CN115157675B - 一种基于在轨增材制造和地基发射融合的空间装配系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于在轨增材制造和地基发射融合的空间装配系统，操作人员通过本系统建立空间制造中心，实现航天器结构件的在轨制造，将在轨制造部件与地面发射的航天器使能模块组装成目标航天器，实现低成本快速部署航天器。本系统包括物理子系统、数字孪生子系统及通讯子系统。其中，物理子系统包括控制单元、通讯单元、传感器单元、成像定位设备、数据存储单元、数据处理单元、增材制造单元、空间机器人单元、原料仓；数字孪生子系统远程监测物理子系统；通讯子系统建立物理子系统与数字孪生系统之间的连接、物理子系统各单元及设备之间的连接。

Description

一种基于在轨增材制造和地基发射融合的空间装配系统

技术领域

本发明涉及空间在轨制造及装配领域，并且更具体地，涉及一种基于在轨增材制造和地基发射融合的空间装配系统。

背景技术

随着人类对太空的认知和相关技术的发展，太空活动不再局限在载人航天、空间站驻留等近地轨道，在美国、欧洲、俄罗斯及中国规划的太空探索任务中，“深空、长时”成为未来太空探索任务的主要特点，而随之而来的问题是航天器/航天基地在轨维修与拓展、低成本快速部署航天器等棘手难题，目前国际空间站通常是在地面制造成品航天器，通过地面发射运载火箭或货运飞船携带成品航天器至太空，以满足航天器部署任务。这种部署方式不仅周期长、成本昂贵，而且存在一定的发射风险，一方面航天器在发射过程需要承受10-20倍的重力加速度冲击，这对其本身的力学结构及材料强度要求较高，导致发射及制造成本的增加，但航天器都是在“真空+微重力”环境中运行，其本身力学结构和材料并不需要很高的强度，另一方面由于运载火箭只能搭载一定尺寸和重量的物品，导致长期以来航天器只能使用地面制造的相对较小的轻型机器。未来人类在进行“深空、长时”的太空探索任务活动时，高频率地从地面发射运载火箭或货运飞船携带成品航天器的部署方式在时效性、成本等方面将难以满足航天器部署要求。根据实际需求制造突破航天器尺寸和重量瓶颈、拥有更复杂空间和几何构型的、更多功能的航天器，将可为开展“深空、长时”太空探索活动提供有效后勤保障能力。

增材制造(3D打印)技术因其能够将数字模型打印为实际结构部件满足“即造即用”的需求，而被认为是目前最有优势的空间制造技术。美国国家航天航空局(NASA)将空间增材制造技术视为支持载人登陆火星等深空探索任务的战略性关键技术。NASA及欧洲太空总署等组织均已制定空间增材制造路线图，明确了空间增材制造技术在太空探索活动中的重要地位。NASA为了初步实现空间塑料和金属零部件成形能力，部署了多项预先研究项目。针对复合材料的空间增材制造技术，NASA与空间制造(Made In Space)公司合作，已经在国际空间站成功完成了熔融层积(FDM)工艺的塑料3D打印机成形试验，并开始了商业化运行。

空间在轨装配技术是部署航天器的重要途径，对于推动大型高性能航天器的发展具有重要意义。20世纪90年代早期，NASA兰利研究中心(Langley Research Center)的科研人员开始着手开发一套遥控机器人空间桁架结构装配系统，来装配一个由12块面板和102根支柱组成的直径8m的桁架结构。随后，很多研究机构和人员致力于全自主空间机器人系统的相关研究。2012年，美国国防部高级研究计划局DARPA(Defense Advanced ResearchProjects Agency)启动了Phoenix计划，该计划设想发射模块化的“细胞星”进入地球静止轨道，利用空间机器人对航天器进行部件修理、置换和升级。此外，DARPA启动了地球同步轨道卫星机器人服务(RSGS)，将建造太空机器人维护同步轨道卫星，用于自主更换与修复受损硬件，并计划拓展其应用于在轨装配。2015年7月，在美国DARPA支持下，劳拉空间系统公司(SSL)启动了装配地球静止轨道通信卫星的“蜻蜓”(Dragonfly)项目，重点在于研究在轨装配与重构卫星的大型射频反射器。2020年2月，NASA将DragonFly项目与在轨加注的Restore-L项目合并，命名为OSAM-1(On-Orbit Servicing,Assembly&Manufacturingmission-1)，计划于2023年发射。

随着代表国家科技实力的空间站、空间望远镜、大型通信天线、空间太阳能电站、在轨燃料补给站、深空探测中转站及地外基地等空间大型平台和基础设施的建设需求日益迫切，发展我国自主的空间增材制造及空间在轨装配技术具有重要的战略先导性。空间增材制造技术作为空间飞行器在轨维护系统的战略性关键技术之一，在未来的空间飞行器基础上，发展空间在轨制造能力、建立空间制造中心，实现具有设备零部件与功能型结构的在轨制造将成为未来空间飞行器在轨维护与功能拓展的不可或缺的手段，结合空间在轨装配技术将成为未来深空探测与空间利用的重要技术保障。

发明内容

为了解决航天器在轨维修与拓展、低成本快速部署航天器的问题，本发明提供一种基于在轨增材制造和地基发射融合的空间装配系统，包括物理子系统、数字孪生子系统及通讯子系统；

