CN114237273A - 一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统及方法 - Google Patents
一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114237273A CN114237273A CN202111541372.1A CN202111541372A CN114237273A CN 114237273 A CN114237273 A CN 114237273A CN 202111541372 A CN202111541372 A CN 202111541372A CN 114237273 A CN114237273 A CN 114237273A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- satellite
- simulation
- star
- simulated
- pose
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 230000005486 microgravity Effects 0.000 title claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 13
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 106
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 27
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 6
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 4
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000010606 normalization Methods 0.000 claims description 3
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 3
- 238000007667 floating Methods 0.000 abstract description 5
- 101100110009 Caenorhabditis elegans asd-2 gene Proteins 0.000 description 13
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 239000004579 marble Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000006837 decompression Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000005188 flotation Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
- G05D1/08—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
- G05D1/0808—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft
- G05D1/0816—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft to ensure stability
- G05D1/0833—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft to ensure stability using limited authority control
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Security & Cryptography (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Abstract
本发明公开了一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统，包括模拟星、定位系统和上位机；所述定位系统通过安装在模拟星上方的摄像头对模拟星进行拍摄，相机利用图像识别估计模拟星的绝对位姿；上位机用于处理定位系统数据，与模拟星进行数据交互，实现控制数据下行与模拟星上行状态数据的接收；完成用户与模拟星的数据交互与控制，记录试验数据；气足与平台生成的气膜将模拟星浮起，在多个推进器的推力作用下能够在水平面平移和旋转，还能通过系绳控制装置进行侧移，模型卫星的运行状态。本发明能够确保模拟星能较好的模拟实际卫星在轨道平面内的运动状态，为绳系卫星的系绳收放算法提供良好的仿真条件。
