CN111599243B - 一种航天器空间对接地面操控实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种航天器空间对接地面操控实验系统及方法，该系统包括主动对接机构和被动对接机构，以及纵向位移机构；主动对接机构连接到纵向位移机构，进行纵向位移，所述主动对接机构还包括有位姿调整机构，用于调整自身位姿；其中，所述主动对接机构和被动对接机构分别包括有对接环，两者利用对接环进行对接。本发明以一种地面演示的方式再现了太空中航天器对接的场景，在航天科普领域相比于传统影视教学具有更强的直观性；对接的整个过程由人为操作完成，具有更强的操作性；采取了近距离观察以及手动操作的方案，能够清晰地展示对接系统采用的原理。

Description

一种航天器空间对接地面操控实验系统及方法

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对接系统的地面演示系统。

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。航天教育科普越来越多的走进校园，出现在各种教育平台上。但是目前航天技术的科普主要方式为观看影视作品，听讲座报告等，且大多停留在概述性阶段，对其中的技术细节设计涉及较少。传统的科普方式越来越无法满足青少年日益增加的对新知识的需求，因此也越来越难以激发其兴趣。开展更具互动性、创新性、探索性的新型航天科普方式能够进一步促进航天知识的普及，激发青少年的探索创新精神。

发明内容

本发明要解决的问题是：针对近年来中国航天的飞速发展带来的航天科普在青少年群体中的较大需求，依托于航天器空间对接技术，提出了一种空间对接系统的地面演示方案，让青少年可以近距离观察并亲手操作对接过程，了解对接过程的原理及其实现方式，加深青少年对航天技术的认识。

本发明旨在推动航天技术中交会对接关键技术在青少年中的普及推广，增强青少年对交会对接的原理、机构以及运行过程的了解。本发明以中国神舟飞船与天宫空间实验室的数次交会对接为基础，选择其中的对接过程，将其关键技术经过简化，设计出了地面演示平台，完整地演示了航天器的对接过程。

对接过程中的两个航天器分别由主动对接机构和被动对接机构模拟。主动对接机构包含作动系统，能够根据指令产生运动，在对接过程中根据被动对接机构的位置、姿态对自身的位置、姿态进行调整。被动对接机构的姿态可以手动调节并锁定，以模拟两个航天器在对接过程中不同的初始位置。

本发明的技术方案为：一种航天器空间对接地面操控实验系统，包括：

主动对接机构和被动对接机构，以及纵向位移机构；

主动对接机构连接到纵向位移机构，进行纵向位移，所述主动对接机构还包括有位姿调整机构，用于调整自身位姿；

其中，所述主动对接机构和被动对接机构分别包括有对接环，两者利用对接环进行对接。

进一步的，所述的主动对接机构包括Stewart平台，所述Stewart平台包括步进电机电推杆、下平台和主动对接机构对接环；主动对接机构保护罩将Stewart平台包裹在内；Stewart平台通过转接支架连接于纵向位移机构上。

进一步的，所述纵向位移机构包括步进电机、底座、导轨丝杠。

进一步的，所述电推杆包括衬套，衬套与Stewart平台下平台相连，并通过轴承与U形虎克铰相连；U形虎克铰通过销轴与电推杆结构相连；步进电机为电推杆的驱动电机，伸缩杆为电推杆的作动杆；伸缩杆通过球形关节轴承与球铰座相连接；球铰座与主动对接机构对接环相互连接。

