制，及校正和拉近控制，并完成后续的刚性连接密封锁紧。
附图说明
图1为本发明被动对接件示意图；
图2为本发明主动对接件示意图；
图3为本发明直线驱动机构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，采用六杆独立力柔顺主动控制的对接系统，整体对接机构构型属于异体同构周边式对接机构，外部接口与国际对接标准兼容。
如图1所示，航天器对接系统，主要包括被动对接件1和主动对接件2；主动对接件2主要负责主动完成捕获、缓冲、校正、拉近、刚性连接等主动对接动作的对接机构主动端；被动对接件1：主要负责被动配合完成对接任务的对接机构被动端；被动对接件1包括被动对接环11、3个被动导向板12、3个卡板器13和n个被动锁紧机构14；被动对接环11为轴向竖直放置的柱状结构；被动对接环11的轴向底端设置有柱状被动凹槽；n个被动锁紧机构14沿周向均匀分布在被动对接环11轴向底端面；3个被动导向板12沿周向均匀设置在凹槽的内壁；3个卡板器13沿周向均匀设置在凹槽的内壁；如图2所示，主动对接件2包括主动对接环21、3个主动导向板22、3个捕获锁23、n个主动锁紧机构24、6个直线驱动机构25和导向环26；其中，主动对接环21为轴向竖直放置的柱状结构；主动对接环21的轴向顶端设置有柱状主动凹槽；n个主动锁紧机构24沿轴向均匀分布在主动对接环21的轴向顶端面；导向环26为环状结构；导向环26设置在主动对接环21的上方；3个主动导向板22沿周向均匀设置在导向环26的内壁；3个捕获锁23对应设置在3个主动导向板22的侧壁上；6个直线驱动机构25两两一组分为3组；每组直线驱动机构25分别对应一个主动导向板22；每组直线驱动机构25的轴向底端与主动对接环21凹槽侧壁连接；每组直线驱动机构25的轴向顶端与一个主动导向板22连接。n为正整数，且n≥10。3个被动导向板12与3个卡板器13间隔交错分布；相邻的被动导向板12与卡板器13之间夹角为60°。3组直线驱动机构25实现对导向环26的6自由度姿态调整。导向环26用于主动对接机构的对接环暨捕获环，用于主动对接机构与被动对接机构的对接环的导向对准；捕获锁23用于相互靠近的航天器的捕获暨柔性连接。六个直线驱动机构25独立力柔顺主动控制系统，在对接过程每个直线驱动机构各自测量自己的单向拉压力，并依据力测量结果，各自实现弹簧阻尼模拟，完成捕获缓冲过程，可以与捕获信号关联，在捕获前，弹簧阻尼控制参数适当调软，捕获后，弹簧阻尼参数变硬，利于缓冲耗能。
如图3所示，直线驱动机构25包括上连接支点251、弹性缓冲装置252、滚柱丝杠253、位置测量装置254、力传感器255和下连接支点256；其中，滚柱丝杠253竖直放置；弹性缓冲装置252固定安装在滚柱丝杠253的轴向顶端；上连接支点251固定安装在弹性缓冲装置252的顶端；上连接支点251与主动导向板22的内壁旋转连接；位置测量装置254套装在滚柱丝杠253的外壁；力传感器255安装在滚柱丝杠253的轴向底端；下连接支点256固定设置在力传感器255的底端；下连接支点256与主动对接环21凹槽侧壁旋转连接。位置测量装置254实现对滚柱丝杠253伸长量的测量；所述力传感器255实现对直线驱动机构25承力的测量。每个直线驱动机构25需要通过驱动电机实现对滚柱丝杠253的驱动。
对接系统的对接过程为：
主动对接件2移动至被动对接件1的下方；通过6个直线驱动机构25将导向环26推出主动对接环21的凹槽；主动对接件2与被动对接件1粗对准后；6个直线驱动机构25调整导向环26伸入被动对接环11的凹槽；当主动导向板22与被动导向板12接触时，通过力传感器255实现监测；通过6个直线驱动机构25旋转导向环26；实现3个主动导向板22对准3个被动导向板12的空隙；完成对准；导向环26继续伸入，直至3个捕获锁23对3个卡板器13的锁死；实现主动对接件2与被动对接件1对接部位的固定；通过6个直线驱动机构25带动主动对接环21竖直上移，直至主动对接环21与被动对接环11同轴对接；通过主动锁紧机构24实现对被动锁紧机构14的锁死密封，完成对接。
每个直线驱动机构25的等效阻尼刚度系统的方程为：
式中，Mm、Cm和Km分别为末端执行器的质量、阻尼和刚度；F为实际接触力，Fd为理想接触力，xd为理想位置，
和
分别为末端执行器抵达理想位置时的速度和加速度。
根据控制系统指标约束条件，确定动力学控制方程等效传递函数为：
依据此传递函数，设置一定控制周期，依据力传感器测量的力F1、F2、F3、F4、F5、F6，进行每个直线驱动机构的位置控制L1、L2、L3、L4、L5、L6，实现阻尼刚度系统的模拟，实现对接的捕获缓冲过程。6个直线驱动机构不耦合解算，各自独立进行力柔顺控制。
