CN114460950B - 自重构细胞星装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及细胞机器人制造技术领域，具体的说是一种通过控制组件和视觉捕获机构感知自身姿态，并利用控制计算机进行任务分析从而生成任务所需空间拓扑结构和最优接口拼接决策，依靠六向推力装置进行相互拼接，进而完成任务所需航天器的自重构搭建的自重构细胞星装置，包括：箱体(1)、可调角度侧板(2)、旋转顶板(3)、控制组件、通用对接口(5)、六向推力装置(6)、热传感器(7)、视觉捕获机构(8)、电气接口(9)、驱动组件(10)、蓄电池(11)、推进剂模块(12)、控制计算机(13)；该细胞星具有自适应、高拓展性、去中心化、架构开放及经济性等优点，可充分适应未来空间任务的复杂性，对在轨航天器构型具有借鉴意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种细胞机器人制造技术领域，具体的说是一种通过控制组件和视觉捕获机构感知自身姿态，并利用控制计算机进行任务分析从而生成任务所需空间拓扑结构和最优接口拼接决策，依靠六向推力装置进行相互拼接，进而完成任务所需航天器的自重构搭建，同时依靠内运动可以实现航天器的形态变化的自重构细胞星装置。
背景技术
随着航天科技快速发展，其任务特点逐渐趋于多样性、复杂性及未知性。相比于传统航天器，目前的模块化航天器已经在设计、制造和部署阶段大大缩短了时间周期，但依然存在成本高、功能简单、通用性差、重构和升级能力差等问题。受制于运载火箭整流罩的大小，地面制造的航天器的最大尺寸也有着严格的限制。
发明内容
本发明提出了一种自重构细胞星装置，通过控制组件和视觉捕获机构感知自身姿态，并利用控制计算机进行任务分析从而生成任务所需空间拓扑结构和最优接口拼接决策，依靠六向推力装置进行相互拼接，进而完成任务所需航天器的自重构搭建，同时依靠内运动可以实现航天器的形态变化。
本发明通过以下措施达到：
一种自重构细胞星装置，其特征在于，包括：箱体(1)、可调角度侧板(2)、旋转顶板(3)、控制组件(4)、通用对接口(5)、六向推力装置(6)、热传感器(7)、视觉捕获机构(8)、电气接口(9)、驱动组件(10)、蓄电池(11)、推进剂模块(12)、控制计算机(13)；其中根据对接口安装位置和箱体(1) 表面种类关系可定义安装在可调角度侧板上的对接口为A类对接口(5-4)，安装在箱体其余三个侧面上的对接口为B类对接口(5-1)，安装在旋转顶板上的对接口为C类对接口(5-9)；所述可调角度侧板(2)通过铰链与箱体(1)连接，通过驱动组件(10-2)实现定轴旋转；铰链充当旋转轴，并且铰链的轴线与箱体(1)的一条棱线重合；所述旋转顶板(3)安装在箱体(1)顶部，中心圆形顶板通过驱动组件(10-1)进行360°转动，中心圆形顶板的旋转中心轴称为旋转轴；所述控制组件(4)包含编码器，安装在旋转轴的一侧，分为可调角度侧板控制组件(4-1)和旋转顶版控制组件(4-2)，测量可调角度侧板和旋转顶板的转动角度，并将数据传递给控制计算机(13)以获得细胞姿态；所述通用对接口(5)成对分布在箱体的四个侧面以及顶面，接口呈环状，接口中心可放置其他装置；所述六向推力装置(6)固定于细胞星各表面，共有六个；六向推力装置内置电控阀门，并与推进剂模块连接，多个共同配合，通过喷出高压工质对卫星施加反作用力和力矩；所述热传感器(7)内嵌于箱体的六个表面；所述视觉捕获机构(8)采用摄像头模组实现，固定于未集成电气接口的接口的中心处，内置电池供电，将光学信号转换为电信号，再通过内部的ADC电路转换为数字信号，并将数据传递给控制计算机(13)；所述电气接口(9)固定于未集成视觉捕获机构的接口的中心处；所述驱动组件(10)固定在箱体内部，包含旋转顶板驱动组件(10-1)和可调角度侧板驱动组件(10-2)；所述蓄电池(11) 及推进剂模块(12)固定于箱体内部；所述控制计算机(13)固定于蓄电池一侧。
