CN111891411A - 一种三爪式通用对接机构抓捕控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种三爪式通用对接机构抓捕控制方法，包括：根据目标对接环的对接环参数，配置三爪式手爪的初始状态和控制参数；控制所述三爪式手爪的行程，抓捕所述目标对接环；依据相对测量信息，对所述三爪式手爪和所述目标对接环的位置进行校正；对位置校正后的所述三爪式手爪和所述目标对接环进行姿态校正；将所述姿态校正后的三爪式手爪和所述目标对接环，与手爪机构进行锁定。本发明实施例对对接目标具有很强的适应性，具有良好的应用前景，由于需要在超近距离实现对目标星对接环的捕获、校准和锁紧，因此只在捕获初期引入相对测量敏感器，后期需要联合对接机构行程估计两星相对位置。

Description

一种三爪式通用对接机构抓捕控制方法

技术领域

本发明涉及航天器技术领域，特别是一种三爪式通用对接机构抓捕控制方法。

背景技术

利用通用三爪对接机构与目标航天器在轨进行交会对接，可以无需对接被动端，直接对任意配置星箭对接环的航天器实施抓捕。

手抓模型通常为不规则形状，但与捕获条件相关性最大的就是手爪与对接环的潜在接触点。如图1所示，手爪模型与目标星对接环潜在的接触点有2个：上接触点可接触到对接环的底部和侧沿，下接触点仅能接触到对接环侧沿。为使问题简化，将手爪的模型简化为“L”形，将2个接触点简化为1个，并引入原模型两接触点之间的厚度S作为参数。如图2所示，定义星箭对接环的内径为D，手爪的初始张开圆外接直径为d0，捕获过程结束后的目标半径为df，捕获初始时刻手爪(中点)接触点距离基线(分离环底端)的距离为L0，星体运动最大速度为v_0max，最小速度为v_0max，捕获期间内手爪合拢的时间为t1，位置矫正时间为t2。星体横向位置误差为dx，星体姿态误差为Δθ。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术中的不足，提供了一种三爪式通用对接机构抓捕控制方法，用于充分考虑三爪式通用机构对目标对接环抓捕的可靠性和安全性，步骤简单，计算量较少适于星载计算机自主实现。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种三爪式通用对接机构抓捕控制方法，包括：

根据目标对接环的对接环参数，配置三爪式手爪的初始状态和控制参数；

控制所述三爪式手爪的行程，抓捕所述目标对接环；

依据相对测量信息，对所述三爪式手爪和所述目标对接环的位置进行校正；

对位置校正后的所述三爪式手爪和所述目标对接环进行姿态校正；

将所述姿态校正后的三爪式手爪和所述目标对接环，与手爪机构进行锁定。

优选地，所述配置三爪式手爪的初始状态和控制参数的步骤，包括：

配置所述三爪式手爪的初始外接圆直径和手爪捕获起始时刻相对所述目标对接环的进深。

优选地，通过下述公式(1)、(2)和(3)获取所述初始外接圆直径：

D₂＝D_k-2dx (3)

上述公式(1)、(2)和(3)中，d₀为初始外接圆直径，D₁为目标对接环的外径，D₂为目标对接环的内径，d_f为手爪捕获过程结束后目标外接圆直径，dx为两航天器横向位置相对误差，Δθ为两航天器相对姿态误差，Δd_max为手爪最大行程，D_k为目标对接环内翻边直径。

优选地，通过下述公式(4)、(5)和(6)获取所述进深：

上述公式(4)、(5)和(6)中，L₀为手爪捕获起始时刻相对目标对接环的进深，L为临界接触深度，v_0max为捕获开始时最大纵向速度，v_0min为捕获开始时最小纵向速度，S为所述三爪式手爪的顶端厚度，t₁为抓捕阶段的手抓合拢时长，t₂为位置矫正时长。