所述物理子系统包括增材制造单元、空间机器人单元、原料仓、控制单元、通讯单元、传感器单元、成像定位设备、数据存储单元、数据处理单元；

进一步，所述增材制造单元至少包含一台增材制造设备，用以执行增材制造打印任务；

进一步，所述空间机器人单元包含至少一台多功能机器人，所述多功能机器人内置了末端工具库，可执行多个不同的任务，包括：检测任务、装配任务、运输定位任务；

进一步，所述原料仓用以在太空中存放并管理从地面发射的增材制造耗材、带有通用标准接口的航天器使能模块、带有通用标准接口的线缆、零件包；同时原料仓作为回收系统服务端，收到回收服务请求时提供回收服务；所述航天器使能模块为满足特定航天任务需要而在地面设计制造的专用模块，包括推进模块、能源模块、仓储模块、通讯模块、观测模块和连接模块；所述通用标准接口至少可实现模块间稳固连接、电热传输和数据通讯需求；

进一步，所述控制单元用以控制增材制造单元及空间机器人单元执行任务；

进一步，所述通讯单元为通讯子系统的物理基础，用以帮助物理子系统各单元及设备之间实现实时通讯；

进一步，所述传感器单元包含状态传感器、观测传感器及环境传感器，其中：所述状态传感器，包括即时位置传感器、即时姿态传感器、极限传感器、过载传感器，且为其中一者或其组合，用以提供物理子系统各单元及设备的工作信息和故障诊断依据；所述观测传感器包括近红外相机、近红外光谱仪、近红外成像无缝隙光谱仪、精细制导传感器，且为其中一者或其组合；所述环境传感器，包括温度传感器、力传感器、无源遥感器、磁性传感器，且为其中一者或其组合，用以监测物理子系统各单元及设备内外部的环境；

进一步，所述成像定位设备，包括相机、雷达、多波段成像设备，且为其中一者或其组合，用以识别和获取物理子系统各单元及设备的数字模型及信息，包括几何、结构及位姿信息；

进一步，所述数据存储单元用以存储所述一种基于在轨增材制造和地基发射融合的空间装配系统中的各项数据；

进一步，所述数据处理单元通过计算生成任务序列，所述任务序列包括准备阶段任务序列、装配阶段任务序列、增材制造单元打印序列、机器人单元装配序列；同时数据处理单元还将物理子系统的数字孪生体融入数字孪生子系统；

本发明提供的空间装配系统，其所述数字孪生子系统包含人机交互界面和三维仿真环境，通过成像定位设备检测并感知物理子系统，在物理子系统中提取目标生成虚拟数字模型，所述虚拟数字模型包含几何和结构信息；通过传感器单元获取所述目标的物理参数包括热量分布、电磁场分布、形心质心、转动惯量；通过数据处理单元将所述物理参数添加到虚拟数字模型中，生成所述目标的数字孪生体，并将所述数字孪生体融入三维仿真环境，在三维仿真环境中显示数字孪生体；通过通讯子系统进行数据同步，实现物理子系统与数字孪生子系统一一对应，用以监测物理子系统；

进一步，所述人机交互界面用以显示物理子系统发送的文件，包括日志信息、部件检测报告、成品检测报告；地面或者空间操作人员可以通过人机交互界面发出指令控制物理子系统；

进一步，所述三维仿真环境用以将物理子系统的数字孪生体可视化，地面或者空间操作人员通过三维仿真环境对物理子系统进行远程监测；所述远程监测内容包括：设备监测、运维监测、任务监测、能源监测、生产调度预判；

进一步，所述设备监测为对各单元及设备的运行状况进行监测，实时分析并预判各单元及设备的运行状况；所述运维监测为对各单元及设备的排产情况进行监测，所述排产情况包括：任务序列堆积情况及原因、各单元及设备闲置情况及原因；所述任务监测为对各单元及设备的执行任务序列进度进行监测，实时监测各单元及设备的执行任务序列进度；所述能源监测为对物理子系统的生产消耗进行监测，所述生产消耗包括：增材制造耗材消耗量、航天器使能模块消耗量、线缆消耗量、零件包消耗量、能源消耗量、污染物排放量、不合格件回收量；所述生产调度预判为根据所述任务监测收集的数据预判所述物理子系统下一单位时间段的产能，所述单位时间段时间长度由地面或者空间操作人员定义，并生成下一单位时间段所需要的原料类型和数量；

本发明提供的空间装配系统，所述通讯子系统通过至少一种通讯方式建立所述物理子系统各单元之间的连接、所述物理子系统与所述数字孪生子系统之间的连接；所述通讯方式包括：话题通讯、参数服务器通讯、服务通讯；其中，所述话题通讯由话题、订阅者及发布者组成，发布者发布话题，订阅者订阅该话题，用于不断更新的、少逻辑处理的数据传输场景；所述参数服务器通讯由参数服务器、参数设置者、参数调用者组成，参数服务器是一个公共容器，用以存储并管理数据，参数设置者向参数服务器中设置参数，参数调用者从参数服务器中获取参数，用于存在数据共享的应用场景；所述服务通讯由服务、服务端及客户端组成，客户端向服务端发出服务请求，服务端向客户端提供服务，用于对实时性有要求、具有一定逻辑处理的应用场景；