本发明中的箱体(1)的作用是支撑细胞结构，固定其他设备，并提供负载空间；可调角度侧板(2)的作用是调节细胞星的侧板与箱体(1)的夹角，通过与旋转顶板配合来实现位姿变换；旋转顶板的作用是使与其对接的机构能够相对于箱体转动所需的角度；控制组件的作用是控制直流无刷电机转角，从而感知可调角度侧板和旋转顶版的角度姿态从而达到预定的拓扑结构；通用对接口的作用是支持细胞星与细胞星之间的刚性连接；六向推力装置的作用是控制细胞星的位姿变换和轨道修正；热传感器的作用是提供位姿数据的辅助修正；视觉捕获机构的作用是根据外部参考坐标系来确定细胞星的位姿参数，以及辅助对接；电气接口的主要作用是实现细胞星之间的电力传输；驱动组件的主要作用是驱动可调角度侧板和旋转顶板的运动；蓄电池的作用是为整个细胞星提供动力源；推进剂模块的作用是存储加压推进剂；控制计算机的作用是接收并分析任务要求，控制对接口、推力装置、可调角度侧板以及旋转顶板的运动，从而实现规定的拓扑结构。
本发明的工作过程如下：初始入轨状态下，细胞星装置的可调角度侧板收回，整体姿态呈长方体。该种姿态空间利用率高，在负载体积一定的情况下可以携带数量尽可能多的细胞星；之后计算机对特定任务进行分析，获得该任务所需细胞星数目并对其进行编号。被编号的细胞星进一步接收控制计算机的指令，解锁接口并从细胞星库中分离，依靠六向推力装置移动至任务所需位置。并按照计算机运算结果完成相应对接口的连接。根据编号顺序，不断重复解锁对接过程，可完成空间拓扑结构的搭建。同时依靠细胞星的内运动，可实现空间结构整体的形态变化。每个细胞星的框架结构是相同的，可实现标准化设计且快速地制造。可以将细胞星聚集在一起形成单个地理位置上相同的航天器，该航天器可以通过增加数量来提高性能，以支持诸如通信和遥感之类的有效载荷功能。
附图说明：
附图1是本发明中单细胞星工作框架示意图。
附图2是本发明用于细胞星库的示意图。
附图3是本发明用于角度可调的星载天线示意图。
附图4是本发明用于搭建桁架示意图。
附图5是本发明实物结构概念示意图。
附图6是本发明中接口布局示意图。
附图7是本发明中细胞星坐标系。
附图8是本发明中对接方式示意图。
附图标记：箱体(1)、可调角度侧板(2)、旋转顶板(3)、控制组件(4)、可调角度侧板控制组件(4-1)、旋转顶版控制组件(4-2)、通用对接口(5)、 A类对接口(5-4)、C类对接口(5-9)、六向推力装置(6)、热传感器(7)、视觉捕获机构(8)、电气接口(9)、驱动组件(10)、旋转顶板驱动组件(10-1)、可调角度侧板驱动组件(10-2)、蓄电池(11)、推进剂模块(12)、控制计算机(13)。
具体实施方式：
下面结合附图，对本发明作进一步的说明。
本发明包括：箱体(1)、可调角度侧板(2)、旋转顶板(3)、控制组件 (4)、通用对接口(5)、六向推力装置(6)、热传感器(7)、视觉捕获机构 (8)、电气接口(9)、驱动组件(10)、蓄电池(11)、推进剂模块(12)、控制计算机(13)；其中根据对接口安装位置和箱体(1)表面种类关系可定义安装在可调角度侧板上的对接口为A类对接口(5-4)，安装在箱体其余三个侧面上的对接口为B类对接口(5-1)，安装在旋转顶板上的对接口为C类对接口 (5-9)；所述可调角度侧板(2)通过铰链与箱体(1)连接，通过驱动组件(10-2) 实现定轴旋转；铰链充当旋转轴，并且铰链的轴线与箱体(1)的一条棱线重合；所述旋转顶板(3)安装在箱体(1)顶部，中心圆形顶板通过驱动组件(10-1) 进行360°转动，中心圆形顶板的旋转中心轴称为旋转轴；所述控制组件(4) 