Description
技术领域
本发明属于卫星技术领域，具体涉及一种绳系卫星位置姿态试验系统及方法。
背景技术
绳系卫星作为一种新型的航天器，在对地观测、空间碎片清除、空间载荷传输、卫星轨道转移等方面有巨大的应用潜力。绳系卫星具有强非线性、欠驱动、负阻尼振动等特点，研究其动力学特性与张力控制算法具有重要的理论意义和工程应用前景。虽然在轨实验是验证控制理论与方案可行性最可靠的方法，但是工程实践过于复杂且耗资巨大。因此人们将目光转向了地面等效实验，利用气浮台模拟卫星的在轨运行条件，通过地面模拟实验对绳系卫星进行研究。例如文浩等开发了一套气浮实验系统，可以模拟轨道平面内绳系编队系统的位置及姿态控制。Chung等为了论证“亚毫米级”空间结构探测计划的可行性，搭建了一个绳系卫星实验平台，用以实现绳系卫星编队的位置同步保持、接触及其重新定位实验。目前绳系卫星地面系统主要用于验证多绳系编队卫星的编队维持与位姿控制。但是对于单星的系绳张力控制算法与位姿控制算法还没有合适的验证平台。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统，包括模拟星、定位系统和上位机；所述定位系统通过安装在模拟星上方的摄像头对模拟星进行拍摄，相机利用图像识别估计模拟星的绝对位姿；上位机用于处理定位系统数据，与模拟星进行数据交互，实现控制数据下行与模拟星上行状态数据的接收；完成用户与模拟星的数据交互与控制，记录试验数据；气足与平台生成的气膜将模拟星浮起，在多个推进器的推力作用下能够在水平面平移和旋转，还能通过系绳控制装置进行侧移，模型卫星的运行状态。本发明能够确保模拟星能较好的模拟实际卫星在轨道平面内的运动状态，为绳系卫星的系绳收放算法提供良好的仿真条件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统，包括模拟星、定位系统和上位机；
所述定位系统采用视觉定位，通过安装在模拟星上方的摄像头对模拟星进行拍摄，将图像通过有线方式传送给上位机，上位机利用图像识别估计模拟星的绝对位姿；
所述上位机用于处理定位系统数据，并通过无线方式与模拟星进行数据交互，实现控制数据下行与接收模拟星状态数据上传；上位机完成用户与模拟星的数据交互与控制，记录试验数据；
所述模拟星包括推进装置、气浮装置、主控系统、电源系统、姿态控制系统、IMU、系绳收放装置和储气装置；
所述储气装置中存储高压气体；
所述气浮装置包括多个气足，所述气足安装在模拟星底部；所述储气装置的高压气体通过减压阀后从气足释放，每个气足释放气体的压力相同，使模拟星水平悬浮；
所述推进装置包括N个高压冷气推进器，N≥6；所述N个高压冷气推进器均匀分布安装在模拟星中部同一水平面上，高压冷气推进器的喷气口均向外；所述储气装置的高压气体通过减压阀后从高压冷气推进器的喷气口释放产生推力，每个高压冷气推进器产生的推力大小相同，通过开关控制不同位置的高压冷气推进器，使模拟星能够在水平方向平移和旋转；
所述姿态控制系统包括一个单轴动量轮，所述单轴动量轮与模拟星进行角动量交换，与高压冷气推进器协同控制模拟星的旋转运动；
所述主控系统包括星载计算机和底层控制器；
所述星载计算机搭载ROS系统，运行卫星控制算法，并将控制指令下传给底层控制器；所述星载计算机与上位机进行无线通信，实现模拟星状态量上传与模拟星绝对位姿数据的接收；
所述底层控制器通过控制电磁阀的通断，实现对高压冷气推进器的开关控制；所述底层控制器通过串口CAN总线对单轴动量轮进行控制；所述底层控制器与IMU相连，IMU测量模拟星的相对位姿，将模拟星的相对位姿传送给底层控制器；
所述系绳收放装置包括电机和张力测量装置；所述系绳一端与电机连接，另一端与模拟星外部的装置连接，电机工作时，系绳收紧，模拟星在系绳的拉力下移动；所述张力测量装置测量系绳的张力，将张力传送给星载计算机，星载计算机通过闭环控制方式控制系绳的收放长度、收放速度和张力；
所述电源系统为模拟星供电；
用户在上位机输入模拟星的期望位姿，所述上位机将期望位姿下发给星载计算机，星载计算机运行控制算法，生成控制指令到底层控制器，底层控制器控制高压冷气推进器和单轴动量轮实现模拟星的平移和旋转；IMU测量模拟星的相对位姿，传送到底层控制器，底层控制器再传送回星载计算机；定位系统将拍摄的模拟星传送给上位机，上位机利用图像识别估计模拟星的绝对位姿并下发到星载计算机；星载计算机对模拟星的相对位姿和绝对位姿进行融合，作为反馈量与期望位姿进行比较，形成模拟器位姿的闭环控制。
