CN112799326B - 用于舱段自动对接的联动调节控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于舱段自动对接的联动调节控制系统及控制方法，该系统包括固定支撑架车、第一分离式支撑架车、第二分离式支撑架车以及电控系统，电控系统包括上位机、EtherCAT主从站电控系统，EtherCAT主站电控系统用于控制第一分离式支撑架车，EtherCAT从站电控系统用于控制第二分离式支撑架车；该控制方法首先对架车系统进行自检和回零，然后将待对接舱段二放置在滚转托架上，接着通过双目视觉测量系统观察支撑架车的支撑姿态和两舱段对接面状态，并进行控制模式选择，之后反复进行运动参数配置对架车进行运动控制直至完成舱段对接。本发明对接速度快、对接精度高且实用性较强。

Description

用于舱段自动对接的联动调节控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种用于舱段自动对接的联动调节控制系统及控制方法。

背景技术

当前大部分航天器舱段对接通常采用人工操作，不仅工作量大，效率低，精度差，而且对接过程中使用的对接装置对不同产品的支撑跨距要求适配性差。因此需要一种能够实现舱段自动对接，且能够满足不同舱段型号对支撑跨距要求的对接控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于舱段自动对接的联动调节控制系统及控制方法，该方法具有对接速度快、对接精度高、实用性较强、满足不同舱段型号对支撑跨距要求的优点。

实现本发明目的的技术方案是：

一种用于舱段自动对接的联动调节控制系统，包括用于放置舱段一的固定支撑架车、用于放置待对接舱段二的第一分离式支撑架车和第二分离式支撑架车以及电控系统，电控系统包括上位机、EtherCAT主站电控系统和EtherCAT从站电控系统，上位机为用于下发指令的处理器，EtherCAT主站电控系统用于控制第一分离式支撑架车，EtherCAT从站电控系统用于控制第二分离式支撑架车， EtherCAT主站电控系统和EtherCAT从站电控系统包括触控显示屏、嵌入式控制器、AKD伺服驱动器、双目视觉测量系统、磁栅尺、光栅尺、激光位移传感器、轴向力传感器、差分输入的增量编码器模块、SinCos编码器模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和报警指示灯，EtherCAT主站电控系统还包括EtherCAT桥接模块，EtherCAT从站电控系统还包括EtherCAT扩展模块；其中：

所述触控显示屏与嵌入式控制器连接，触控显示屏的控制界面包括下发指令模块、运动参数配置模块、控制模式选择模块和对接画面模块；控制模式选择模块包括单独控制模式和联动控制模式；

所述嵌入式控制器通过ADS通讯与上位机通讯，用于接收上位机的调节指令和传输差分输入的增量编码器模块、SinCos编码器模块、数字量输出模块和模拟量输入模块采集的数据信号；