可选的，所述通讯子系统的架构为：物理子系统与数字孪生子系统之间的通讯方式为服务通讯，数据处理单元为服务端，数字孪生子系统为客户端，服务为数字孪生子系统与物理子系统之间的双向信息传输；数据处理单元与控制单元之间的通讯方式为参数服务器通讯，数据存储单元为参数服务器，数据处理单元为参数设置者，控制单元为参数调用者；数据处理单元与传感器单元之间的通讯方式为参数服务器通讯，数据存储单元为参数服务器，传感器单元为参数设置者，数据处理单元为参数调用者；数据处理单元与成像定位设备之间的通讯方式为参数服务器通讯，数据存储单元为参数服务器，成像定位设备为参数设置者，数据处理单元为参数调用者；控制单元与增材制造单元之间的通讯方式为话题通讯，话题为增材制造单元打印任务序列，控制单元为发布者，增材制造单元为订阅者；控制单元与空间机器人单元之间的通讯方式为话题通讯，话题为装配任务序列、运输定位任务序列、检测任务序列，控制单元为发布者，空间机器人单元为订阅者；原料仓与数据处理单元之间的通讯方式为参数服务器通讯，数据存储单元为参数服务器，原料仓为参数设置者，数据处理单元为参数调用者；空间机器人单元与原料仓之间的通讯方式为服务通讯，原料仓为服务端，空间机器人单元为客户端，服务为提取原料服务及回收服务。

本发明提供的空间装配系统，针对新的航天器生产任务，包括以下几个步骤：

步骤1，所述空间装配系统在接收到地面或者空间操作人员的任务指令前，进行系统自检，确认空间装配系统的运行状况为正常运行状态；空间装配系统在接收到地面或者空间操作人员的任务指令后，进行系统初始化，等待下一步任务指令；

步骤2，数字孪生子系统根据地面或者空间操作人员输入的目标航天器型号生成目标航天器模型，并将所述目标航天器模型输入数据处理单元；数据处理单元对目标航天器模型进行分析并生成任务序列，将其储存在数据存储单元中；其中，所述任务序列包括准备阶段任务序列、装配阶段任务序列，

所述准备阶段任务序列的生成步骤如下：

步骤2a，通过数据处理单元访问数据存储单元，获取原料仓的库存信息，对增材制造耗材、航天器使能模块、线缆、零件包的库存数量进行确认；若所述库存数量不足，则将对应的类型及数量创建为日志信息，将所述日志信息存储在数据存储单元，并发送到数字孪生子系统，等待地面或者空间操作人员给出后续指令；若所述库存数量充足，则执行下一步骤；

步骤2b，生成增材制造单元打印任务序列，其步骤如下：

步骤2b1，若目标打印件仅通过增材制造单元就可以完成打印，则将所述目标打印件定义为简单打印件，并转入步骤2b2；若目标打印件需要在打印过程中嵌入其它零部件，包括航天器使能模块、线缆、简单打印件、零件包中的任意一个或多个，则将所述目标打印件定义为复合打印件，并转入步骤2b3；

步骤2b2，生成简单打印件任务序列；

步骤2b3，生成复合打印件任务序列，其步骤如下：

步骤2b3a，通过数据处理单元对复合打印件的三维模型进行切片，生成复合打印件切片文件；

步骤2b3b，将需要在打印过程中嵌入的其它零部件包括航天器使能模块、线缆、简单打印件、零件包定义为待嵌入物体，通过数据处理单元扫描所述复合打印件切片文件，在所述待嵌入物体的起始层标记动作标签；

步骤2b3c，通过数据处理单元生成多功能机器人及增材制造设备控制指令，用以将待嵌入物体装配或放置到正在打印的工件中；在所标记的动作标签处分别插入增材制造设备暂停指令、增材制造设备暂停时间、多功能机器人运输定位指令、多功能机器人装配指令、增材制造设备继续打印指令；将插入指令完毕的复合打印件切片文件定义为预处理文件；

步骤2b3d，通过数据处理单元将所述预处理文件转换为复合打印件任务序列；

步骤2c，生成空间机器人单元准备阶段任务序列，其步骤如下：

步骤2c1，生成运输定位任务序列，所述运输定位序列用以控制多功能机器人抓取待装配部件，将其运输至指定的空间位置并固定其空间姿态；所述待装配部件为组装目标航天器需要的简单打印件、复合打印件、航天器使能模块、线缆、零件包；

步骤2c2，生成部件检测任务序列，所述部件检测任务序列用以控制多功能机器人在装配前对待装配部件进行检测，若检测结果不合格对不合格件进行回收；若检测结果合格，则执行下一步骤；

所述装配阶段任务序列的生成步骤如下：

步骤2d，生成空间机器人单元装配阶段任务序列，其步骤如下：

步骤2d1，生成装配任务序列，所述装配任务序列用以控制多功能机器人将待装配部件按照所述目标航天器模型装配成目标航天器成品；

步骤2d2，生成功能检测任务序列，所述功能检测任务序列用以控制多功能机器人对所述目标航天器成品进行功能检测；

步骤3，通过控制单元访问数据存储单元，获取准备阶段任务序列；通过控制单元控制增材制造单元和空间机器人单元执行准备阶段任务序列；其中，所述准备阶段任务序列的执行步骤如下：