包含编码器，安装在旋转轴的一侧，分为可调角度侧板控制组件(4-1)和旋转顶版控制组件(4-2)，测量可调角度侧板和旋转顶板的转动角度，并将数据传递给控制计算机(13)以获得细胞姿态；所述通用对接口(5)成对分布在箱体的四个侧面以及顶面，接口呈环状，接口中心可放置其他装置；所述六向推力装置(6)固定于细胞星各表面，共有六个；六向推力装置内置电控阀门，并与推进剂模块连接，多个共同配合，通过喷出高压工质对卫星施加反作用力和力矩；所述热传感器(7)内嵌于箱体的六个表面；所述视觉捕获机构(8)采用摄像头模组实现，固定于未集成电气接口的接口的中心处，内置电池供电，将光学信号转换为电信号，再通过内部的ADC电路转换为数字信号，并将数据传递给控制计算机(13)；所述电气接口(9)固定于未集成视觉捕获机构的接口的中心处；所述驱动组件(10)固定在箱体内部，包含旋转顶板驱动组件(10-1) 和可调角度侧板驱动组件(10-2)；所述蓄电池(11)及推进剂模块(12)固定于箱体内部；所述控制计算机(13)固定于蓄电池一侧。
本发明中所示可调角度侧板可以根据工作需求从初始状态进行定轴旋转，与箱体形成所需的角度，进而改变与可调角度侧板相拼接的外部航天器的位姿状态；
本发明中所述旋转顶板可以根据工作需求旋转相应的角度，进而改变拼接在旋转顶板上航天器的位姿状态。举例来说，旋转顶板可以作为卫星天线或者空间机械臂的底座，以应对复杂的空间任务。
本发明中所述控制组件可以实时测量侧板和顶板的旋转角度，辅助控制中心建立细胞星实时动态模型。
本发明中所述对接口具有严格方向性，仅能通过正方向进行对接，且对接方式为可重复性对接，从而使得完成搭建的拓扑结构具有自修复与更新能力；
本发明中所述任意两个细胞星的对接口可实现定向连接，各个对接口具有互换性。其任意两者都可以进行严格轴向方向的连接，但是并不限制轴向转动。当两个细胞星中位于同一侧面的两对接口互相连接后，则两个细胞星进行了严格方向的连接；根据对接口安装位置和箱体表面种类关系可定义，安装在可调角度侧板上的对接口为A类对接口，安装在箱体其余三个侧面上的对接口为B 类对接口，安装在旋转顶板上的对接口为C类对接口；
本发明根据对多种航天任务的分析，总结三类对接口相互连接后形成的运动方式，进而提出细胞星基本拓扑功能结构。通过对不同基本拓扑功能的组合可以极大的简化结构策略运算，从而使得细胞星可以更高效率地根据任务进行自适应空间拓扑策略，为便于表述细胞拓扑关系，在此定义两个细胞星，分别通过D1,D2表示。同时定义细胞星的朝向，以细胞星的几何中心为原点，如图7 建立笛卡尔坐标系。为了精简基本空间拓扑结构的种类，选用D1为基座，充当基座的细胞星的箱体固定。如图8所示，其基本空间拓扑结构可分为：
1)D1的A对接口与D2的A对接口连接，可以翻倍扩大旋转侧板的角度调节范围，方便空间桁架、杆架等结构体的搭建；
2)D1的A对接口和D2的B类对接口连接，可实现D2整体的俯仰动作，同时可根据需要调整D2角度可调面板的角度；相似的，D2的其余两对B类对接口和D1的A对接口连接有类似的效果；
3)D1的A对接口和D2的C对接口连接，可实现D2的俯仰动作，同时D2 能够实现任意角度的绕Z轴旋转；
4)D1的B类对接口与D2的A对接口连接，可实现D2的俯仰动作；相似的，D1的其余两对B类对接口和D2的A对接口连接有类似的效果；
5)D1的B类对接口与D2的B类对接口连接，此时D1与D2实现严格连接，连接强度最高；相似的，D1的其余两对B类对接口和D2的其余两对B类对接口连接有类似的效果；
6)D1的B类对接口与D2的C对接口连接，D2能够实现任意角度的绕Z 轴旋转；相似的，D1的其余两对B类对接口和D2的C对接口连接有类似的效果；
7)D1的C对接口与D2的A对接口，可实现D2的俯仰运动和定轴旋转运动，该种连接方式调节角度范围最广，可实现空间中锥形区域内的任意定位；
8)D1的C对接口与D2的B类对接口连接，可实现D2在D1坐标系Z方向上的定轴旋转；