所述AKD伺服驱动器与第一分离式支撑架车和第二分离式支撑架车上的电机连接，用于驱动电机使第一分离式支撑架车和第二分离式支撑架车行进、平移、升降和滚转；

所述EtherCAT桥接模块用于主从站系统之间的互连，使EtherCAT主站电控系统和EtherCAT从站电控系统时钟同步；

所述EtherCAT扩展模块用于拓展EtherCAT网段，使EtherCAT主站电控系统和EtherCAT从站电控系统之间互连；

所述双目视觉测量系统与上位机连接，用于实时测量两对接舱段的相对位置及姿态偏差，并将测量结果反馈到上位机；

所述磁栅尺通过差分输入的增量编码器模块与嵌入式控制器连接，用于测量滚换角度和推进位移并将测量结果反馈给增量编码器模块；

所述差分输入的增量编码器模块用于采集差分输入的磁栅尺的反馈信号；

所述光栅尺通过SinCos编码器模块与嵌入式控制器连接，用于测量X方向上的位置并将测量结果反馈给SinCos编码器模块；

所述SinCos编码器模块用于处理光栅尺的测量数据；

所述激光位移传感器通过数字量输入模块和模拟量输入模块与嵌入式控制器连接，用于测量Y方向和Z方向上的位置并将测量结果反馈给数字量输入模块和模拟量输入模块；

所述数字量输入模块用于接收激光位移传感器测量的数字量信号输入，通过EtherCAT总线传输给嵌入式控制器中；

所述轴向力传感器通过模拟量输入模块与嵌入式控制器连接，用于监测沿轴线方向的对接力和分解力，并将检测数据反馈给模拟量输入模块；

所述模拟量输入端模块用于采集激光位移传感器的测量信号和轴向力传感器的测量信号；

所述报警指示灯用于系统状态的异常报警，与数字量输出模块连接，数字量输出模块用于输出报警指示灯的状态信息。

进一步的，所述嵌入式控制器为BECKHOFF嵌入式控制器CX5140。

进一步的，所述触控显示屏通过DVI-I接口和USB接口与BECKHOFF嵌入式控制器连接。

进一步的，所述磁栅尺采用KUEBLER磁栅尺，光栅尺采用HEIDENHAIN 光栅尺，激光位移传感器采用KEYENCE激光位移传感器。

进一步的，所述差分输入的增量编码器模块采用RS485芯片。

一种用于舱段自动对接的联动调节控制方法，包括以下步骤：

步骤1：在触控显示屏的控制界面上下发自检和回零指令，以确保电控系统正常且第一分离式支撑架车和第二分离式支撑架车能够处于预设好的固定姿态；

步骤2：将舱段一放置在固定支撑架车上，将待对接舱段二放置于第一分离式支撑架车和第二分离式支撑架车的滚转托架上；

步骤3：通过双目视觉测量系统测量第一分离式支撑架车和第二分离式支撑架车的支撑姿态以及两舱段对接端面的定位孔，在触控显示屏的控制界面上选择单独控制模式；

步骤4：通过运动参数配置模块分别配置第一分离式支撑架车和第二分离式支撑架车在滚转、升降、平移方向上的运动参数，对第一分离式支撑架车和第二分离式支撑架车进行单独PID调节控制；

步骤5：判断舱段一与待对接舱段二对接端面的定位孔的位置是否处于同一水平面，若不是则转到步骤3，若是则转到步骤6；

步骤6：在控制界面上选择联动控制模式，EtherCAT主站电控系统的运动参数配置配置第一分离式支撑架车推进、滚转、升降、平移方向上的运动参数，将配置好的运动参数通过EtherCAT拓展模块传输给EtherCAT桥接模块，进而通过 EtherCAT总线将指令传给EtherCAT从站电控系统的嵌入式控制器，对第二分离式支撑架车进行联动PID调节控制；

步骤7：判断舱段对接是否完成，若舱段对接未完成则转到步骤3，若舱段对接完成则结束本次对接装配。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明通过EtherCAT主站电控系统和EtherCAT从站电控系统，即可实现每台支撑架车单独调节控制，也可实现两台支撑架车联动同步调节控制；本发明在触控显示屏进行运动参数配置，通过形成的闭环控制，具有对接速度快、对接精度高、实用性较强、满足不同舱段型号对支撑跨距要求的优点。

附图说明

图1是本发明实施例的联动调节控制系统的结构示意图。

图2是本发明实施例的用于舱段自动对接的控制方法流程图。

图3是本发明实施例的电动系统硬件组态拓扑图。

图中：1、固定支撑架车；2、舱段一；3、待对接舱段二；4、双目视觉测量系统；5、第一分离式支撑架车；6、第二分离式支撑架车；7、电控系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明具体实施方式作进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的一种用于舱段自动对接的联动调节控制系统主要包括固定支撑架车1、第一分离式支撑架车5、第二分离式支撑架车6和电控系统7。

固定支撑架车1用于放置舱段一2，作为待对接舱段二3的基准。

第一分离式支撑架车5和第二分离式支撑架车6用于放置待对接舱段二3，第一分离式支撑架车5作为主推进架车牵引第二分离式支撑架车6前后运动，第二分离式支撑架车6为满足不同舱段型号对支撑跨距的要求，可以前后移动该架车来缩短第一分离式支撑架车5和第二分离式支撑架车6之间的跨距；第一分离式支撑架车5和第二分离式支撑架车6主要由滚转托架、水平导槽、升降车架组成。滚转托架的主要作用是支撑待对接舱段二3，并通过滚转电机提供待对接舱段二3滚转的要求，水平导槽的主要是通过平移电机提供待对接舱段二3在Y 向平移的动力和导向，升降车架主要通过主推进电机和升降电机实现待对接舱段二3在Z向的平移和牵引推进，作为升降机构和主推进机构的载体。