优选地，所述控制所述三爪式手爪的行程，抓捕所述目标对接环的步骤，包括：

控制所述三爪式手爪的实际进深；

在所述实际进深大于等于所述手爪捕获起始时刻相对所述目标对接环的进深时，抓捕所述目标对接环。

优选地，所述依据相对测量信息，对所述三爪式手爪和所述目标对接环的位置进行校正的步骤，包括：

获取所述三爪式手爪在抓捕过程中的抓捕量程，将所述抓捕量程作为所述相对测量信息；

在所述抓捕量程大于等于目标抓捕量程时，对所述三爪式手爪和所述目标对接环的位置进行校正；所述目标抓捕量程为所述三爪式手抓从起始抓捕位置到抓捕结束时预定要达到的目标外接圆半径之间的量程。

优选地，所述对位置校正后的所述三爪式手爪和所述目标对接环进行姿态校正的步骤，包括：

在所述三爪式手爪的三个手爪的半径与所述三爪式手爪在抓捕结束时预定要达到的目标外接圆半径相同时，对所述三爪式手爪和所述目标对接环的相对姿态进行校正。

优选地，所述将所述姿态校正后的三爪式手爪和所述目标对接环，与手爪机构进行锁定的步骤，包括：

在沿航天器指向所述目标对接环的推力开机时长超过设定值，停止推力器喷气；

将所述姿态校正后的三爪式手爪和所述目标对接环，与手爪机构进行锁定。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)目前，国内已有的在轨型号的交会对接机构多需要主动端和被动端配合使用，且具有自我校正能力，无需GNC系统对最后的捕获过程进行控制。本发明所涉及到的对接机构不具备被动端，需要GNC系统对捕获对接锁紧的全过程参与控制；

(2)本发明对三爪机构抓捕任意尺寸对接环的控制参数进行通用化设计，并给出了每个抓捕步骤的控制方法。因此对对接目标具有很强的适应性，具有良好的应用前景；

(3)交会对接期间往往采用相对测量敏感器对两星之间的相对位姿进行测量。由于本发明需要在超近距离实现对目标星对接环的捕获、校准和锁紧，因此只在捕获初期引入相对测量敏感器，后期需要联合对接机构行程估计两星相对位置。

附图说明

图1为现有技术中的一种手爪通用机构简化模型的示意图；

图2为现有技术中的一种三爪式通用机构抓捕的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种三爪式通用对接机构抓捕控制方法的步骤流程图；

图4为本发明实施例提供的手爪对接面坐标系YOZ与对接环相对关系模型的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的实施例保护的范围。

实施例一

参照图3，示出了本发明实施例提供的一种三爪式通用对接机构抓捕控制方法的步骤流程图，如图3所示，该三爪式通用对接机构抓捕控制方法具体可以包括如下步骤：

步骤301：根据目标对接环的对接环参数，配置三爪式手爪的初始状态和控制参数。

本发明实施例可以应用于采用三爪式手爪对目标星星箭对接环的抓捕控制场景中。

对接环参数是指目标对接环的参数，如目标对接环的尺寸等参数。

在本发明中，首先可以根据目标对接环的尺寸配置三爪式手爪初始状态和控制参数，具体地，可以配置三爪式手爪的初始外接圆直径和手爪捕获起始时刻相对所述目标对接环的进深。

具体算例为：给出抓捕机构和对接环初始参数：

变量名称	变量释义	变量值
			S	手爪顶端厚度	10mm
w	手爪外翻长度	20mm
			D	对接环内壁直径	1168mm
Dk	对接环内翻边直径	1108mm
			df	手抓(特征点)捕获过程结束后目标外接圆直径	1138mm
L	临界接触深度	49mm
			v0max	捕获开始时最大纵向速度	5mm/s
v0min	捕获开始时最小纵向速度	0mm/s
			Δt1	捕获期间手抓合拢时长	2s
Δt2	位置矫正时长	2s
			Δdmax	手爪最大行程	130mm
vSmax	手抓最大合拢速度	50mm/s
			dx	星体横向位置误差	5mm
dθ	星体姿态误差	1°