步骤3a，增材制造设备执行所述简单打印件任务序列，完成简单打印件的制备；增材制造设备和多功能机器人协同执行所述复合打印件任务序列，完成复合打印件的制备；

步骤3b，多功能机器人执行所述运输定位任务序列，抓取待装配部件，将其运输至指定的空间位置并固定其空间姿态；

步骤3c，多功能机器人执行所述部件检测任务序列，对待装配部件进行检测，将检测结果创建为部件检测报告，并将所述部件检测报告存储在数据存储单元；若检测结果为不合格，则多功能机器人将不合格件回收至原料仓，并将所述部件检测报告发送到数字孪生子系统，等待地面或者空间操作人员给出后续指令；若检测结果为合格，则执行下一步骤；

步骤4，通过控制单元访问数据存储单元，获取装配阶段任务序列；通过控制单元控制空间机器人单元执行装配阶段任务序列；其中，装配阶段任务序列的执行步骤如下：

步骤4a，多功能机器人执行所述装配任务序列，将待装配部件按照所述目标航天器模型装配成目标航天器成品；

步骤4b，多功能机器人执行所述功能检测任务序列，对所述目标航天器成品进行功能检测，将检测结果创建为成品检测报告，并将所述成品检测报告存储在数据存储单元；若检测结果为不合格，将所述成品检测报告发送到数字孪生子系统，等待地面或者空间操作人员给出后续指令；若检测结果为合格，将成品检测报告发送到数字孪生子系统；

步骤5，物理子系统完成目标航天器制造任务，各单元及设备回到初始状态，等待下次任务。

具体实施方式

所描述的实施例仅仅是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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面对本发明的优选实施例进行详细的描述：

一种基于在轨增材制造和地基发射融合的空间装配系统，其特征在于，所述空间装配系统包括物理子系统、数字孪生子系统及通讯子系统；

所述物理子系统包括增材制造单元、空间机器人单元、原料仓、控制单元、通讯单元、传感器单元、成像定位设备、数据存储单元、数据处理单元，各单元及设备特点如下：

所述增材制造单元至少包含一台增材制造设备，用以执行增材制造打印任务；

所述空间机器人单元包含至少一台多功能机器人，所述多功能机器人内置了末端工具库，可执行多个不同的任务，包括：检测任务、装配任务、运输定位任务；

所述原料仓用以在太空中存放并管理从地面发射的增材制造耗材、带有通用标准接口的航天器使能模块、带有通用标准接口的线缆、零件包；同时原料仓作为回收系统服务端，收到回收服务请求时提供回收服务；所述航天器使能模块为满足特定航天任务需要而在地面设计制造的专用模块，包括推进模块、能源模块、仓储模块、通讯模块、观测模块和连接模块；所述通用标准接口至少可实现模块间稳固连接、电热传输和数据通讯需求；

所述控制单元用以控制增材制造单元及空间机器人单元执行任务；

所述通讯单元为通讯子系统的物理基础，用以帮助物理子系统各单元及设备之间实现实时通讯；

所述传感器单元包含状态传感器、观测传感器及环境传感器，其中：所述状态传感器，包括即时位置传感器、即时姿态传感器、极限传感器、过载传感器，且为其中一者或其组合，用以提供物理子系统各单元及设备的工作信息和故障诊断依据；所述观测传感器包括近红外相机、近红外光谱仪、近红外成像无缝隙光谱仪、精细制导传感器，且为其中一者或其组合；所述环境传感器，包括温度传感器、力传感器、无源遥感器、磁性传感器，且

为其中一者或其组合，用以监测物理子系统各单元及设备内外部的环境；

所述成像定位设备，包括相机、雷达、多波段成像设备，且为其中一者或其组合，用以识别和获取物理子系统各单元及设备的数字模型及信息，包括几何、结构及位姿信息；

所述数据存储单元用以存储所述一种基于在轨增材制造和地基发射融合的空间装配系统中的各项数据；

所述数据处理单元通过计算生成任务序列，所述任务序列包括准备阶段任务序列、装配阶段任务序列、增材制造单元打印序列、机器人单元装配序列；同时数据处理单元还将物理子系统的数字孪生体融入数字孪生子系统；

所述数字孪生子系统包含人机交互界面和三维仿真环境，通过成像定位设备检测并感知物理子系统，在物理子系统中提取目标生成虚拟数字模型，所述虚拟数字模型包含几何和结构信息；通过传感器单元获取所述目标的物理参数包括热量分布、电磁场分布、形心质心、转动惯量；通过数据处理单元将所述物理参数添加到虚拟数字模型中，生成所述目标的数字孪生体，并将所述数字孪生体融入三维仿真环境，在三维仿真环境中显示数字孪生体；通过通讯子系统进行数据同步，实现物理子系统与数字孪生子系统一一对应，用以监测物理子系统；

所述人机交互界面用以显示物理子系统发送的文件，包括日志信息、部件检测报告、成品检测报告；地面或者空间操作人员可以通过人机交互界面发出指令控制物理子系统；

所述三维仿真环境用以将物理子系统的数字孪生体可视化，地面或者空间操作人员通过三维仿真环境对物理子系统进行远程监测；所述远程监测内容包括：设备监测、运维监测、任务监测、能源监测、生产调度预判；其中，

所述设备监测为对各单元及设备的运行状况进行监测，实时分析并预判各单元及设备的运行状况；

所述运维监测为对各单元及设备的排产情况进行监测，所述排产情况包括：任务序列堆积情况及原因、各单元及设备闲置情况及原因；

所述任务监测为对各单元及设备的执行任务序列进度进行监测，实时监测各单元及设备的执行任务序列进度；

所述能源监测为对物理子系统的生产消耗进行监测，所述生产消耗包括：增材制造耗材消耗量、航天器使能模块消耗量、线缆消耗量、零件包消耗量、能源消耗量、污染物排放量、不合格件回收量；