电控系统7负责控制第一分离式支撑架车5和第二分离式支撑架车6的滚转角度、XYZ轴方向上的位移以及推进方向位移，实现所有现场设备的通信连接与协调控制。

电控系统7其硬件组态拓扑如图3所示，该系统为基于EtherCAT总线连接的伺服控制系统，电控系统7包括上位机(CU2008)、EtherCAT主站电控系统和EtherCAT从站电控系统，上位机为用于下发指令的处理器，EtherCAT主站电控系统用于控制第一分离式支撑架车5，EtherCAT从站电控系统用于控制第二分离式支撑架车6，EtherCAT主站电控系统和EtherCAT从站电控系统包括触控显示屏、BECKHOFF嵌入式控制器、AKD伺服驱动器、双目视觉测量系统4、 KUEBLER磁栅尺、HEIDENHAIN光栅尺、KEYENCE激光位移传感器、轴向力传感器、差分输入的增量编码器模块、SinCos编码器模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和报警指示灯，EtherCAT主站电控系统还包括EtherCAT桥接模块，EtherCAT从站电控系统还包括EtherCAT扩展模块；其中：

所述触控显示屏通过DVI-I接口和USB接口与BECKHOFF嵌入式控制器连接，用于架车机构运动参数输入、对接画面显示、单独控制模式选择、联动控制模式选择及手动调节架车机构姿态；触控显示屏的控制界面包括下发指令模块、运动参数配置模块、控制模式选择模块和对接画面模块；控制模式选择模块包括单独控制模式和联动控制模式；

所述BECKHOFF嵌入式控制器通过ADS通讯与上位机通讯，用于接收上位机调节指令和传输下位机采集的数据信号；下位机包括差分输入的增量编码器模块、SinCos编码器模块、数字量输出模块和模拟量输入模块；

所述AKD伺服驱动器与第一分离式支撑架车5和第二分离式支撑架车6上的电机连接，用于驱动电机使第一分离式支撑架车5和第二分离式支撑架车6 行进、平移、升降和滚转；

所述EtherCAT桥接模块安装在EtherCAT主站侧，用于主从站系统之间的互连，以达到两个EtherCAT系统时钟同步，从而实现两个实时任务可在TwinCAT 中同步工作；

所述EtherCAT扩展模块安装在EtherCAT从站侧，用于拓展EtherCAT网段，以达到两个EtherCAT系统之间的互连；

所述双目视觉测量系统4与上位机连接，用于实时测量舱段一和待对接舱段二的相对位置及姿态偏差，为自动对接装配机构的控制系统提供闭环反馈指导，以提高对正调整的效率及精度；

所述KUEBLER磁栅尺通过增量编码器模块与BECKHOFF嵌入式控制器连接，用于测量滚换角度和推进位移并将测量结果反馈给增量编码器模块；进而在每个滚转方向上实现全闭环控制，提高系统的控制精度；所述差分输入的增量编码器模块采用RS485芯片，用于采集差分输入的磁栅尺的反馈信号；

所述HEIDENHAIN光栅尺通过SinCos编码器模块与BECKHOFF嵌入式控制器连接，用于测量X方向上的位置并将测量结果反馈给SinCos编码器模块，因此在每个平移方向上实现全闭环控制，提高系统的控制精度；所述SinCos编码器接口模块用于处理光栅尺的位置数据；

所述KEYENCE激光位移传感器通过数字量输入模块和模拟量输入模块与BECKHOFF嵌入式控制器连接，用于测量Y方向和Z方向上的位置并将测量结果反馈给数字量输入模块和模拟量输入模块，在每个行进方向和升降上实现全闭环控制，提高系统的控制精度；所述数字量输入模块用于接收KEYENCE激光位移传感器的数字量信号输入，通过EtherCAT总线传输给BECKHOFF嵌入式控制器中，以便在程序中将采集到的21路数字信号转换成模拟量信号；