9)D1的C对接口与D2的C对接口连接，可实现D1与D2的同轴相对旋转。
本发明参照生物层面，动植物通过细胞组合构建功能组织，单个细胞的体积很小，在功能组织遭到破坏时可以通过替换相同细胞完成组织修复。受此启发，设计出一种自重构细胞星。细胞星的箱体模块设计完全相同，并且这些模块包含所有必要的航天器功能，例如电源、感知、导航、通信和信息处理等。细胞星可以根据任务需求拼接成为特定的功能组织，当细胞星完成相应工作后可实现自主拆卸，并导航至细胞星库中，以便于之后的拼接任务。
细胞星的突出特点就是去中心化。细胞星之间共享电力、姿态控制和数据处理资源。如果某一个细胞星出现了故障，其他同属一个功能模块的细胞星可以通过软件控制来代替其工作。去中心化，就是弱化了控制中心的重要性，每个细胞星都可以充当控制中心，并且这种应用不是永久的，而是阶段性的。每个细胞星都是具有全部系统平台子功能的聚合体，在遇到大范围故障或者在轨冲击后，可以自行抛弃受损的细胞星，功能完好的细胞星依靠自运动重新拼接成一个整体。
细胞星的另一特点是使用开放式架构。细胞星内部留有负载空间，可以携带诸如通信、气象探测、导航定位等功能模块。按照细胞星携带的有效负载功能的不同，可以把细胞星划分成多个功能模块，每个功能模块都是独立的整体。同时各个模块接口标准统一化，不同功能的模块在机械、电气和数据接口上可以互相匹配，有利于在轨快速构建、航天器在轨维修与功能扩展。得益于细胞星可以大批量模块化生产，这种卫星建造成本很低，更值得关注的是细胞星可以灵活选择地面或在轨组装。
细胞星具有独立运动能力，并且可以感知自身姿态。细胞星可以通过安装不同类型的嵌入式传感器来感知外界信息，并且利用内部处理器来分析传感器信息。细胞星之间、细胞星与终端服务器之前都建立起了通讯通道，终端服务器分析细胞星传来的信息并发出控制命令，细胞星接受指令并实时反馈姿态信息。单细胞星工作框架示意图如图1所示。
细胞星自身具有电气接口和电池，可以实现细胞星之间的电力传输。如图2 所示，细胞星在空间环境中依靠自运动装置组成细胞星库，装有通用对接口的太阳能帆板可以与细胞星的旋转顶板对接。得益于旋转顶板的周转能力，每一块太阳能帆板都能够灵活地调节俯仰角度，以此达到最佳发电效率。依靠电力系统中心控制器，太阳能帆板可以为细胞星库中的每一个细胞星充电，实现细胞星在轨可持续工作。多个细胞星的自运动装置协调工作，可以实现细胞星库的位姿控制和轨迹控制。细胞星库不仅可以作为在轨细胞星的能源补给站和信息基站，还能够为其他非合作目标航天器提供电力支持。
细胞星可拼接组成观测角度可调的星载天线。如图3所示，中心细胞星的旋转顶板朝下，作为基座，并与轨道卫星对接。依靠中心细胞星的旋转顶板，可以实现星载天线整体相对于轨道卫星的旋转运动。其余细胞星的连接方式值得注意，每一个细胞星可调角度面板上的接口A1、A2要与相邻细胞星的B3、B4 接口对接，同时细胞星的旋转面板一致朝上。控制计算机调节每一个细胞星可调角度面板的角度，可以实现星载天线的观测视角的改变。
如图4所示为一个基于桁架支杆、细胞星搭建的一个桁架示意图。细胞星既可以充当直角接头，也可以通过两个细胞星拼接组合成万向接头。细胞星拥有全部航天器的基本功能，携带多种传感器，并且通过拼接可以组成万向接头，适合作为空间桁架的接头。由细胞星参与搭建的空间桁架相比于传统桁架，在自运动能力、状态监测、信息交流等方面具有很大的优势。
综上所述，该细胞星具有自适应、高拓展性、去中心化、架构开放及经济性等优点，可充分适应未来空间任务的复杂性，对在轨航天器构型具有借鉴意义。
Claims (5)