优选地，所述定位系统的摄像头为CMOS摄像头。
优选地，所述高压气体为CO2。
优选地，所述星载计算机为Intel的NUC11PAH。
优选地，所述底层控制器采用STM32F407作为主控芯片。
优选地，所述电源系统采用6S锂电池为模拟星供电。
优选地，所述N＝8。
一种微重力环境下绳系卫星位置姿态控制方法，包括如下步骤：
步骤1：设计目标函数如下：
其中T为控制周期；Fxerr(.)，Fyerr(.)分别表示高压冷气推进器在x轴方向和y轴方向实际推力与期望推力的差值，
表示高压冷气推进器实际转矩与期望转矩的差值；Fxnorm，Fynorm，
为归一化因子；
步骤2：将模拟星向x轴的正向和负向运动或向y轴的正向和负向运动，以及模拟星顺时针旋转和逆时针旋转进行组合，从而把模拟星的运动分为8种类型；
通过开关各个高压冷气推进器，能够得到Mi种高压冷气推进器的开关组合，实现模拟星的第i种类型运动；i＝1,2,…,8；
将模拟星的第i种类型运动的Mi种高压冷气推进器的开关组合分别计算目标函数值，选择目标函数最小的作为模拟星的第i种类型运动的最优高压冷气推进器开关组合。
本发明的有益效果如下：
1、本发明参考实际卫星的动力系统进行推进装置与姿态控制系统设计，确保模拟星能较好的模拟实际卫星在轨道平面内的运动状态，为绳系卫星的系绳收放算法提供良好的仿真条件。
2、本发明提出了一种推进器推力分配算法。通过建立目标函数，利用推进器分组和对称性原则，建立切实可行的推力分配算法。通过采用推进器分组方法，减少了每个控制周期的计算量，使其可以工作于单片机等嵌入式设备，同时可以减小控制周期，提高控制精度。
附图说明
图1是本发明试验系统示意图。
图2是本发明试验系统框架图。
图3是本发明实施例试验系统的气路图。
图4是本发明实施例试验系统的推进器布局方式。
图中：1-摄像头，2-模拟星，3-星载计算机，4-高压冷气推进器，5-储气装置，6-气足，7-大理石平台，8-单轴动量轮，9-锂电池，10-系绳收放装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统，包括模拟星2、定位系统和上位机；
所述定位系统采用视觉定位，通过安装在模拟星2上方的CMOS摄像头1对模拟星2进行拍摄，将图像通过有线方式传送给上位机，上位机利用图像识别估计模拟星2的绝对位姿；
所述上位机用于处理定位系统数据，并通过无线方式与模拟星2进行数据交互，实现控制数据下行与模拟星2上行状态数据的接收；上位机完成用户与模拟星2的数据交互与控制，记录试验数据；
所述模拟星2包括推进装置、气浮装置、主控系统、电源系统、姿态控制系统、IMU、系绳收放装置10和储气装置5；
所述储气装置5安装在模拟星2内部，用于存储高压CO2气体；
所述气浮装置包括4个气足6，所述气足6安装在模拟星2底部；所述储气装置5的高压气体通过减压阀后从气足6释放，每个气足释放气体的压力相同，使模拟星2水平悬浮；
所述推进装置包括8个高压冷气推进器4；所述8个高压冷气推进器4均匀分布安装在模拟星2中部同一水平面上，高压冷气推进器4的喷气口均向外；所述储气装置5的高压气体通过减压阀后从高压冷气推进器4的喷气口释放产生推力，每个高压冷气推进器4产生的推力大小相同，通过开关控制不同位置的高压冷气推进器4，使模拟星2能够在水平方向平移和旋转；
所述姿态控制系统包括一个单轴动量轮8，所述单轴动量轮8与模拟星2进行角动量交换，与高压冷气推进器4协同控制模拟星2的旋转运动；
所述主控系统包括星载计算机3和底层控制器；
所述星载计算机3为Intel的NUC11PAH，搭载ROS系统，运行卫星控制算法，并将控制指令下传给底层控制器；所述星载计算机3与上位机进行无线通信，实现模拟星2状态量上传与模拟星2绝对位姿数据的接收；
所述底层控制器采用STM32F407作为主控芯片，通过RS485控制电磁阀的通断，实现对高压冷气推进器4的开关控制；所述底层控制器通过串口CAN总线对单轴动量轮8进行控制；所述底层控制器与IMU相连，IMU测量模拟星2的相对位姿，将模拟星2的相对位姿传送给底层控制器；
所述系绳收放装置10包括电机和张力测量装置；所述系绳一端与电机连接，另一端与模拟星2外部的装置连接，电机工作时，系绳收紧，模拟星2在系绳的拉力下移动；所述张力测量装置测量系绳的张力，将张力传送给星载计算机3，星载计算机3通过闭环控制方式控制系绳的收放长度、收放速度和张力；
所述电源系统为模拟星2供电，使用6S锂电池；
所述姿态控制系统、主控系统、系绳收放装置10、电源系统和IMU均安装在模拟星2内部；
用户在上位机输入模拟星2的期望位姿，所述上位机将期望位姿下发给星载计算机3，星载计算机3运行控制算法，生成控制指令到底层控制器，底层控制器控制高压冷气推进器4和单轴动量轮8实现模拟星2的平移和旋转；IMU测量模拟星2的相对位姿，传送到底层控制器，底层控制器再传送回星载计算机3；定位系统将拍摄的模拟星2传送给上位机，上位机利用图像识别估计模拟星2的绝对位姿并下发到星载计算机3；星载计算机3对模拟星2的相对位姿和绝对位姿进行融合，作为反馈量与期望位姿进行比较，形成模拟器位姿的闭环控制。