所述轴向力传感器通过模拟量输入模块与BECKHOFF嵌入式控制器连接，用于监测沿轴线方向的对接力和分解力，并将检测数据反馈给模拟量输入模块，在使用前标校相对值的力，用来保护对接、分解过程中销和销孔免受损伤；

所述模拟量输入端子模块用于采集KEYENCE激光位移传感器信号和轴向力传感器信号；

所述数字量输出模块用于输出报警指示灯的状态信息；

所述报警指示灯用于系统状态的异常报警，与数字量输出模块连接，数字量输出模块用于输出报警指示灯的状态信息。

如图2所示，基于上述联动调节控制系统，本发明实施例的一种用于舱段自动对接的联动调节控制方法主要包括以下步骤：

步骤1：在EtherCAT主站电控系统和EtherCAT从站电控系统的触控显示屏控制界面上下发自检和回零指令，以确保电控系统7正常且第一分离式支撑架车 5和第二分离式支撑架车6能够处于预设好的固定姿态；

步骤2：将舱段一放置在固定支撑架车1上，将待对接舱段二放置于第一分离式支撑架车5和第二分离式支撑架车6的滚转托架上；

步骤3：通过双目视觉测量系统4测量第一分离式支撑架车5和第二分离式支撑架车6的支撑姿态以及两舱段对接端面的定位孔，在触控显示屏的控制界面上选择单独控制模式；

步骤4：通过EtherCAT主站电控系统和EtherCAT从站电控系统的运动参数配置模块分别配置架车滚转、升降、平移方向上的运动参数，对第一分离式支撑架车5联动调节装置和第二分离式支撑架车6进行单独PID调节控制；

步骤5：判断待对接舱段二与舱段一的对接端面的定位孔位置是否处于同一水平面，若不是则转到步骤3，若是则转到步骤6；

步骤6：在EtherCAT主站电控系统和EtherCAT从站电控系统的触控显示屏的控制界面上选择联动控制模式，EtherCAT主站电控系统的运动参数配置配置第一分离式支撑架车5推进、滚转、升降、平移方向上的运动参数，将配置好的运动参数通过EtherCAT拓展模块传输给EtherCAT桥接模块，进而通过EtherCAT 总线将指令传给EtherCAT从站电控系统的嵌入式控制器，对第二分离式支撑架车6进行联动PID调节控制；

步骤7：判断舱段对接是否完成，若未完成则转到步骤3，若完成则结束本次对接装配。

Claims (6)

1.一种用于舱段自动对接的联动调节控制系统，包括用于放置舱段一的固定支撑架车、用于放置待对接舱段二的第一分离式支撑架车和第二分离式支撑架车以及电控系统，其特征在于，电控系统包括上位机、EtherCAT主站电控系统和EtherCAT从站电控系统，上位机为用于下发指令的处理器，EtherCAT主站电控系统用于控制第一分离式支撑架车，EtherCAT从站电控系统用于控制第二分离式支撑架车，EtherCAT主站电控系统和EtherCAT从站电控系统包括触控显示屏、嵌入式控制器、AKD伺服驱动器、双目视觉测量系统、磁栅尺、光栅尺、激光位移传感器、轴向力传感器、差分输入的增量编码器模块、SinCos编码器模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和报警指示灯，EtherCAT主站电控系统还包括EtherCAT桥接模块，EtherCAT从站电控系统还包括EtherCAT扩展模块；其中：

所述触控显示屏与嵌入式控制器连接，触控显示屏的控制界面包括下发指令模块、运动参数配置模块、控制模式选择模块和对接画面模块，控制模式选择模块包括单独控制模式和联动控制模式；

所述嵌入式控制器通过ADS通讯与上位机通讯，用于接收上位机的调节指令和传输差分输入的增量编码器模块、SinCos编码器模块、数字量输出模块和模拟量输入模块采集的数据信号；