进一步的，所述的被动对接机构包括：被动对接机构支架，连接于基座上，被动对接机构支架为中空结构，法兰轴下部伸在被动对接机构支架内部并通过铜圈配合，形成沿偏航方向的旋转自由度，法兰轴的上部通过法兰与轴承座相连；下刻度盘与被动对接机构支架固连，上刻度盘与法兰轴固连，两个刻度盘上刻有刻度，通过其相对位置读取偏航角度值；偏航锁定旋钮用来锁定偏航角度；轴承座和块轴通过两个轴承连接，形成俯仰方向的自由度，左刻度盘上刻有刻度并与块轴固连，左压盖与轴承座相连且也刻有刻度，通过左压盖和左刻度盘之间的刻度读取俯仰方向的旋转角度值，俯仰方向锁定旋钮将左刻度盘与轴承座的相对位置锁定，进而锁定俯仰方向自由度；主轴与块轴之间通过另一组轴承相连，形成滚转方向的自由度，前刻度盘刻有刻度并与主轴固连，通过与块轴之间的相对转动读取滚转方向的角度值，滚转方向自由度的锁定通过滚转方向锁定旋钮实现；主轴前段为中空结构并与弹簧轴配合，形成一个额外的平动自由度，并可通过锁定插销锁定/解锁；外壳底盖、外壳共同组成了被动对接机构的保护罩，被动对接机构对接环通过弹簧与弹簧轴相连；操作手柄与主轴相连。

进一步的，所述的对接环如下：主动对接机构对接环导向片固定在主动对接机构对接环结构上，电磁铁线圈固定在主动对接机构对接环结构上；被动对接机构对接环导向片固定在被动对接机构对接环结构上，吸附铁块固定在被动对接机构对接环结构上；对接环采用了“同构异体周边”式布局结构；在对接过程中被动对接机构对接环导向片和主动对接机构对接环导向片在对接过程中能够配合弹簧矫正对接机构运动误差，提高对接的精度；对接完成后，电磁铁线圈通电产生磁场用以吸附铁块，实现两个对接环的刚性连接；