一种微重力环境下绳系卫星位置姿态控制方法，包括如下步骤：
步骤1：设计目标函数如下：
其中T为控制周期；Fxerr(.)，Fyerr(.)分别表示高压冷气推进器4在x轴方向和y轴方向实际推力与期望推力的差值，
表示高压冷气推进器4实际转矩与期望转矩的差值；Fxnorm，Fynorm，
为归一化因子；
步骤2：将模拟星2向x轴的正向和负向运动或向y轴的正向和负向运动，以及模拟星2顺时针旋转和逆时针旋转进行组合，从而把模拟星2的运动分为8种类型；
通过开关各个高压冷气推进器4，能够得到Mi种高压冷气推进器4的开关组合，实现模拟星2的第i种类型运动；i＝1,2,…,8；
将模拟星2的第i种类型运动的Mi种高压冷气推进器4的开关组合分别计算目标函数值，选择目标函数最小的作为模拟星2的第i种类型运动的最优高压冷气推进器4开关组合。
具体实施例：
本实施例提供了一套用于绳系卫星实验的卫星运动模拟系统。该模拟器主要由模拟星、定位系统、上位机三部分组成。
定位系统采用视觉定位，通过模拟星上方的CMOS摄像头对模拟星进行拍摄，利用图像识别估计模拟星的绝对位置与姿态。
上位机主要用于处理定位系统数据，并通过无线串口与模拟星进行数据交互，实现指令下行与模拟星状态数据的上传，完成用户与气浮台上星载计算机的数据交互与控制，记录试验数据。
模拟星由推进装置、气浮装置、主控系统、电源系统、姿态控制系统、系绳收放装置组成。其中气浮装置通过气悬浮原理，可使模拟卫星在气浮平台上以极小的摩擦力进行平动与转动，模拟卫星在轨道平面的运动。推进装置参考实际卫星的推进方式，采用冗余配置的高压冷气推进器，通过喷射高压CO2气体产生推力。考虑到模拟星只能平面运动，姿态控制系统搭载一个单轴动量轮，通过动量轮与模拟星平台进行角动量交换，控制模拟星的自旋运动。主控系统主要由星载计算机和底层控制器两部门组成。星载计算机采用Intel的NUC11PAH，可以与上位机进行无线通信，实现模拟星状态量上传与模拟星绝对位姿数据的接收。同时星载计算机搭载ROS系统，可以运行期望试验的卫星控制算法，并将控制指令下传给底层控制器。底层控制器采用STM32F407作为主控芯片，主要进行推进器、动量轮控制，通过RS485控制电磁阀的通断，实现对推进器的控制；通过串口CAN总线对动量轮电机进行控制，同时底层控制器与IMU相连，可测量模拟星的相对位姿，实现底层控制器控制回路的闭环控制。所述电源系统采用6S锂电池为整星进行供电。系绳收放装置包含电机和张力测量装置，能按照期望控制算法实现系绳的可控收放，并实现收放长度、收放速度、绳上张力的闭环控制，验证系绳收放控制算法。
本实施例针对此模拟器设计了一套姿态控制方法，控制系统可以根据系统实际状态和期望期望状态给出控制系统所需要的力向量，并转化为喷嘴的开关向量。
考虑到推进器为开关控制，本实施例的思路是在每个控制周期，找出与期望力向量最相近的开关组合。设计目标函数如下：
由于推进器的的配置方案存在冗余，因此将推进器进行分组，实现推进器作用效果与推进器配置双射。通过推进器分组与人工筛选，最终筛选出65种开关方案。考虑到推进器力效的对称性，选取x轴、y轴推力为正，转矩方向为逆时针的推进器组合进行筛选，得到最优组合后，通过期望力与实际推力的方向性，确定实际推进器分配方案。图4为8个推进器的位置布局，由图4可知，要使x,y轴推力为正，则参与搜索的推进器为3、4、5、6四个推进器组合。当期望推力与实际推力在x轴方向异号时，将推进器3与推进器7，推进器4与推进器8的状态进行交换。当期望推力与实际推力在y轴方向异号时将推进器5与推进器1，推进器6与推进器2的状态进行交换。当期望推力与实际推力在转矩方向异号，将推进器1与推进器2、推进器3与推进器4、推进器5与推进器6、推进器7与推进器8的状态进行交换。实现输入期望推力，输出最后推进器配置组合。
接下来结合图1到图3，对本实施例一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统的工作流程进行进一步的说明。首先介绍仿真平台的结构组成，接着详细介绍仿真平台的工作流程。