由以上初始参数，求得三爪对接机构初始外接圆直径d0，以及手爪捕获起始时刻相对对接环的进深L0如下表所示。

1、初始外接圆直径可以采用下述公式(1)、(2)和(3)获取：

D₂＝D_k-2dx (3)

上述公式(1)、(2)和(3)中，d₀为初始外接圆直径，D₁为目标对接环的外径，D₂为目标对接环的内径，d_f为手爪捕获过程结束后目标外接圆直径，dx为两航天器横向位置相对误差，Δθ为两航天器相对姿态误差，Δd_max为手爪最大行程，D_k为目标对接环内翻边直径。

2、手爪捕获起始时刻相对目标对接环的进深可以采用下述公式(4)、(5)和(6)获取：

上述公式(4)、(5)和(6)中，L₀为手爪捕获起始时刻相对目标对接环的进深，L为临界接触深度，v_0max为捕获开始时最大纵向速度，v_0min为捕获开始时最小纵向速度，S为三爪式手爪的顶端厚度，t₁为抓捕阶段的手抓合拢时长，t₂为位置矫正时长。

在根据目标对接环的对接环参数，配置三爪式手爪的初始状态和控制参数之后，执行步骤302。

步骤302：控制所述三爪式手爪的行程，抓捕所述目标对接环。

在配置三爪式手爪的初始状态和控制参数之后，可以控制三爪式手爪的行程，以抓捕目标对接环，具体地，可以结合下述优选实施例进行详细描述。

在本发明的一种优选实施例中，上述步骤302可以包括：

子步骤A1：控制所述三爪式手爪的实际进深；

子步骤A2：在所述实际进深大于等于所述手爪捕获起始时刻相对所述目标对接环的进深时，抓捕所述目标对接环。

在本发明实施例中，结合图4对捕获过程进行如下详细描述。

参照图4，示出了本发明实施例提供的一种三爪式通用对接机构抓捕控制方法的步骤流程图。

实际进深即为三爪式手爪的行程。

如图4所示，在配置三爪式手爪的初始状态和控制参数之后，可以控制三爪式手爪的实际进深，并在实际进深大于等于手爪捕获起始时刻相对目标对接环的进深时，可以执行抓捕目标对接环，具体地，可以结合下述公式进行描述。

在L_x≥L₀时执行抓捕操作，其中，L_x为实际进深，即当前手爪进深，L₀为手爪捕获起始时刻相对目标对接环的进深。

即在L_x≥L₀时，则进入实施抓捕：

当三爪式手爪的中心点到达L0进深位置时，开始对目标对接环实施抓捕。由下列公式求得三爪机构的目标行程和目标运行速度：

p1_Target＝Z_Ro·sin(θ_paw1)+cos(θ_paw1)·Y_Ro+sqrt(Z_Ro ²·sin(θ_paw1)²+2·Z_Ro·sin(θ_paw1)·cos(θ_paw1)·Y_Ro+cos(θ_paw1)²·Y_Ro ²+R_pawTarget ²-Y_Ro ²-Z_Ro ²) (7)

p2_Target＝Z_Ro·sin(θ_paw2)+cos(θ_paw2)·Y_Ro+sqrt(Z_Ro ²·sin(θ_paw2)²+2·Z_Ro·sin(θ_paw2)·cos(θ_paw2)·Y_Ro+cos(θ_paw2)²·Y_Ro ²+R_pawTarget ²-Y_Ro ²-Z_Ro ²) (8)

p3_Target＝Z_Ro·sin(θ_paw3)+cos(θ_paw3)·Y_Ro+sqrt(Z_Ro ²·sin(θ_paw3)²+2·Z_Ro·sin(θ_paw3)·cos(θ_paw3)·Y_Ro+cos(θ_paw3)²·Y_Ro ²+R_pawTarget ²-Y_Ro ²-Z_Ro ²) (9)