所述AKD伺服驱动器与第一分离式支撑架车和第二分离式支撑架车上的电机连接，用于驱动电机使第一分离式支撑架车和第二分离式支撑架车行进、平移、升降和滚转；

所述EtherCAT桥接模块用于主从站系统之间的互连，使EtherCAT主站电控系统和EtherCAT从站电控系统时钟同步；

所述EtherCAT扩展模块用于拓展EtherCAT网段，使EtherCAT主站电控系统和EtherCAT从站电控系统之间互连；

所述双目视觉测量系统与上位机连接，用于实时测量两对接舱段的相对位置及姿态偏差，并将测量结果反馈到上位机；

所述磁栅尺通过差分输入的增量编码器模块与嵌入式控制器连接，用于测量滚换角度和推进位移并将测量结果反馈给增量编码器模块；

所述差分输入的增量编码器模块用于采集差分输入的磁栅尺的反馈信号；

所述光栅尺通过SinCos编码器模块与嵌入式控制器连接，用于测量X方向上的位置并将测量结果反馈给SinCos编码器模块；

所述SinCos编码器模块用于处理光栅尺的测量数据；

所述激光位移传感器通过数字量输入模块和模拟量输入模块与嵌入式控制器连接，用于测量Y方向和Z方向上的位置并将测量结果反馈给数字量输入模块和模拟量输入模块；

所述数字量输入模块用于接收激光位移传感器测量的数字量信号输入，通过EtherCAT总线传输给嵌入式控制器中；

所述轴向力传感器通过模拟量输入模块与嵌入式控制器连接，用于监测沿轴线方向的对接力和分解力，并将检测数据反馈给模拟量输入模块；

所述模拟量输入模块用于采集激光位移传感器的测量信号和轴向力传感器的测量信号；

所述报警指示灯用于电动系统状态的异常报警，与数字量输出模块连接，数字量输出模块用于输出报警指示灯的状态信息。

2.根据权利要求1所述的用于舱段自动对接的联动调节控制系统，其特征在于，所述嵌入式控制器为BECKHOFF嵌入式控制器CX5140。

3.根据权利要求2所述的用于舱段自动对接的联动调节控制系统，其特征在于，所述触控显示屏通过DVI-I接口和USB接口与BECKHOFF嵌入式控制器连接。

4.根据权利要求1所述的用于舱段自动对接的联动调节控制系统，其特征在于，所述磁栅尺采用KUEBLER磁栅尺，光栅尺采用HEIDENHAIN光栅尺，激光位移传感器采用KEYENCE激光位移传感器。

5.根据权利要求1所述的用于舱段自动对接的联动调节控制系统，其特征在于，所述差分输入的增量编码器模块采用RS485芯片。

6.一种应用于权利要求1～5任一所述的用于舱段自动对接的联动调节控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在触控显示屏的控制界面上下发自检和回零指令，以确保电控系统正常且第一分离式支撑架车和第二分离式支撑架车能够处于预设好的固定姿态；

步骤2：将舱段一放置在固定支撑架车上，将待对接舱段二放置于第一分离式支撑架车和第二分离式支撑架车的滚转托架上；

步骤3：通过双目视觉测量系统测量第一分离式支撑架车和第二分离式支撑架车的支撑姿态以及两舱段对接端面的定位孔，在触控显示屏的控制界面上选择单独控制模式；

步骤4：通过运动参数配置模块分别配置第一分离式支撑架车和第二分离式支撑架车在滚转、升降、平移方向上的运动参数，对第一分离式支撑架车和第二分离式支撑架车进行单独PID调节控制；

步骤5：判断舱段一与对接舱段二对接端面的定位孔的位置是否处于同一水平面，若不是则转到步骤3，若是则转到步骤6；

步骤6：在控制界面上选择联动控制模式，EtherCAT主站电控系统的运动参数配置配置第一分离式支撑架车推进、滚转、升降、平移方向上的运动参数，将配置好的运动参数通过EtherCAT拓展模块传输给EtherCAT桥接模块，进而通过EtherCAT总线将指令传给EtherCAT从站电控系统的嵌入式控制器，对第二分离式支撑架车进行联动PID调节控制；

步骤7：判断舱段对接是否完成，若舱段对接未完成则转到步骤3，若舱段对接完成则结束本次对接装配。

Images