微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统设计主要由地面设备和星载设备组成。地面设备主要包括定位相机、上位机、大理石平台。大理石平台表面经过珩磨，具有较高的表面粗糙度和平面度，可以保证模拟星上的气足生成完整气膜，支撑模拟星在表面以较小摩擦进行运动。为了调高模拟星的可拓展性，本实施例的模拟星采用框架结构，将四周的4根4040铝型材作为主承力结构，采用钢板进行设备的安装。当需要进行设备更换时，只用增加或去除对应功能的安装板即可。如图1所示，整星的气路控制元器件集成到了模拟星的底板上，推进器与姿态控制器集成到了姿态控制板上，在模拟星的最上层搭载了试验载荷的安装板。通过拆卸铝型材与钢板的连接角码可实现模拟星功能的快速切换。考虑到模拟星运动的复杂性，本实施例采用8个推进器作为动力源，配合动力分配算法，进行模拟星的冗余控制。由于气足和推进器对工作介质要求较高，因此本发明采用压缩CO2作为工作气体。模拟星搭载有两个2.2L的碳纤维气瓶作为气源。由于推进器和气足的工作气压不一致，因此本发明采用二级减压。首先气瓶中的高压器通过高压减压阀，将气压降低到0.6Mpa，接着分别通过两个低压减压阀，获得气足所需的0.4Mpa压力和推进器工作所需要的0.5Mpa压力。
悬挂在实验平台上方2m的摄像头可以对模拟星的位姿进行识别，将获得的绝对位姿通过TCP/IP传输给上位机，上位机将数据进行处理，通过无线蓝牙模块将打包后的数据传输给星载计算机。星载计算机采用Intel的NUC11PAH，搭载ROS操作系统，用以运行需要验证的控制算法。绳系卫星主要通过控制卫星的作动器与系绳收放装置，实现整星的控制。系绳收放装置与星载计算机通过串口连接，通过内部搭载的独立控制器，生成系绳收放电机的控制指令。考虑到星载计算机驱动硬件能力较弱，本实施例采用STMF407芯片作为底层控制器的主控芯片，通过串口接收星载计算机的控制指令，直接控制星载设备。上文所提出的推力分配算法也运行在底层控制器中，每个控制周期搜索最优控制器组合，将开关信号通过RS485发送到推进器控制组件，控制推进器通断。由于推进器输出推力的非线性，其控制效果存在死区，因此引入动量轮，通过与模拟器进行动量交换实现模拟星的转动控制。为模拟实际卫星的传感器配置，在模拟星上搭载有6轴IMU，可以测量模拟星的相对位姿，实现星上控制器的闭环控制，更好的验证算法的可行性。
Claims (8)
1.一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统，其特征在于，包括模拟星、定位系统和上位机；
所述定位系统采用视觉定位，通过安装在模拟星上方的摄像头对模拟星进行拍摄，将图像通过有线方式传送给上位机，上位机利用图像识别估计模拟星的绝对位姿；
所述上位机用于处理定位系统数据，并通过无线方式与模拟星进行数据交互，实现控制数据下行与接收模拟星状态数据上传；上位机完成用户与模拟星的数据交互与控制，记录试验数据；
所述模拟星包括推进装置、气浮装置、主控系统、电源系统、姿态控制系统、IMU、系绳收放装置和储气装置；
所述储气装置中存储高压气体；
所述气浮装置包括多个气足，所述气足安装在模拟星底部；所述储气装置的高压气体通过减压阀后从气足释放，每个气足释放气体的压力相同，使模拟星水平悬浮；
所述推进装置包括N个高压冷气推进器，N≥6；所述N个高压冷气推进器均匀分布安装在模拟星中部同一水平面上，高压冷气推进器的喷气口均向外；所述储气装置的高压气体通过减压阀后从高压冷气推进器的喷气口释放产生推力，每个高压冷气推进器产生的推力大小相同，通过开关控制不同位置的高压冷气推进器，使模拟星能够在水平方向平移和旋转；
所述姿态控制系统包括一个单轴动量轮，所述单轴动量轮与模拟星进行角动量交换，与高压冷气推进器协同控制模拟星的旋转运动；
所述主控系统包括星载计算机和底层控制器；
所述星载计算机搭载ROS系统，运行卫星控制算法，并将控制指令下传给底层控制器；所述星载计算机与上位机进行无线通信，实现模拟星状态量上传与模拟星绝对位姿数据的接收；
所述底层控制器通过控制电磁阀的通断，实现对高压冷气推进器的开关控制；所述底层控制器通过串口CAN总线对单轴动量轮进行控制；所述底层控制器与IMU相连，IMU测量模拟星的相对位姿，将模拟星的相对位姿传送给底层控制器；
所述系绳收放装置包括电机和张力测量装置；所述系绳一端与电机连接，另一端与模拟星外部的装置连接，电机工作时，系绳收紧，模拟星在系绳的拉力下移动；所述张力测量装置测量系绳的张力，将张力传送给星载计算机，星载计算机通过闭环控制方式控制系绳的收放长度、收放速度和张力；
所述电源系统为模拟星供电；
用户在上位机输入模拟星的期望位姿，所述上位机将期望位姿下发给星载计算机，星载计算机运行控制算法，生成控制指令到底层控制器，底层控制器控制高压冷气推进器和单轴动量轮实现模拟星的平移和旋转；IMU测量模拟星的相对位姿，传送到底层控制器，底层控制器再传送回星载计算机；定位系统将拍摄的模拟星传送给上位机，上位机利用图像识别估计模拟星的绝对位姿并下发到星载计算机；星载计算机对模拟星的相对位姿和绝对位姿进行融合，作为反馈量与期望位姿进行比较，形成模拟器位姿的闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统，其特征在于，所述定位系统的摄像头为CMOS摄像头。