本发明不但将对接过程中碰撞载荷控制在很小的范围内，实现弱撞击对接，减小对失重环境的破坏，还可以通过改变控制规律实现与不同对接质量目标的对接与分离，并还可以实现与现有载人航天器之间的对接。且其构型简单、工作可靠、质量轻，并具有通用性。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，其特征在于：包括被动对接件(1)和主动对接件(2)；被动对接件(1)包括被动对接环(11)、3个被动导向板(12)、3个卡板器(13)和n个被动锁紧机构(14)；被动对接环(11)为轴向竖直放置的柱状结构；被动对接环(11)的轴向底端设置有柱状被动凹槽；n个被动锁紧机构(14)沿周向均匀分布在被动对接环(11)轴向底端面；3个被动导向板(12)沿周向均匀设置在凹槽的内壁；3个卡板器(13)沿周向均匀设置在凹槽的内壁；所述主动对接件(2)包括主动对接环(21)、3个主动导向板(22)、3个捕获锁(23)、n个主动锁紧机构(24)、6个直线驱动机构(25)和导向环(26)；其中，主动对接环(21)为轴向竖直放置的柱状结构；主动对接环(21)的轴向顶端设置有柱状主动凹槽；n个主动锁紧机构(24)沿轴向均匀分布在主动对接环(21)的轴向顶端面；导向环(26)为环状结构；导向环(26)设置在主动对接环(21)的上方；3个主动导向板(22)沿周向均匀设置在导向环(26)的内壁；3个捕获锁(23)对应设置在3个主动导向板(22)的侧壁上；6个直线驱动机构(25)两两一组分为3组；每组直线驱动机构(25)分别对应一个主动导向板(22)；每组直线驱动机构(25)的轴向底端与主动对接环(21)凹槽侧壁连接；每组直线驱动机构(25)的轴向顶端与一个主动导向板(22)连接。
2.根据权利要求1所述的一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，其特征在于：所述n为正整数，且n≥10。
3.根据权利要求2所述的一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，其特征在于：所述3个被动导向板(12)与3个卡板器(13)间隔交错分布；相邻的被动导向板(12)与卡板器(13)之间夹角为60°。
4.根据权利要求3所述的一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，其特征在于：所述直线驱动机构(25)包括上连接支点(251)、弹性缓冲装置(252)、滚柱丝杠(253)、位置测量装置(254)、力传感器(255)和下连接支点(256)；其中，滚柱丝杠(253)竖直放置；弹性缓冲装置(252)固定安装在滚柱丝杠(253)的轴向顶端；上连接支点(251)固定安装在弹性缓冲装置(252)的顶端；上连接支点(251)与主动导向板(22)的内壁旋转连接；位置测量装置(254)套装在滚柱丝杠(253)的外壁；力传感器(255)安装在滚柱丝杠(253)的轴向底端；下连接支点(256)固定设置在力传感器(255)的底端；下连接支点(256)与主动对接环(21)凹槽侧壁旋转连接。
5.根据权利要求4所述的一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，其特征在于：所述位置测量装置(254)实现对滚柱丝杠(253)伸长量的测量；所述力传感器(255)实现对直线驱动机构(25)承力的测量。
6.根据权利要求5所述的一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，其特征在于：3组直线驱动机构(25)实现对导向环(26)的6自由度姿态调整。
7.根据权利要求6所述的一种六杆独立力柔顺主动控制的航天器对接系统，其特征在于：所述对接系统的对接过程为：
主动对接件(2)移动至被动对接件(1)的下方；通过6个直线驱动机构(25)将导向环(26)推出主动对接环(21)的凹槽；主动对接件(2)与被动对接件(1)粗对准后；6个直线驱动机构(25)调整导向环(26)伸入被动对接环(11)的凹槽；当主动导向板(22)与被动导向板(12)接触时，通过力传感器(255)实现监测；通过6个直线驱动机构(25)旋转导向环(26)；实现3个主动导向板(22)对准3个被动导向板(12)的空隙；完成对准；导向环(26)继续伸入，直至3个捕获锁(23)对3个卡板器(13)的锁死；实现主动对接件(2)与被动对接件(1)对接部位的固定；通过6个直线驱动机构(25)带动主动对接环(21)竖直上移，直至主动对接环(21)与被动对接环(11)同轴对接；通过主动锁紧机构(24)实现对被动锁紧机构(14)的锁死密封，完成对接。
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|---|---|
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