进一步的，还包括硬件系统控制回路：用于设定被动对接机构的姿态信息，并将被动对接机构姿态信息调节至设定状态；

将被动对接机构的姿态信息输入至控制计算机，控制计算机将跟据被动对接机构的姿态信息进行轨迹规划并生成控制指令；

控制计算机将控制指令下发到下位机，并由下位机实时地将控制指令转化为驱动指令输出至驱动器；

驱动器将驱动信号经过放大，形成驱动电流，控制主动对接机构产生相应地运动。

根据本发明的另一方面，提出一种航天器空间对接地面操控实验方法，包括如下步骤：

步骤1、执行被动对接机构找零过程：

步骤2、执行主动对接机构拉回过程：

步骤3、执行被动对接机构还原过程。

进一步的，所述步骤1包括如下步骤：

(1.1)操作控制计算机，控制Stewart平台，使其各作动杆都回到零位；

(1.2)操作控制计算机，控制纵向位移机构，使主动对接机构整体向前平移，直至到达能够与被动对接机构进行对接的位置；

(1.3)松开被动对接机构的锁紧机构，调整其姿态，使其与主动对接机构对接在一起，锁定被动对接机构锁紧机构；

(1.4)调节被动对接机构的刻度盘，使得刻度盘读数处于零位，然后锁定刻度盘，完成“找零”过程。

进一步的，所述步骤2包括如下步骤：

(2.1)操作控制计算机，控制纵向位移机构，将主动对接机构后退一定距离；

(2.2)选定一组姿态角，调节被动对接机构的姿态到选定的姿态角，并锁定；

(2.3)将选定的姿态角输入控制计算机，操作控制计算机计算轨迹，并通过计算机控制主动对接机构按照计算得到的轨迹运动到指定位置；

(2.4)操作控制计算机，控制纵向位移机构，使主动对接机构整体向前平移，直到主动对接机构对接环贴合到被动对接结构对接环上；

(2.5)操作控制计算机，给磁铁通电，将主动对接机构与被动对接机构吸和在一起。完成“对接过程”；

(2.6)松开被动对接机构三个锁定旋钮并拔出纵向锁定插销；

(2.7)操作控制计算机，控制Stewart平台，使各个作动杆都回到零位，同时主动对接机构会将被动对接机构拉回，完成“拉回过程”。

进一步的，所述步骤3包括如下步骤：

(3.1)手动锁定被动对接机构三轴姿态角；

(3.2)操作控制计算机，电磁铁断电，磁铁吸附断开；

(3.3)手动将被动对接机构复原，插回轴向锁定插销。

有益效果：

本发明的一种航天器空间对接地面操控实验系统及方法，相对于现有技术的优点在于：

1.以一种地面演示的方式再现了太空中航天器对接的场景，在航天科普领域相比于传统影视教学具有更强的直观性；

2.对接的整个过程由人为操作完成，具有更强的操作性；

3.采取了近距离观察以及手动操作的方案，能够清晰地展示对接系统采用的原理。

附图说明

图1Stewart平台原理图；

图2Stewart平台俯视图；

图3位移，速度，加速度曲线；

图4总体系统示意图；

图5主动对接机构示意图；

图6电推杆示意图；

图7被动对接机构示意图；

图8三自由度旋转示意图；

图9主动对接机构对接环示意图；

图10被动对接机构对接环示意图；

图11控制回路示意图。

其中，附图标记说明如下：

01 主动对接机构

02 被动对接机构

03 基座

101 步进电机

102 底座

103 导轨丝杠

104 转接支架

105 下平台

106 主动对接机构保护罩

107 步进电机电推杆

108 主动对接机构对接环

1071 衬套

1073 步进电机

1072 U形虎克铰

1074 电推杆结构

1075 伸缩杆

1076 球形关节

1077 球铰座

201 被动对接机构支架

202 下刻度盘

203 上刻度盘

204 法兰轴

205 主轴

207 插拔销

206 操作手柄

208 弹簧轴

209 外壳底盖

210 外壳

211 被动对接机构对接环

212 偏航锁定旋钮

213 前刻度盘

214 滚转方向锁定旋钮

215 左压盖

216 块轴

217 轴承座

218 左刻度盘

219 俯仰方向锁定旋钮

301 主动对接机构对接环结构

302 主动对接机构对接环导向片

303 电磁铁线圈

304 被动对接机构对接环结构

305 被动对接机构对接环导向片

306 吸附铁块

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。

下面分别从总体、主动对接机构、被动对接机构以及对接机构的角度分别介绍本发明的具体实施方案。

本发明的系统包括主动对接机构和被动对接机构，用主动、被动两部分对接机构分别作为空间对接过程中的主动对接航天器和被动对接航天器。

其中，主动对接机构采取了六自由度位姿调整加单自由度纵向位移方案，以模拟航天器自身小范围位姿调整以及沿轨道方向的大位移运动；被动对接机构采用了可锁定的三自由度姿态调整加单自由度纵向位移方案，以一种简化的方式模拟对接过程中被对接航天器的状态。

主动对接机构实际对接过程为，首先，两个航天器逐渐靠近；其次，当两者靠近时，对接机构根据两个航天器的相对位置、姿态对自身做微调；最后，在导向机构的作用下，两者完成最后的对接。相应的，地面演示平台的主动对接机构应具有两部分的功能：a)，沿轨道方向相对被动对接机构做较大距离的运动——纵向位移；b)，对自身的位置、姿态做微调——位姿调整。

纵向位移机构，沿轨道方向相对被动对接机构做较大距离的运动通过电机、轨道丝杠来实现。轨道固定于基座，主动对接机构主体安装于轨道上，其沿轨道方向的运动由电机丝杠驱动机构实现。

位姿调整机构，在对接前，主动对接机构需要将自身的位姿调整为与被动对接机构一致，才能完成最后的对接。这一位姿调整功能要求主动对接机构具有六自由度运动功能。在本方案中，这种六自由度运动功能通过Stewart平台实现。

Stewart平台，主动对接机构通过Stewart平台实现六自由度的运动。经典的Stewart平台机构由上、下两个平台和六个可伸缩的支腿以及它们之间的连接铰链构成，其下平台通常为基台,上平台通常为负载平台(即Stewart平台的工作平台)。Stewart平台通过六个支腿的伸缩运动可以实现负载平台在工作空间范围内的六自由度运动，并具有刚度高、精度高、承载能力强、动态特性好等优点，因此近年来被广泛应用于并联机床、精密定位平台和振动隔离平台等方面。