3.根据权利要求1所述的一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统，其特征在于，所述高压气体为CO2。
4.根据权利要求1所述的一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统，其特征在于，所述星载计算机为Intel的NUC11PAH。
5.根据权利要求1所述的一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统，其特征在于，所述底层控制器采用STM32F407作为主控芯片。
6.根据权利要求1所述的一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统，其特征在于，所述电源系统采用6S锂电池为模拟星供电。
7.根据权利要求1所述的一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统，所述N＝8。
8.一种微重力环境下绳系卫星位置姿态控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：设计目标函数如下：
其中T为控制周期；Fxerr(.)，Fyerr(.)分别表示高压冷气推进器在x轴方向和y轴方向实际推力与期望推力的差值，
表示高压冷气推进器实际转矩与期望转矩的差值；Fxnorm，Fynorm，
为归一化因子；
步骤2：将模拟星向x轴的正向和负向运动或向y轴的正向和负向运动，以及模拟星顺时针旋转和逆时针旋转进行组合，从而把模拟星的运动分为8种类型；
通过开关各个高压冷气推进器，能够得到Mi种高压冷气推进器的开关组合，实现模拟星的第i种类型运动；i＝1,2,…,8；
将模拟星的第i种类型运动的Mi种高压冷气推进器的开关组合分别计算目标函数值，选择目标函数最小的作为模拟星的第i种类型运动的最优高压冷气推进器开关组合。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111541372.1A CN114237273A (zh) | 2021-12-16 | 2021-12-16 | 一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111541372.1A CN114237273A (zh) | 2021-12-16 | 2021-12-16 | 一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114237273A true CN114237273A (zh) | 2022-03-25 |
Family
ID=80756897
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111541372.1A Pending CN114237273A (zh) | 2021-12-16 | 2021-12-16 | 一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114237273A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114777728A (zh) * | 2022-04-06 | 2022-07-22 | 南京理工大学 | 三自由度气浮台获取自身姿态与定位的测量方法 |
| CN114800614A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-07-29 | 西北工业大学 | 一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制系统、装置和方法 |
| CN115783321A (zh) * | 2023-02-06 | 2023-03-14 | 湖南揽月机电科技有限公司 | 大型单轴气浮台半物理仿真系统及其工作方法 |
-
2021
- 2021-12-16 CN CN202111541372.1A patent/CN114237273A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114777728A (zh) * | 2022-04-06 | 2022-07-22 | 南京理工大学 | 三自由度气浮台获取自身姿态与定位的测量方法 |
| CN114800614A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-07-29 | 西北工业大学 | 一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制系统、装置和方法 |