所述生产调度预判为根据所述任务监测收集的数据预判所述物理子系统下一单位时间段的产能，所述单位时间段时间长度由地面或者空间操作人员定义，并生成下一单位时间段所需要的原料类型和数量；

所述通讯子系统用以建立所述物理子系统与所述数字孪生子系统之间的连接及所述物理子系统各单元及设备之间的连接，作为优选定义三种通讯方式：话题通讯、参数服务器通讯、服务通讯，其中：

所述话题通讯由话题、订阅者及发布者组成，发布者发布话题，订阅者订阅该话题，用于不断更新的、少逻辑处理的数据传输场景；

所述参数服务器通讯由参数服务器、参数设置者、参数调用者组成，参数服务器是一个公共容器，可以将数据存储在该容器中，参数设置者向参数服务器中设置参数，参数调用者从参数服务器中获取参数，用于存在数据共享的应用场景；

所述服务通讯由服务、服务端及客户端组成，客户端向服务端发出服务请求，服务端向客户端提供服务，用于对实时性有要求、具有一定逻辑处理的应用场景；

作为优选，所述物理子系统与所述数字孪生系统之间的通讯方式为服务通讯，所述物理子系统的数据处理单元为服务端，所述数字孪生系统为客户端，服务为数字虚拟世界内的数字模型与所述物理子系统的实时同步；

下面对所述物理子系统各单元之间的连接进行描述：

作为优选，物理子系统与数字孪生子系统之间的通讯方式为服务通讯，数据处理单元为服务端，数字孪生子系统为客户端，服务为数字孪生子系统与物理子系统之间的双向信息传输；

作为优选，数据处理单元与控制单元之间的通讯方式为参数服务器通讯，数据存储单元为参数服务器，数据处理单元为参数设置者，控制单元为参数调用者；

作为优选，数据处理单元与传感器单元之间的通讯方式为参数服务器通讯，数据存储单元为参数服务器，传感器单元为参数设置者，数据处理单元为参数调用者；

作为优选，数据处理单元与成像定位设备之间的通讯方式为参数服务器通讯，数据存储单元为参数服务器，成像定位设备为参数设置者，数据处理单元为参数调用者；

作为优选，控制单元与增材制造单元之间的通讯方式为话题通讯，话题为增材制造单元打印任务序列，控制单元为发布者，增材制造单元为订阅者；

作为优选，控制单元与空间机器人单元之间的通讯方式为话题通讯，话题为装配任务序列、运输定位任务序列、检测任务序列，控制单元为发布者，空间机器人单元为订阅者；

作为优选，原料仓与数据处理单元之间的通讯方式为参数服务器通讯，数据存储单元为参数服务器，原料仓为参数设置者，数据处理单元为参数调用者；

作为优选，空间机器人单元与原料仓之间的通讯方式为服务通讯，原料仓为服务端，空间机器人单元为客户端，服务为提取原料服务及回收服务。

优选实施例任务内容：操作人员通过本发明即一种基于在轨增材制造和地基发射融合的空间装配系统完成目标航天器的结构件打印并组装成目标航天器。

所述优选实施例任务的工作流程包含如下步骤：

步骤1，所述空间装配系统在接收到地面或者空间操作人员的任务指令前，进行系统自检，确认空间装配系统的运行状况为正常运行状态；空间装配系统在接收到地面或者空间操作人员的任务指令后，进行系统初始化，等待下一步任务指令；

步骤2，数字孪生子系统根据地面或者空间操作人员输入的目标航天器型号生成目标航天器模型，并将所述目标航天器模型输入数据处理单元；数据处理单元对目标航天器模型进行分析并生成任务序列，将其储存在数据存储单元中；其中，所述任务序列包括准备阶段任务序列、装配阶段任务序列，

所述准备阶段任务序列的生成步骤如下：

步骤2a，通过数据处理单元访问数据存储单元，获取原料仓的库存信息，对增材制造耗材、航天器使能模块、线缆、零件包的库存数量进行确认；若所述库存数量不足，则将对应的类型及数量创建为日志信息，将所述日志信息存储在数据存储单元，并发送到数字孪生子系统，等待地面或者空间操作人员给出后续指令；若所述库存数量充足，则执行下一步骤；

步骤2b，生成增材制造单元打印任务序列，其步骤如下：

步骤2b1，若目标打印件仅通过增材制造单元就可以完成打印，则将所述目标打印件定义为简单打印件，并转入步骤2b2；若目标打印件需要在打印过程中嵌入其它零部件，包括航天器使能模块、线缆、简单打印件、零件包中的任意一个或多个，则将所述目标打印件定义为复合打印件，并转入步骤2b3；

步骤2b2，生成简单打印件任务序列；

步骤2b3，生成复合打印件任务序列，其步骤如下：

步骤2b3a，通过数据处理单元对复合打印件的三维模型进行切片，生成复合打印件切片文件；

步骤2b3b，将需要在打印过程中嵌入的其它零部件包括航天器使能模块、线缆、简单打印件、零件包定义为待嵌入物体，通过数据处理单元扫描所述复合打印件切片文件，在所述待嵌入物体的起始层标记动作标签；