如图1所示是经典六自由度Stewart平台结构示意图，OXYZ为下平台坐标系，O’X’Y’Z’是上平台坐标系，I₁～I₆为六根作动杆，a₁～a₆为六个球铰，b₁～b₆为六个虎克铰。在下平台固定的情况下，上平台以及六根作动杆有42个自由度。由于作动杆还可以产生轴向的伸缩，即又附加了6个自由度，这样总共有48个自由度。在约束方面，每个虎克铰约束了4个自由度，每个球铰约束了3个自由度，总共的约束数量为42个。所以系统的自由度为6个。从上平台的角度来说，6个自由度正好是上平台三个方向平移以及转动的自由度。

平台控制方法如下：

Stewart六自由度平台巧妙地将六条作动腿的伸长与缩短转换为上平台的六自由度位移。上平台相对下平台的位姿确定之后，六条腿的长度也就确定了。反过来，在一定的条件下，如果想要使上平台处于某个位姿，调节六条腿的长度即可。

假设上平台相对于下平台的六个位姿参数为

其中，(x₀,y₀,z₀)表示上平台坐标系原点O’在下平台坐标系中的坐标，

表示上平台坐标系相对于下平台坐标系的俯仰，偏航，滚转角。坐标系从上平台坐标系转换为下平台坐标系的过程可以分解为以下步骤。

1)偏航。即将O’X’Y’Z’坐标系绕Z’轴旋转ψ角度，得到的新坐标记为O₁X₁Y₁Z₁，某一点P在坐标系O’X’Y’Z’中坐标为(x’,y’,z’),在O₁X₁Y₁Z₁中的坐标为(x₁,y₁,z₁)。

在数学上可以表示为：

2)俯仰。即将O₁X₁Y₁Z₁绕Y₁轴旋转θ角度，得到O₂X₂Y₂Z₂。P在该坐标系中的坐标可以表示为：

3)滚转。即将O₂X₂Y₂Z₂绕X₂轴旋转φ角度，得到O₃X₃Y₃Z₃。P在该坐标系中的坐标可以表示为：

4)平移。经过上述三个步骤的旋转，得到的O₃X₃Y₃Z₃坐标系是与下平台坐标系平行的坐标系，通过平移使两者重合后，点P在两者中的坐标则是一致的。平移在数学上表示为：

其中，x₀，y₀，z₀分布是三个方向的平移量；

联立上述变换过程，在上平台坐标系O’X’Y’Z’中坐标为(x’,y’,z’)的点P在下平台坐标系OXYZ中的坐标(x,y,z)可以表示为:

式中：

下面说明六条腿的伸缩量：

首先，构型为(rb,θb,rl,θl,h)的Stewart平台，俯视图如图所示。其中，rb表示下平台六个铰点与所在圆圆心点的距离,θb表示下平台相邻两个铰点的圆心角,rl表示上平台六个铰点与所在圆圆心点的距离,θl表示下平台相邻两个铰点的圆心角,h表示上平台和下平台之间的距离。