| CN114800614B (zh) * | 2022-04-28 | 2024-01-16 | 西北工业大学 | 一种刚柔耦合机器人状态测量与控制系统和方法 |
| CN115783321A (zh) * | 2023-02-06 | 2023-03-14 | 湖南揽月机电科技有限公司 | 大型单轴气浮台半物理仿真系统及其工作方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114237273A (zh) | 一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统及方法 | |
| CN107792393B (zh) | 主从非接触内含式卫星地面验证系统及其验证方法 | |
| Wilde et al. | Historical survey of kinematic and dynamic spacecraft simulators for laboratory experimentation of on-orbit proximity maneuvers | |
| CN105321398B (zh) | 一种六自由度气浮式运动模拟器 | |
| CN106494653B (zh) | 基于气浮台的行星着陆运动模拟系统及方法 | |
| CN104527994B (zh) | 异面交叉快变轨道固定时间稳定姿态指向跟踪控制方法 | |
| CN109515769B (zh) | 多星悬吊式微重力模拟系统 | |
| CN103991559B (zh) | 一种洛伦兹航天器悬停控制方法 | |
| CN106467175B (zh) | 双五自由度气浮主从式非接触双超卫星地面原理验证系统 | |
| CN112506211B (zh) | 面向未来重力场测量的分离式卫星平台无拖曳控制方法及系统 | |
| CN113406887B (zh) | 自适应六自由度气浮仿真试验台及其计算方法 | |
| CN111252270A (zh) | 气浮机器人位姿控制装置及方法 | |
| CN113928603A (zh) | 一种六自由度空间微重力模拟装置及控制方法 | |
| Jian et al. | Design and development of a 5-DOF air-bearing spacecraft simulator | |
| CN106227066A (zh) | 航天器空间操控可配置视景显示方法 | |
| CN111284733A (zh) | 一种地面模拟航天器的气浮装置 | |
| Schlotterer et al. | Testbed for on-orbit servicing and formation flying dynamics emulation | |
| Talke et al. | Design and parameter optimization of a 3-PSR parallel mechanism for replicating wave and boat motion | |
| Zheng et al. | Modeling and path-following control of a vector-driven stratospheric satellite | |
| Banerjee et al. | Slider: On the design and modeling of a 2D floating satellite platform | |
| CN110851232A (zh) | 一种基于异形屏的航天任务演示装置 | |
| Eun et al. | Design and development of ground-based 5-dof spacecraft formation flying testbed | |
| Wei et al. | Novel ground microgravity experiment system for a spacecraft-manipulator system based on suspension and air-bearing | |
| Cookson | Experimental investigation of spacecraft rendezvous and docking by development of a 3 degree of freedom satellite simulator testbed | |
| CN106564630B (zh) | 一种用于大型抛物柱面天线展开的重力平衡与随动系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |