CN111554169A - 一种航天器空间交会地面操控实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种航天器空间交会地面操控实验系统，包括：神舟八号和天宫一号的航天器仿真模型，两个仿真模型分别通过绳索悬挂在两个可沿长轨道方向移动的天车——神舟天车和天宫天车上；神舟天车能够沿长轨道方向移动，神舟天车还包括位置调整机构，为悬挂的航天器模型提供额外的两个自由度，最终实现航天器模型三自由度运动；所述长轨道以及与之平行的齿条通过龙门架和承重梁悬挂在屋顶，两个天车通过滑块和齿轮分别与长轨道和齿条配合，实现沿长轨道方向的运动。

Description

一种航天器空间交会地面操控实验系统

技术领域

本发明属于航天教育科普领域，具体涉及一种航天器空间交会过程的地面操控实验系统。

背景技术

随着中国航天的飞速发展，青少年对航天事业的热情越来越高，了解、学习航天相关原理技术的需求也越来越广泛。在航天科普教育领域，青少年对于航天技术的了解，尤其是交会对接过程的了解，一般是通过静态观察航天器模型或观看交会对接视频的方式进行。这种方式仅仅是知识的单方向输入，缺乏互动性和实际参与感，因此较难提起青少年对该过程的兴趣，也阻碍了其对相关知识的进一步探索。

发明内容

本发明所要达到的主要目的是：以神舟八号和天宫一号空间交会为背景，建立高仿真度的空间交会过程实验软硬件系统。其中包括：建立航天器的静态模型，通过高仿真度的实物模型实现针对航天器结构组成的展示教学；搭建航天器交会过程的动态演示，通过动态模拟航天器交会的方式实现动态实验教学。

为实现上述目的，本发明主要采取的技术方案是一种航天器空间交会地面操控实验系统，包括：

神舟八号和天宫一号的航天器仿真模型，两个仿真模型分别通过绳索悬挂在两个能够沿长轨道方向移动的天车——神舟天车和天宫天车上；神舟天车能够沿长轨道方向移动，神舟天车还包括位置调整机构，为悬挂的航天器模型提供额外的两个自由度，实现航天器模型三自由度运动；所述长轨道以及与之平行的齿条通过龙门架和承重梁悬挂在屋顶，两个天车通过滑块和齿轮分别与长轨道和齿条配合，实现沿长轨道方向的运动。

进一步的，在垂直于长轨道的水平方向上，神舟天车采用导轨滑块、齿轮齿条的方式实现航天器在该方向上小范围的位置调节；在竖直方向上，神舟天车通过调整悬挂航天器模型绳索长度的方式实现在该方向上的位置调节，悬挂航天器模型的绳索缠绕在绕线轮上，驱动机构通过控制绕线轮的转动实现对悬挂绳索长度的控制，神舟天车采用了三套步进电机、蜗杆蜗轮机构作为三个自由度的驱动机构。

进一步的，天宫一号模型通过四根绳索悬挂在天宫天车上，神舟八号模型通过四根绳索悬挂在神舟天车上，天宫天车、神舟天车通过导轨滑块机构装配在长轨道上，并能够在齿轮齿条驱动机构的作用下沿长轨道方向移动。

进一步的，所述的龙门架结构，包括两根导轨被龙门架固定在实验室房屋结构上，龙门架上部通过螺栓连接于房屋结构，龙门架与导轨通过承重梁相互连接；在龙门架的一侧，与导轨平行的布置有齿条，齿条与天车上的齿轮相互配合，组成沿长轨道方向的驱动机构。

进一步的，所述神舟天车通过4个沿长轨道方向滑块与长轨道相配合，沿长轨道方向驱动机构包括一个步进电机、蜗轮蜗杆机构和齿轮，步进电机旋转的速度经过蜗轮蜗杆机构减速，变换方向之后带动齿轮转动，齿轮与齿条配合，实现天车在齿条方向的移动。