上平台六个铰点坐标在其本体坐标系中可以表示为：

下平台六个铰点坐标在其本体坐标系中可以表示为：

此时，如果上平台有个

的位移，则上平台坐标系O’X’Y’Z’相对于下平台坐标系OXYZ的位姿参数为

上平台上六个铰点坐标转换到下平台坐标系中时：

pl1_b′＝R·pl1_l′+(x₀+h，y₀，z₀)′

pl2_b′＝R·pl2_l′+(x₀+h，y₀，z₀)′

pl3_b′＝R·pl3_l′+(x₀+h，y₀，z₀)′

pl4_b′＝R·pl4_l′+(x₀+h，y₀，z₀)′

pl5_b′＝R·pl5_l′+(x₀+h，y₀，z₀)′

pl6_b′＝R·pl6_l′+(x₀+h，y₀，z₀)′

上式中，“′”表示转置。当上下平台铰点位置在同一坐标系中表示后，可以方便的求出六条作动杆的长度：

l₁＝|pl1_b pb1_b|

l₂＝|pl2_b pb2_b|

l₃＝|pl3_b pb3_b|

l₄＝|pl4_b pb4_b|

l₅＝|pl5_b pb5_b|

l₆＝|pl6_b pb6_b|

通过控制六条作动杆长度，即可对上平台六个自由度进行控制。

对接过程的轨迹规划：

整个对接过程包含对接和拉回两个过程。相应的轨迹规划也包括对接过程以及拉回两部分。在给出被动对接机构的姿态之后，主动对接机构在对接结束后的位姿也相应确定，六条作动杆伸长量也就随之确定。

Δl₁＝l₁-l₁₀

Δl₂＝l₂-l₂₀

Δl₃＝l₃-l₃₀

Δl₄＝l₄-l₄₀

Δl₅＝l₅-l₅₀

Δl₆＝l₆-l₆₀

本方案采用步进电机驱动六条作动杆，采用步进电机的优势是不需要额外的传感器，通过控制驱动电机的脉冲数量，即可对作动杆的伸长量进行控制。精确的步进电机控制必须考虑“失步”问题。所谓“失步”，就是电机的实际转动角度小于脉冲要求的角度的现象，通常发生在电机启动时或者电机加速时。与之对应的是“过冲”，是一种电机转动角度大于脉冲要求的现象，通常发生在电机停止或者减速的过程中。要避免“失步”和“过冲”问题，一方面可以提高电机电流，提升驱动能力，另一方面，也是主要的方面就是要控制电机的加速度，使得加速度的大小小于一定阈值。因此，电机的运行策略可以采取匀加速——匀速——匀减速三个阶段，相应的加速度，速度，位移曲线如图3所示。

被动对接机构

实际航天器对接过程中，两个航天器均为具有六个自由度的结构，作为地面演示方案，本方案取被动对接机构的三个转动自由度以及一个平动自由度分别演示对接过程和拉回过程。其中三个转动自由度通过相互正交的三个转轴实现，每个自由度均可手动调整转角、锁定/解锁并读取姿态角度。此外，被动对接机构还附带一个纵向自由度(沿对接方向)，用于对接完成后的拉回过程。

对接环

主动对接机构和被动对接机构通过对接环实现。对接环分为主动对接机构对接环(Stewart平台的上平台)和被动对接机构对接环。参照航天器对接机构的设计，采用了“同构异体周边式”布局方案设计了对接环。对接环上布置有导向片，可以进一步引导对接航天器实现精准对接；对接环上布置有磁力抓取机构，可在对接机构实现对接之后实现两部分结构的刚性锁定。

本发明的系统如图4所示，主动对接机构01和被动对接机构02通过铝合金型材搭建的基座搭03连接一起。

主动对接机构如图5所示，6副步进电机电推杆107、下平台105和主动对接机构对接环108共同组成了Stewart平台；106主动对接机构保护罩(附图中为表示方便，隐藏掉了一半的保护罩)将Stewart平台包裹在内；Stewart平台通过转接支架104连接于纵向位移平台上。纵向位移平台包括步进电机101、底座102、导轨丝杠103。

电推杆采取的方案如图6所示，其中，衬套1071与Stewart平台下平台相连，并通过轴承与U形虎克铰1072相连；U形虎克铰1072通过销轴与电推杆1074结构相连；步进电机1073为电推杆的驱动电机，伸缩杆1075为电推杆的作动杆；伸缩杆1075通过球形关节轴承1076与球铰座1077相连接；球铰座1077与主动对接机构对接环108相互连接。