步骤2b3c，通过数据处理单元生成多功能机器人及增材制造设备控制指令，用以将待嵌入物体装配或放置到正在打印的工件中；在所标记的动作标签处分别插入增材制造设备暂停指令、增材制造设备暂停时间、多功能机器人运输定位指令、多功能机器人装配指令、增材制造设备继续打印指令；将插入指令完毕的复合打印件切片文件定义为预处理文件；

步骤2b3d，通过数据处理单元将所述预处理文件转换为复合打印件任务序列；

步骤2c，生成空间机器人单元准备阶段任务序列，其步骤如下：

步骤2c1，生成运输定位任务序列，所述运输定位序列用以控制多功能机器人抓取待装配部件，将其运输至指定的空间位置并固定其空间姿态；所述待装配部件为组装目标航天器需要的简单打印件、复合打印件、航天器使能模块、线缆、零件包；

步骤2c2，生成部件检测任务序列，所述部件检测任务序列用以控制多功能机器人在装配前对待装配部件进行检测，若检测结果不合格对不合格件进行回收；若检测结果合格，则执行下一步骤；

所述装配阶段任务序列的生成步骤如下：

步骤2d，生成空间机器人单元装配阶段任务序列，其步骤如下：

步骤2d1，生成装配任务序列，所述装配任务序列用以控制多功能机器人将待装配部件按照所述目标航天器模型装配成目标航天器成品；

步骤2d2，生成功能检测任务序列，所述功能检测任务序列用以控制多功能机器人对所述目标航天器成品进行功能检测；

步骤3，通过控制单元访问数据存储单元，获取准备阶段任务序列；通过控制单元控制增材制造单元和空间机器人单元执行准备阶段任务序列；其中，所述准备阶段任务序列的执行步骤如下：

步骤3a，增材制造设备执行所述简单打印件任务序列，完成简单打印件的制备；增材制造设备和多功能机器人协同执行所述复合打印件任务序列，完成复合打印件的制备；

步骤3b，多功能机器人执行所述运输定位任务序列，抓取待装配部件，将其运输至指定的空间位置并固定其空间姿态；

步骤3c，多功能机器人执行所述部件检测任务序列，对待装配部件进行检测，将检测结果创建为部件检测报告，并将所述部件检测报告存储在数据存储单元；若检测结果为不合格，则多功能机器人将不合格件回收至原料仓，并将所述部件检测报告发送到数字孪生子系统，等待地面或者空间操作人员给出后续指令；若检测结果为合格，则执行下一步骤；

步骤4，通过控制单元访问数据存储单元，获取装配阶段任务序列；通过控制单元控制空间机器人单元执行装配阶段任务序列；其中，装配阶段任务序列的执行步骤如下：

步骤4a，多功能机器人执行所述装配任务序列，将待装配部件按照所述目标航天器模型装配成目标航天器成品；

步骤4b，多功能机器人执行所述功能检测任务序列，对所述目标航天器成品进行功能检测，将检测结果创建为成品检测报告，并将所述成品检测报告存储在数据存储单元；若检测结果为不合格，将所述成品检测报告发送到数字孪生子系统，等待地面或者空间操作人员给出后续指令；若检测结果为合格，将成品检测报告发送到数字孪生子系统；

步骤5，物理子系统完成目标航天器制造任务，各单元及设备回到初始状态，等待下次任务。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中的部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (5)

1.一种基于在轨增材制造和地基发射融合的空间装配系统，其特征在于，所述空间装配系统包括物理子系统、数字孪生子系统及通讯子系统；

所述数字孪生子系统用以远程监测所述物理子系统，地面或者空间操作人员可以通过数字孪生子系统接收物理子系统发出的信息并给出指令控制物理子系统；

所述通讯子系统用以建立所述物理子系统各单元及设备之间的连接、所述物理子系统与所述数字孪生子系统之间的连接；

所述物理子系统包括增材制造单元、空间机器人单元、原料仓、控制单元、通讯单元、传感器单元、成像定位设备、数据存储单元、数据处理单元，各单元及设备特点如下：

所述增材制造单元至少包含一台增材制造设备，用以执行增材制造打印任务；

所述空间机器人单元包含至少一台多功能机器人，所述多功能机器人内置了末端工具库，可执行多个不同的任务，包括：检测任务、装配任务、运输定位任务；

所述原料仓用以在太空中存放并管理从地面发射的增材制造耗材、带有通用标准接口的航天器使能模块、带有通用标准接口的线缆、零件包；同时原料仓作为回收系统服务端，收到回收服务请求时提供回收服务；所述航天器使能模块为满足特定航天任务需要而在地面设计制造的专用模块，包括推进模块、能源模块、仓储模块、通讯模块、观测模块和连接模块；所述通用标准接口至少可实现模块间稳固连接、电热传输和数据通讯需求；

所述控制单元用以控制增材制造单元及空间机器人单元执行任务；

所述通讯单元为通讯子系统的物理基础，用以帮助物理子系统各单元及设备之间实现实时通讯；

所述传感器单元包含状态传感器、观测传感器及环境传感器，其中：所述状态传感器，包括即时位置传感器、即时姿态传感器、极限传感器、过载传感器，且为其中一者或其组合，用以提供物理子系统各单元及设备的工作信息和故障诊断依据；所述观测传感器包括近红外相机、近红外光谱仪、近红外成像无缝隙光谱仪、精细制导传感器，且