进一步的，还包括机械限位机构，能够在神舟八号模型与天宫一号模型交会完成后触发，运动机构随即停止运动以防止机械干涉。

进一步的，垂直于长轨道水平方向的平动机构包括垂直长轨道水平方向滑块，垂直长轨道水平方向驱动机构，短轨道，履带导线槽。

进一步的，天车通过绳索悬挂神舟八号模型，神舟八号模型沿竖直方向的自由度由滑轮绕线轮和竖直方向驱动机构控制；竖直方向驱动机构同样采用了步进电机、蜗轮蜗杆机构，在驱动机构的带动下，绕线轮绳索通过缠绕的方式收集或者释放，实现神舟八号模型沿竖直方向的运动。

进一步的，天宫天车通过长轨道方向滑块装配至长轨道上，并通过长轨道方向驱动机构实现沿长轨道方向上的运动，通过天宫天车竖直方向驱动机构带动天宫天车绕线轮拉动绳索，并经由天宫天车滑轮连接到天宫一号模型上。

进一步的，还包括视觉反馈系统，安装于天宫一号模型对接环内，激光源向神舟八号发出一束激光，摄像机结合图像处理算法能够获取激光点在神舟八号的位置信息，进而能够获取神舟八号模型和天宫一号模型的相对位置信息。

有益效果：

本发明的优点是：

1、在传统态静态实物教学的基础上增加了动态实验教学内容，具有更强的展示效果。

2、能够手动操控交会过程，能够更近距离开展航天交互技术的学习、体验和探究。

附图说明

图1：本发明的航天器空间交会地面操控硬件系统；

图2：龙门架；

图3：神舟天车一个方向的视图；

图4：神舟天车另一个方向的视图；

图5：天宫天车；

图6：视觉反馈系统；

图7：硬件系统的控制回路框图。

其中：

01天宫一号模型

02天宫天车

03神舟天车

04长轨道

05神舟八号模型

101导轨

102龙门架

103承重梁

104齿条

201沿长轨道方向驱动机构

202沿长轨道方向滑块

203机械限位机构

204垂直长轨道水平方向滑块

205垂直长轨道水平方向驱动机构

206短轨道

207履带导线槽

208绳索

209竖直方向驱动机构

210滑轮

211绕线轮

301天宫竖直方向驱动机构

302天宫绕线轮

303天宫滑轮

304天宫长轨道方向滑块

305天宫长轨道方向驱动机构

401激光源

402摄像机

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明以中国神舟飞船与天宫一号空间实验室的数次交会对接为基础，通过实物模型演示了交会过程。本发明在静态实物教学基础上，增加了动态实验教学内容，旨在推动航天技术中交会技术在青少年中的普及推广，增强青少年对航天器交会过程的认识。具体的，本发明建立了神舟八号和天宫一号的1：10全仿真模型。两个仿真模型分别通过绳索悬挂在两个可沿长轨道方向移动的天车——神舟天车和天宫天车上。神舟天车自身除可沿长轨道方向移动外，其自身机构还可为悬挂的航天器模型提供额外的两个自由度，最终实现航天器模型三自由度运动。长轨道以及与之平行的齿条通过龙门架和承重梁悬挂在教学现场的屋顶，天车通过滑块和齿轮分别与长轨道和齿条配合，实现沿长轨道方向的运动。在垂直于长轨道的水平方向上，神舟天车同样采取了导轨滑块、齿轮齿条的方式实现航天器在该方向上小范围的位置调节；在竖直方向上，神舟天车通过调整悬挂航天器模型绳索长度的方式实现在该方向上的位置调节，悬挂航天器模型的绳索缠绕在绕线轮上，驱动机构通过控制绕线轮的转动实现对悬挂绳索长度的控制，神舟天车采用了三套步进电机、蜗杆蜗轮机构作为三个自由度的驱动机构。为简化机构复杂度，天宫天车与神舟天车相比，省略了垂直于长轨道的水平方向自由度。