被动对接机构如图7、图8所示所示，被动对接机构201支架连接于基座03上，被动对接机构201支架为中空结构，法兰轴204下部伸在201被动对接机构支架内部并通过铜圈配合，形成沿偏航方向的一个旋转自由度，法兰轴204的上部通过法兰与轴承座217相连；下刻度盘202与被动对接机构支架201固连，上刻度盘203与法兰轴204固连，两个刻度盘上用激光刻有刻度，通过其相对位置读取偏航角度值；偏航锁定旋钮212可用来锁定偏航角度。轴承座217和块轴216通过两个轴承连接，形成俯仰方向的自由度，左刻度盘218上刻有刻度并与块轴216固连，左压盖215与轴承座217相连且也刻有刻度，通过左压盖215和左刻度盘218之间的刻度可以读取俯仰方向的旋转角度值，俯仰方向锁定旋钮219可以将左刻度盘218与轴承座217的相对位置锁定，进而锁定俯仰方向自由度；主轴205与块轴216之间通过另一组轴承相连，形成滚转方向的自由度，前刻度盘213刻有刻度并与主轴205固连，通过与块轴之间的相对转动读取滚转方向的角度值，滚转方向自由度通过滚转方向锁定旋钮214实现。主轴205前段为中空结构并与弹簧轴208配合，形成一个额外的平动自由度，并可通过插拔销207锁定/解锁。外壳底盖209、外壳210共同组成了被动对接机构的保护罩，被动对接机构对接环211通过弹簧与弹簧轴208相连。操作手柄206与主轴205相连，方便操作人员进行操作。

对接环如图9、图10所示，其中，主动对接机构对接环导向片302固定在主动对接机构对接环结构301上，电磁铁线圈303固定在主动对接机构对接环结构301上；被动对接机构对接环导向片305固定被动对接机构对接环结构304上，吸附铁块306固定在被动对接机构对接环结构304上。对接环采用了“同构异体周边”式布局结构。在对接过程中被动对接机构对接环导向片305和主动对接机构对接环导向片302在对接过程中可以配合弹簧矫正对接机构运动误差，进一步提高对接的精度。对接完成后，电磁铁线圈303通电产生磁场可以吸附铁块306，实现两个对接环的刚性连接。

硬件系统控制回路如图11所示。首先，人为设定被动对接机构的姿态信息，并将被动对接机构姿态信息调节至设定状态；然后将被动对接机构的姿态信息输入至控制计算机，控制计算机将跟据被动对接机构的姿态信息进行轨迹规划并生成控制指令；接下来控制计算机将控制指令下发到下位机，并由下位机实时地将控制指令转化为驱动指令输出至驱动器；最后驱动器将驱动信号经过放大，形成驱动电流，控制主动对接机构产生相应地运动。

本发明的系统进行实验的操作流程如下：

1.找零过程：

(1)操作控制计算机,控制Stewart平台，使其各作动杆都回到零位。

(2)操作控制计算机，控制纵向位移机构，使主动对接机构整体向前平移，直至到达能够与被动对接机构进行对接的位置。

(3)松开被动对接机构的锁紧机构，调整其姿态，使其与主动对接机构良好地对接在一起，锁定被动对接机构锁紧机构。

(4)调节被动对接机构的刻度盘，使得刻度盘读数处于零位，然后锁定刻度盘。完成“找零”过程。

2.对接拉回过程：

(1)操作控制计算机，控制纵向位移机构，将主动对接机构后退一定距离。

(2)选定一组姿态角，调节被动对接机构的姿态到选定的姿态角，并锁定。

(3)将选定的姿态角输入控制计算机，操作控制计算机计算轨迹，并通过计算机控制主动对接机构按照计算得到的轨迹运动到指定位置。

(4)操作控制计算机，控制纵向位移机构，使主动对接机构整体向前平移，直到主动对接机构对接环贴和到被动对接结构对接环上。

(5)操作控制计算机，给磁铁通电，将主动对接机构与被动对接机构吸和在一起。完成“对接过程”。

(6)松开被动对接机构三个锁定旋钮并拔出纵向锁定插销。

(7)操作控制计算机，控制Stewart平台，使各个作动杆都回到零位，同时主动对接机构会将被动对接机构拉回，完成“拉回过程”。

3.还原过程：

(1)手动锁定被动对接机构三轴姿态角。

(2)操作控制计算机，电磁铁断电，磁铁吸附断开。

(3)手动将被动对接机构复原，插回轴向锁定插销。

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 (5)