S1_Target＝p1_Target-p0 (10)

S2_Target＝p2_Target-p0 (11)

S3_Target＝p3_Target-p0 (12)

Δt_paw＝t_pawTarget-t (13)

v1_Target＝(p1_Target-p1)/Δt_paw (14)

v2_Target＝(p2_Target-p2)/Δt_paw (15)

v3_Target＝(p3_Target-p3)/Δt_paw (16)

上述公式中，L_x为当前手爪进深，p1_Target、p2_Target、p2_Target为目标手爪距离三爪机构中心半径，p0为初始零位手爪距离三爪机构中心半径，p1、p2、p3为当前手爪距离三爪机构中心半径，S1_Target、S2_Target、S3_Target为目标手爪机构相对于初始零位的行程，v1_Target、v2_Target、v3_Target为手爪目标运动速度，Y_Ro、Z_Ro为由外部测量设备输入的目标对接环圆心在以三爪中心点为中心的三爪对接面坐标系YOZ上投影的坐标，θ_paw1、θ_paw2、θ_paw3为三个手爪安装方向与YOZ坐标Y轴夹角，R_pawTarget为三爪在抓捕结束时预定要达到的目标外接圆半径。

例如，当θ_paw1、θ_paw2、θ_paw3分别等于0°、120°、-120°时，R_pawTarget为569mm，Y_Ro＝2mm、Z_Ro＝0时，可求得p1Target为571mm，p2Target为568mm，p3Target为568mm。若当前p1、p2、p3均为536.5mm，Δt_paw为2s，则可求得三个手爪的目标速度v1_Target、v2_Target、v3_Target为17.25mm/s、15.75mm/s、15.75mm/s。

在控制三爪式手爪的行程抓捕目标对接环之后，执行步骤303。

步骤303：依据相对测量信息，对所述三爪式手爪和所述目标对接环的位置进行校正。

在控制三爪式手爪的行程抓捕目标对接环之后，可以引入手爪量程作为相对测量信息，进行手爪与目标对接环的位置校正。

当三爪式手爪撑开到目标外接圆半径，即R_paw≥R_pawTarget，则进行手爪与目标对接环的位置校正。由下列公式求得三爪机构的目标行程和目标运行速度：

S1_Target＝R_pawTarget-p0 (17)

S2_Target＝R_pawTarget-p0 (18)

S3_Target＝R_pawTarget-p0 (19)

Δt_paw＝t_pawTarget-t (20)

v1_Target＝(R_pawTarget-p1)/Δt_paw (21)

v2_Target＝(R_pawTarget-p2)/Δt_paw (22)

v3_Target＝(R_pawTarget-p3)/Δt_paw (23)

例如，当p1、p2、p3分别为571mm、568mm、568mm，R_pawTarget为569mm时，Δt_paw为1s时，可求得三个手爪的目标速度v1_Target、v2_Target、v3_Target为2mm/s、-1mm/s、-1mm/s。

上述公式中，R_paw为当前三爪的外接圆半径。由以下公式给出：

S＝(1/2)·(y1·(z2-z3)+y2·(z3-z1)+y3·(z1-z2)) (25)

在依据相对测量信息，对三爪式手爪和目标对接环的位置进行校正之后，执行步骤304。

步骤304：对位置校正后的所述三爪式手爪和所述目标对接环进行姿态校正。

在依据相对测量信息，对三爪式手爪和目标对接环的位置进行校正，具体地，可以在三爪式手爪的三个手爪的半径与三爪式手爪在抓捕结束时预定要达到的目标外接圆半径相同时，对三爪式手爪和目标对接环的相对姿态进行校正。