为其中一者或其组合；所述环境传感器，包括温度传感器、力传感器、无源遥感器、磁性传感器，且为其中一者或其组合，用以监测物理子系统各单元及设备内外部的环境；

所述成像定位设备，包括相机、雷达、多波段成像设备，且为其中一者或其组合，

用以识别和获取物理子系统各单元及设备的数字模型及信息，包括几何、结构及位姿信息；

所述数据存储单元用以存储所述一种基于在轨增材制造和地基发射融合的空间装配系统中的各项数据；

所述数据处理单元通过计算生成任务序列，所述任务序列包括准备阶段任务序列、装配阶段任务序列、增材制造单元打印序列、机器人单元装配序列；同时数据处理单元还将物理子系统的数字孪生体融入数字孪生子系统；

针对新的航天器生产任务，具体步骤为：

步骤1，所述空间装配系统在接收到地面或者空间操作人员的任务指令前，进行系统自检，确认空间装配系统的运行状况为正常运行状态；空间装配系统在接收到地面或者空间操作人员的任务指令后，进行系统初始化，等待下一步任务指令；

步骤2，数字孪生子系统根据地面或者空间操作人员输入的目标航天器型号生成目标航天器模型，并将所述目标航天器模型输入数据处理单元；数据处理单元对目标航天器模型进行分析并生成任务序列，将其储存在数据存储单元中；其中，所述任务序列包括准备阶段任务序列、装配阶段任务序列，

所述准备阶段任务序列的生成步骤如下：

步骤2a，通过数据处理单元访问数据存储单元，获取原料仓的库存信息，对增材制造耗材、航天器使能模块、线缆、零件包的库存数量进行确认；若所述库存数量不足，

则将对应的类型及数量创建为日志信息，将所述日志信息存储在数据存储单元，并发送到数字孪生子系统，等待地面或者空间操作人员给出后续指令；若所述库存数量充足，

则执行下一步骤；

步骤2b，生成增材制造单元打印任务序列，其步骤如下：

步骤2b1，若目标打印件仅通过增材制造单元就可以完成打印，则将所述目标打印件定义为简单打印件，并转入步骤2b2；若目标打印件需要在打印过程中嵌入其它零部件，包括航天器使能模块、线缆、简单打印件、零件包中的任意一个或多个，

则将所述目标打印件定义为复合打印件，并转入步骤2b3；

步骤2b2，生成简单打印件任务序列；

步骤2b3，生成复合打印件任务序列；步骤2c，生成空间机器人单元准备阶段任务序列，其步骤如下：

步骤2c1，生成运输定位任务序列，所述运输定位任务序列用以控制多功能机器人抓取待装配部件，将其运输至指定的空间位置并固定其空间姿态；所述待装配部件为组装目标航天器需要的简单打印件、复合打印件、航天器使能模块、线缆、零件包；

步骤2c2，生成部件检测任务序列，所述部件检测任务序列用以控制多功能机器人在装配前对待装配部件进行检测，若检测结果不合格对不合格件进行回收；若检测结果合格，则执行下一步骤；

所述装配阶段任务序列的生成步骤如下：

步骤2d，生成空间机器人单元装配阶段任务序列，其步骤如下：

步骤2d1，生成装配任务序列，所述装配任务序列用以控制多功能机器人将待装配部件按照所述目标航天器模型装配成目标航天器成品；

步骤2d2，生成功能检测任务序列，所述功能检测任务序列用以控制多功能机器人对所述目标航天器成品进行功能检测；

步骤3，通过控制单元访问数据存储单元，获取准备阶段任务序列；通过控制单元控制增材制造单元和空间机器人单元执行准备阶段任务序列；其中，所述准备阶段任务序列的执行步骤如下：

步骤3a，增材制造设备执行所述简单打印件任务序列，完成简单打印件的制备；增材制造设备和多功能机器人协同执行所述复合打印件任务序列，完成复合打印件的制备；

步骤3b，多功能机器人执行所述运输定位任务序列，抓取待装配部件，将其运输至指定的空间位置并固定其空间姿态；

步骤3c，多功能机器人执行所述部件检测任务序列，对待装配部件进行检测，将检测结果创建为部件检测报告，并将所述部件检测报告存储在数据存储单元；若检测结果为不合格，则多功能机器人将不合格件回收至原料仓，并将所述部件检测报告发送到数字孪生子系统，等待地面或者空间操作人员给出后续指令；若检测结果为合格，则执行下一步骤；

步骤4，通过控制单元访问数据存储单元，获取装配阶段任务序列；通过控制单元控制空间机器人单元执行装配阶段任务序列；其中，装配阶段任务序列的执行步骤如下：

步骤4a，多功能机器人执行所述装配任务序列，将待装配部件按照所述目标航天器模型装配成目标航天器成品；

步骤4b，多功能机器人执行所述功能检测任务序列，对所述目标航天器成品进行功能检测，将检测结果创建为成品检测报告，并将所述成品检测报告存储在数据存储单元；若检测结果为不合格，将所述成品检测报告发送到数字孪生子系统，等待地面或者空间操作人员给出后续指令；若检测结果为合格，将成品检测报告发送到数字孪生子系统；

步骤5，物理子系统完成目标航天器制造任务，各单元及设备回到初始状态，等待下次任务。

2.根据权利要求1所述的一种基于在轨增材制造和地基发射融合的空间装配系统，其特征在于，步骤2b3所述的复合打印件任务序列生成步骤如下：

步骤2b3a，通过数据处理单元对复合打印件的三维模型进行切片，生成复合打印件切片文件；

步骤2b3b，将需要在打印过程中嵌入的其它零部件包括航天器使能模块、线缆、简单打印件、零件包定义为待嵌入物体，通过数据处理单元扫描所述复合打印件切片文件，在所述待嵌入物体的起始层标记动作标签；