1.一种自重构细胞星装置，其特征在于，包括：箱体(1)、可调角度侧板(2)、旋转顶板(3)、控制组件(4)、通用对接口(5)、六向推力装置(6)、热传感器(7)、视觉捕获机构(8)、电气接口(9)、驱动组件(10)、蓄电池(11)、推进剂模块(12)、控制计算机(13)；其中根据对接口安装位置和箱体(1)表面种类关系可定义安装在可调角度侧板上的对接口为A类对接口(5-4)，安装在箱体其余三个侧面上的对接口为B类对接口(5-1)，安装在旋转顶板上的对接口为C类对接口(5-9)；所述可调角度侧板(2)通过铰链与箱体(1)连接，通过驱动组件(10-2)实现定轴旋转；铰链充当旋转轴，并且铰链的轴线与箱体(1)的一条棱线重合；所述旋转顶板(3)安装在箱体(1)顶部，中心圆形顶板通过驱动组件(10-1)进行360°转动，中心圆形顶板的旋转中心轴称为旋转轴；所述控制组件(4)包含编码器，安装在旋转轴的一侧，分为可调角度侧板控制组件(4-1)和旋转顶版控制组件(4-2)，测量可调角度侧板和旋转顶板的转动角度，并将数据传递给控制计算机(13)以获得细胞姿态；所述通用对接口(5)成对分布在箱体的四个侧面以及顶面，接口呈环状，接口中心可放置其他装置；所述六向推力装置(6)固定于细胞星各表面，共有六个；六向推力装置内置电控阀门，并与推进剂模块连接，多个共同配合，通过喷出高压工质对卫星施加反作用力和力矩；所述热传感器(7)内嵌于箱体的六个表面；所述视觉捕获机构(8)采用摄像头模组实现，固定于未集成电气接口的接口的中心处，内置电池供电，将光学信号转换为电信号，再通过内部的ADC电路转换为数字信号，并将数据传递给控制计算机(13)；所述电气接口(9)固定于未集成视觉捕获机构的接口的中心处；所述驱动组件(10)固定在箱体内部，包含旋转顶板驱动组件(10-1)和可调角度侧板驱动组件(10-2)；所述蓄电池(11)及推进剂模块(12)固定于箱体内部；所述控制计算机(13)固定于蓄电池一侧。
2.根据权利要求1所述的一种自重构细胞星装置，其特征在于，所示可调角度侧板根据工作需求从初始状态进行定轴旋转，与箱体形成所需的角度，进而改变与可调角度侧板相拼接的外部航天器的位姿状态。
3.根据权利要求1所述的一种自重构细胞星装置，其特征在于，所述旋转顶板根据工作需求旋转相应的角度，进而改变拼接在旋转顶板上航天器的位姿状态，其中旋转顶板可作为卫星天线或者空间机械臂的底座。
4.根据权利要求1所述的一种自重构细胞星装置，其特征在于，所述控制组件实时测量侧板和顶板的旋转角度，辅助控制中心建立细胞星实时动态模型。
5.根据权利要求1所述的一种自重构细胞星装置，其特征在于，箱体(1)的作用是支撑细胞结构，固定其他设备，并提供负载空间；可调角度侧板(2)的作用是调节细胞星的侧板与箱体(1)的夹角，通过与旋转顶板配合来实现位姿变换；旋转顶板的作用是使与其对接的机构能够相对于箱体转动所需的角度；控制组件的作用是控制直流无刷电机转角，从而感知可调角度侧板和旋转顶版的角度姿态从而达到预定的拓扑结构；通用对接口的作用是支持细胞星与细胞星之间的刚性连接；六向推力装置的作用是控制细胞星的位姿变换和轨道修正；热传感器的作用是提供位姿数据的辅助修正；视觉捕获机构的作用是根据外部参考坐标系来确定细胞星的位姿参数，以及辅助对接；电气接口的主要作用是实现细胞星之间的电力传输；驱动组件的主要作用是驱动可调角度侧板和旋转顶板的运动；蓄电池的作用是为整个细胞星提供动力源；推进剂模块的作用是存储加压推进剂；控制计算机的作用是接收并分析任务要求，控制对接口、推力装置、可调角度侧板以及旋转顶板的运动，从而实现规定的拓扑结构。
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2021
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114460950A (zh) | 2022-05-10 |
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