当手爪到达目标位置，即p1＝p2＝p3＝R_pawTarget，则由装载三爪式通用对接机构的航天器上推力器产生沿航天器指向目标星对接环的推力，进行相对姿态校正。

在对位置校正后的三爪式手爪和目标对接环进行姿态校正之后，执行步骤305。

步骤305：将所述姿态校正后的三爪式手爪和所述目标对接环，与手爪机构进行锁定。

在对位置校正后的三爪式手爪和目标对接环进行姿态校正之后，可以将姿态校正后的三爪式手爪和目标对接环，与手爪机构进行锁定，具体地，当沿航天器指向目标星对接环的推力开机时长超过设定值，则停止推力器喷气，三爪对接机构进行锁定。

经验证，本发明方法能够实现三爪式通用对接机构抓捕目标航天器，通过对任意尺寸星箭对接环的抓捕实施交会对接。

利用本发明一种三爪式通用对接机构抓捕控制方法，可用于在卫星轨道上利用三爪式通用对接机构抓捕目标航天器，通过对任意尺寸星箭对接环的抓捕实施交会对接。

以上所述仅为本发明的实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的实施例，凡在本发明的实施例的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的实施例的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三爪式通用对接机构抓捕控制方法，其特征在于，包括：

根据目标对接环的对接环参数，配置三爪式手爪的初始状态和控制参数；

控制所述三爪式手爪的行程，抓捕所述目标对接环；

依据相对测量信息，对所述三爪式手爪和所述目标对接环的位置进行校正；

对位置校正后的所述三爪式手爪和所述目标对接环进行姿态校正；

将所述姿态校正后的三爪式手爪和所述目标对接环，与手爪机构进行锁定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述配置三爪式手爪的初始状态和控制参数的步骤，包括：

配置所述三爪式手爪的初始外接圆直径和手爪捕获起始时刻相对所述目标对接环的进深。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过下述公式(1)、(2)和(3)获取所述初始外接圆直径：

D₂＝D_k-2dx (3)

上述公式(1)、(2)和(3)中，d₀为初始外接圆直径，D₁为目标对接环的外径，D₂为目标对接环的内径，d_f为手爪捕获过程结束后目标外接圆直径，dx为两航天器横向位置相对误差，Δθ为两航天器相对姿态误差，Δd_max为手爪最大行程，D_k为目标对接环内翻边直径。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过下述公式(4)、(5)和(6)获取所述进深：

上述公式(4)、(5)和(6)中，L₀为手爪捕获起始时刻相对目标对接环的进深，L为临界接触深度，v_0max为捕获开始时最大纵向速度，v_0min为捕获开始时最小纵向速度，S为所述三爪式手爪的顶端厚度，t₁为抓捕阶段的手抓合拢时长，t₂为位置矫正时长。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制所述三爪式手爪的行程，抓捕所述目标对接环的步骤，包括：

控制所述三爪式手爪的实际进深；

在所述实际进深大于等于所述手爪捕获起始时刻相对所述目标对接环的进深时，抓捕所述目标对接环。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据相对测量信息，对所述三爪式手爪和所述目标对接环的位置进行校正的步骤，包括：

获取所述三爪式手爪在抓捕过程中的抓捕量程，将所述抓捕量程作为所述相对测量信息；

在所述抓捕量程大于等于目标抓捕量程时，对所述三爪式手爪和所述目标对接环的位置进行校正；所述目标抓捕量程为所述三爪式手抓从起始抓捕位置到抓捕结束时预定要达到的目标外接圆半径之间的量程。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对位置校正后的所述三爪式手爪和所述目标对接环进行姿态校正的步骤，包括：

在所述三爪式手爪的三个手爪的半径与所述三爪式手爪在抓捕结束时预定要达到的目标外接圆半径相同时，对所述三爪式手爪和所述目标对接环的相对姿态进行校正。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述姿态校正后的三爪式手爪和所述目标对接环，与手爪机构进行锁定的步骤，包括：

在沿航天器指向所述目标对接环的推力开机时长超过设定值，停止推力器喷气；

将所述姿态校正后的三爪式手爪和所述目标对接环，与手爪机构进行锁定。

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