步骤2b3c，通过数据处理单元生成多功能机器人及增材制造设备控制指令，用以将待嵌入物体装配或放置到正在打印的工件中；在所标记的动作标签处分别插入增材制造设备暂停指令、增材制造设备暂停时间、多功能机器人运输定位指令、多功能机器人装配指令、增材制造设备继续打印指令；将插入指令完毕的复合打印件切片文件定义为预处理文件；

步骤2b3d，通过数据处理单元将所述预处理文件转换为复合打印件任务序列。

3.根据权利要求1所述的一种基于在轨增材制造和地基发射融合的空间装配系统，其特征在于，所述数字孪生子系统包含人机交互界面和三维仿真环境，通过成像定位设备检测并感知物理子系统，在物理子系统中提取目标生成虚拟数字模型，所述虚拟数字模型包含几何和结构信息；通过传感器单元获取所述目标的物理参数包括热量分布、电磁场分布、形心质心、转动惯量；通过数据处理单元将所述物理参数添加到虚拟数字模型中，生成所述目标的数字孪生体，并将所述数字孪生体融入三维仿真环境，在三维仿真环境中显示数字孪生体；通过通讯子系统进行数据同步，实现物理子系统与数字孪生子系统一一对应，用以监测物理子系统；

所述人机交互界面用以显示物理子系统发送的文件，包括日志信息、部件检测报告、成品检测报告；地面或者空间操作人员可以通过人机交互界面发出指令控制物理子系统；

所述三维仿真环境用以将物理子系统的数字孪生体可视化，地面或者空间操作人员通过三维仿真环境对物理子系统进行远程监测；所述远程监测内容包括：设备监测、运维监测、任务监测、能源监测、生产调度预判；其中，

所述设备监测为对各单元及设备的运行状况进行监测，实时分析并预判各单元及设备的运行状况；

所述运维监测为对各单元及设备的排产情况进行监测，所述排产情况包括：任务序列堆积情况及原因、各单元及设备闲置情况及原因；

所述任务监测为对各单元及设备的执行任务序列进度进行监测，实时监测各单元及设备的执行任务序列进度；

所述能源监测为对物理子系统的生产消耗进行监测，所述生产消耗包括：增材制造耗材消耗量、航天器使能模块消耗量、线缆消耗量、零件包消耗量、能源消耗量、污染物排放量、不合格件回收量；

所述生产调度预判为根据所述任务监测收集的数据预判所述物理子系统下一单位时间段的产能，所述单位时间段时间长度由地面或者空间操作人员定义，并生成下一单位时间段所需要的原料类型和数量。

4.根据权利要求1所述的一种基于在轨增材制造和地基发射融合的空间装配系统，其特征在于，所述通讯子系统通过至少一种通讯方式建立所述物理子系统各单元之间的连接、所述物理子系统与所述数字孪生子系统之间的连接；所述通讯方式包括：话题通讯、参数服务器通讯、服务通讯；其中，

所述话题通讯由话题、订阅者及发布者组成，发布者发布话题，订阅者订阅该话题，用于不断更新的、少逻辑处理的数据传输场景；

所述参数服务器通讯由参数服务器、参数设置者、参数调用者组成，参数服务器是一个公共容器，用以存储并管理数据，参数设置者向参数服务器中设置参数，参数调用者从参数服务器中获取参数，用于存在数据共享的应用场景；

所述服务通讯由服务、服务端及客户端组成，客户端向服务端发出服务请求，服务端向客户端提供服务，用于对实时性有要求、具有一定逻辑处理的应用场景。

5.根据权利要求1所述的一种基于在轨增材制造和地基发射融合的空间装配系统，其特征在于，所述通讯子系统的架构为：

物理子系统与数字孪生子系统之间的通讯方式为服务通讯，数据处理单元为服务端，数字孪生子系统为客户端，服务为数字孪生子系统与物理子系统之间的双向信息传输；

数据处理单元与控制单元之间的通讯方式为参数服务器通讯，数据存储单元为参数服务器，数据处理单元为参数设置者，控制单元为参数调用者；

数据处理单元与传感器单元之间的通讯方式为参数服务器通讯，数据存储单元为参数服务器，传感器单元为参数设置者，数据处理单元为参数调用者；

数据处理单元与成像定位设备之间的通讯方式为参数服务器通讯，数据存储单元为参数服务器，成像定位设备为参数设置者，数据处理单元为参数调用者；

控制单元与增材制造单元之间的通讯方式为话题通讯，话题为增材制造单元打印任务序列，控制单元为发布者，增材制造单元为订阅者；

控制单元与空间机器人单元之间的通讯方式为话题通讯，话题为装配任务序列、运输定位任务序列、检测任务序列，控制单元为发布者，空间机器人单元为订阅者；

原料仓与数据处理单元之间的通讯方式为参数服务器通讯，数据存储单元为参数服务器，原料仓为参数设置者，数据处理单元为参数调用者；

空间机器人单元与原料仓之间的通讯方式为服务通讯，原料仓为服务端，空间机器人单元为客户端，服务为提取原料服务及回收服务。