1.一种航天器空间对接地面操控实验系统，其特征在于，包括：

主动对接机构和被动对接机构，以及纵向位移机构；

主动对接机构连接到纵向位移机构，进行纵向位移，所述主动对接机构还包括有位姿调整机构，用于调整自身位姿；

其中，所述主动对接机构和被动对接机构分别包括有对接环，两者利用对接环进行对接；

所述的主动对接机构包括Stewart平台，所述Stewart平台包括步进电机电推杆、下平台和主动对接机构对接环；主动对接机构保护罩将Stewart平台包裹在内；Stewart平台通过转接支架连接于纵向位移机构上；

所述的被动对接机构包括：被动对接机构支架，连接于基座上，被动对接机构支架为中空结构，法兰轴下部伸在被动对接机构支架内部并通过铜圈配合，形成沿偏航方向的旋转自由度，法兰轴的上部通过法兰与轴承座相连；下刻度盘与被动对接机构支架固连，上刻度盘与法兰轴固连，两个刻度盘上刻有刻度，通过其相对位置读取偏航角度值；偏航锁定旋钮用来锁定偏航角度；轴承座和块轴通过两个轴承连接，形成俯仰方向的自由度，左刻度盘上刻有刻度并与块轴固连，左压盖与轴承座相连且也刻有刻度，通过左压盖和左刻度盘之间的刻度读取俯仰方向的旋转角度值，俯仰方向锁定旋钮将左刻度盘与轴承座的相对位置锁定，进而锁定俯仰方向自由度；主轴与块轴之间通过另一组轴承相连，形成滚转方向的自由度，前刻度盘刻有刻度并与主轴固连，通过与块轴之间的相对转动读取滚转方向的角度值，滚转方向自由度的锁定通过滚转方向锁定旋钮实现；主轴前段为中空结构并与弹簧轴配合，形成一个额外的平动自由度，并可通过锁定插销锁定/解锁；外壳底盖、外壳共同组成了被动对接机构的保护罩，被动对接机构对接环通过弹簧与弹簧轴相连；操作手柄与主轴相连。

2.根据权利要求1所述的一种航天器空间对接地面操控实验系统，其特征在于：

所述纵向位移机构包括步进电机、底座、导轨丝杠。

3.根据权利要求2所述的一种航天器空间对接地面操控实验系统，其特征在于：

所述电推杆包括衬套，衬套与Stewart平台下平台相连，并通过轴承与U形虎克铰相连；U形虎克铰通过销轴与电推杆结构相连；步进电机为电推杆的驱动电机，伸缩杆为电推杆的作动杆；伸缩杆通过球形关节轴承与球铰座相连接；球铰座与主动对接机构对接环相互连接。

4.根据权利要求1所述的一种航天器空间对接地面操控实验系统，其特征在于：

所述的对接环如下：主动对接机构对接环导向片固定在主动对接机构对接环结构上，电磁铁线圈固定在主动对接机构对接环结构上；被动对接机构对接环导向片固定在被动对接机构对接环结构上，吸附铁块固定在被动对接机构对接环结构上；对接环采用了“同构异体周边”式布局结构；在对接过程中被动对接机构对接环导向片和主动对接机构对接环导向片在对接过程中能够配合弹簧矫正对接机构运动误差，提高对接的精度；对接完成后，电磁铁线圈通电产生磁场用以吸附铁块，实现两个对接环的刚性连接。

5.根据权利要求1所述的一种航天器空间对接地面操控实验系统，其特征在于：

还包括硬件系统控制回路：用于设定被动对接机构的姿态信息，并将被动对接机构姿态信息调节至设定状态；

将被动对接机构的姿态信息输入至控制计算机，控制计算机将根 据被动对接机构的姿态信息进行轨迹规划并生成控制指令；

控制计算机将控制指令下发到下位机，并由下位机实时地将控制指令转化为驱动指令输出至驱动器；

驱动器将驱动信号经过放大，形成驱动电流，控制主动对接机构产生相应的运动。

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