建立了交会系统的控制系统，包括5套步进电机驱动系统(神舟天车3套，天宫天车2套)、反馈系统和控制计算机。每套步进电机驱动驱动系统包含1个控制器和驱动器；反馈系统主要包括长轨道方向机械限位反馈和垂直于长轨道的平面内的视觉反馈系统，在交会完成、或天车运动到极限位置时将触发机械限位反馈，视觉反馈系统采用了激光、图像识别的方式，天宫一号模型发出一道激光打在神舟八号模型的目标板上，图像识别系统根据激光点在目标板上的位置来获取交会过程中两个航天器的相对位置；控制计算机能够实时显示两个航天器模型的相对位置数据，并发送控制指令。

根据本发明的一个实施例，下面分别从硬件系统，控制方案的角度分别描述。如图1所示是本发明的硬件系统，其中天宫一号模型01通过四根绳索悬挂在天宫天车02上，神舟八号模型05通过四根绳索悬挂在神舟天车03上，天宫天车02、神舟天车03通过导轨滑块机构装配在长轨道04上，并能够在齿轮齿条驱动机构的作用下沿长轨道方向移动。

如图2所示是本发明的龙门架结构，两根长约9米的导轨101被龙门架牢固地固定在实验室房屋结构上，龙门架102上部通过螺栓连接于房屋结构，龙门架102与导轨101通过承重梁103相互连接。在龙门架的一侧，与导轨平行的布置的还有齿条104。齿条104与天车上的齿轮相互配合，组成沿长轨道方向的驱动机构。

如图3、图4所示为神舟天车的结构图。神舟天车通过4个沿长轨道方向滑块202，所述滑块带有凹槽与长轨道04相配合，沿长轨道方向驱动机构201由一个步进电机、蜗轮蜗杆机构，齿轮组成，步进电机输出的速度经过蜗轮蜗杆机构减速，变换方向之后最后带动齿轮转动，齿轮与齿条配合，最终实现天车在齿条方向的移动。机械限位机构203能够在神舟八号模型05与天宫一号模型01交会完成后触发，运动机构随即停止运动以防止机械干涉。垂直长轨道水平方向滑块204，垂直长轨道水平方向驱动机构205，短轨道206，履带导线槽207，共同组成了垂直于长轨道水平方向的平动自由度，其实现原理与沿长轨道方向运动基本一致。天车208通过绳索悬挂神舟八号模型05。神舟八号05模型沿竖直方向的自由度由滑轮210、绕线轮211和竖直方向驱动机构209组成。竖直方向驱动机209构同样采用了步进电机、蜗轮蜗杆机构，在驱动机构的带动下，绕线轮211将绳索通过缠绕的方式收集或者释放，最终实现神舟八号模型05沿竖直方向的运动。

如图5所示是天宫天车的结构图，与神舟天车相比，天宫天车省略了一个方向上的自由度，因此结构较为简单，另两个方向自由度与神舟天车基本一致。天宫天车通过天宫长轨道方向滑块304装配至长轨道上，并通过长轨道方向驱动机构305实现沿长轨道方向上的运动。通过天宫竖直方向驱动机构301带动天宫绕线轮302拉动绳索，并经由天宫滑轮303连接到天宫一号模型上。

如图6是本发明的视觉反馈系统，该系统安装于天宫一号模型对接环内，激光源401向神舟八号发出一束激光，摄像机402结合图像处理算法能够获取激光点在神舟八号的位置信息，进而能够获取神舟八号模型和天宫一号模型的相对位置信息。

如图7所示是本发明硬件系统的控制回路框图。操作人员可以操作控制计算机发送运动指令到步进电机控制板，控制板再将控制信号发送至步进电机驱动器，驱动器驱动天车上的步进电机，天车则产生相应运动。天车上的机械限位反馈器可以发送限位信号到控制计算机，在对接过程中，限位反馈器一直在发送信号，但到达限位之后，所发送信号与到达限位之前所发送信号不同，并以此来判断是否发生限位。在交会过程中，天车带动神舟八号/天宫一号模型进行运动，安装在天宫一号模型上的视觉反馈系统可以实时获取两个航天器模型的相对位置信息，控制程序或操作者可根据位置信息更新步进电机的控制指令，直至最终完成交会。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种航天器空间交会地面操控实验系统，其特征在于，包括：

神舟八号和天宫一号的航天器仿真模型，两个仿真模型分别通过绳索悬挂在两个能够沿长轨道方向移动的天车——神舟天车和天宫天车上；神舟天车能够沿长轨道方向移动，神舟天车还包括位置调整机构，为悬挂的航天器模型提供额外的两个自由度，实现航天器模型三自由度运动；所述长轨道以及与之平行的齿条通过龙门架和承重梁悬挂在屋顶，两个天车通过滑块和齿轮分别与长轨道和齿条配合，实现沿长轨道方向的运动。

2.根据权利要求1所述的一种航天器空间交会地面操控实验系统，其特征在于：

在垂直于长轨道的水平方向上，神舟天车采用导轨滑块、齿轮齿条的方式实现航天器在该方向上小范围的位置调节；在竖直方向上，神舟天车通过调整悬挂航天器模型绳索长度的方式实现在该方向上的位置调节，悬挂航天器模型的绳索缠绕在绕线轮上，驱动机构通过控制绕线轮的转动实现对悬挂绳索长度的控制，神舟天车采用了三套步进电机、蜗杆蜗轮机构作为三个自由度的驱动机构。

3.根据权利要求1所述的一种航天器空间交会地面操控实验系统，其特征在于：

天宫一号模型通过四根绳索悬挂在天宫天车上，神舟八号模型通过四根绳索悬挂在神舟天车上，天宫天车、神舟天车通过导轨滑块机构装配在长轨道上，并能够在齿轮齿条驱动机构的作用下沿长轨道方向移动。

4.根据权利要求1所述的一种航天器空间交会地面操控实验系统，其特征在于：

所述的龙门架结构，包括两根导轨被龙门架固定在实验室房屋结构上，龙门架上部通过螺栓连接于房屋结构，龙门架与导轨通过承重梁相互连接；在龙门架的一侧，与导轨平行的布置有齿条，齿条与天车上的齿轮相互配合，组成沿长轨道方向的驱动机构。

5.根据权利要求1所述的一种航天器空间交会地面操控实验系统，其特征在于：

所述神舟天车通过4个沿长轨道方向滑块与长轨道相配合，沿长轨道方向驱动机构包括一个步进电机、蜗轮蜗杆机构和齿轮，步进电机旋转的速度经过蜗轮蜗杆机构减速，变换方向之后带动齿轮转动，齿轮与齿条配合，实现天车在齿条方向的移动。

6.根据权利要求1所述的一种航天器空间交会地面操控实验系统，其特征在于：

还包括机械限位机构，能够在神舟八号模型与天宫一号模型交会完成后触发，运动机构随即停止运动以防止机械干涉。

7.根据权利要求1所述的一种航天器空间交会地面操控实验系统，其特征在于：

垂直于长轨道水平方向的平动机构包括垂直长轨道水平方向滑块，垂直长轨道水平方向驱动机构，短轨道，履带导线槽。

8.根据权利要求1所述的一种航天器空间交会地面操控实验系统，其特征在于：

天车通过绳索悬挂神舟八号模型，神舟八号模型沿竖直方向的自由度由滑轮绕线轮和竖直方向驱动机构控制；竖直方向驱动机构同样采用了步进电机、蜗轮蜗杆机构，在驱动机构的带动下，绕线轮绳索通过缠绕的方式收集或者释放，实现神舟八号模型沿竖直方向的运动。

9.根据权利要求1所述的一种航天器空间交会地面操控实验系统，其特征在于：

天宫天车通过长轨道方向滑块装配至长轨道上，并通过长轨道方向驱动机构实现沿长轨道方向上的运动，通过天宫天车竖直方向驱动机构带动天宫天车绕线轮拉动绳索，并经由天宫天车滑轮连接到天宫一号模型上。

10.根据权利要求1所述的一种航天器空间交会地面操控实验系统，其特征在于：

还包括视觉反馈系统，安装于天宫一号模型对接环内，激光源向神舟八号发出一束激光，摄像机结合图像处理算法能够获取激光点在神舟八号的位置信息，进而能够获取神舟八号模型和天宫一号模型的相对位置信息。

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