CN117075495A - 一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统,包括:三轴气浮台分系统、三轴气浮平台、单轴气浮台分系统、单轴气浮平台、姿态载荷平台以及综合监测管控分系统。本发明通过控制三轴气浮平台的姿态指向与载荷平台的姿态指向协同,以及通过单轴气浮平台的姿态指向与载荷平台的姿态指向协同,可以使得载荷平台可以完成在坐标系上两个方向轴的飞行姿态指向,从而可以确定出载荷平台(即第三飞行器)的唯一姿态,以及实现各个飞行器间的两两姿态指向,实现了多航天器间的仿真协同指向。本发明可以实现对航天器进行扫描以及捕获等动态过程的模拟,并且可以对于多颗航天器之间的协同控制技术进行仿真分析和验证。
Description
技术领域
本发明涉及航天器姿态控制技术领域,尤其涉及一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统。
背景技术
对于航天器的姿态控制的仿真技术,一般都是以三轴气浮台为仿真平台以实现航天器的半物理仿真试验,通过仿真实验,如对航天器进行扫描、捕获、跟踪指向等动态过程的模拟,以验证航天器的姿态动力学与控制。
但是现有技术研究的主体内容仍是单颗航天器(卫星)的运动学、动力学与控制,其技术的关键目标在于仿真分析单颗航天器的动力学特性及其控制器的性能、单星捕获技术以及目标跟踪控制技术等,而对于多颗航天器之间的协同控制技术的仿真分析和验证,并没有可实现的仿真试验平台。
发明内容
本发明实施例提供一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统,能有效解决现有技术中对于多颗航天器之间的协同控制技术的仿真分析和验证,并没有可实现的仿真试验平台的问题。
本发明一实施例提供了一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统,包括:
三轴气浮台分系统、用于模拟第一飞行器的姿态的三轴气浮平台、单轴气浮台分系统、用于模拟第二飞行器的姿态的单轴气浮平台、用于模拟第三飞行器的姿态载荷平台以及综合监测管控分系统;
所述综合监测管控分系统,用于在检测到载荷平台完成第一姿态指向后,计算得到用于控制所述三轴气浮台的姿态指向的第一期望姿态旋转矩阵,并将所述第一期望姿态旋转矩阵发送至三轴气浮台分系统,以使所述三轴气浮台分系统控制三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同;其中,第一姿态指向为载荷平台在预设载荷平台坐标系的第一方向轴上的姿态指向;
所述单轴气浮台分系统,还用于在检测到三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同完成,且检测到三轴气浮平台完成第二姿态指向时,计算得到用于控制单轴气浮平台的姿态指向的第二期望姿态旋转矩阵,并根据所述第二期望姿态旋转矩阵控制单轴气浮平台的姿态指向与所述第二姿态指向协同;其中,第二姿态指向为三轴气浮平台在预设三轴气浮平台坐标系的任意一方向轴上的姿态指向;
所述综合监测管控分系统,还用于在检测到载荷平台完成第三姿态指向后,计算用于控制单轴气浮平台的姿态指向的第三期望姿态旋转矩阵,并将所述第三期望姿态旋转矩阵发送至单轴气浮台分系统,以使所述单轴气浮台分系统控制单轴气浮平台的姿态指向与所述第三姿态指向协同;其中,所述第三姿态指向为载荷平台在预设载荷平台坐标系的第二方向轴上的姿态指向;
所述综合监测管控分系统,还用于在检测到载荷平台完成第一姿态指向以及第三姿态指向,且判定载荷平台的位置、三轴气浮平台的位置以及单轴气浮平台的位置满足预设距离条件时,确定载荷平台、三轴气浮平台以及单轴气浮平台完成多航天器间的仿真协同指向。
优选地,还包括:用于作为第三飞行器的地面模拟系统的机器人分系统;
所述机器人分系统,包括:地面控制单元以及机械臂单元;
所述载荷平台,包括:扫瞄镜单元以及用于模拟第三飞行器的地面模拟体;
所述扫瞄镜单元,用于在地面模拟体的运动过程中,根据地面模拟体的姿态和位置生成二维成像平面;并在捕获到三轴气浮台上的第一靶标时,根据所述第一靶标在所述二维成像平面的投影,与所述二维成像平面的中心的距离计算得到第一偏差量,继而将所述第一偏差量发送至地面控制单元;
所述地面控制单元,用于根据所述第一偏差量计算得到第一旋转矩阵,并将所述第一旋转矩阵发送至机械臂单元,以使所述机械臂单元根据第一旋转矩阵控制载荷平台的姿态指向,直至载荷平台完成第一姿态指向;
所述地面控制单元,还用于在检测到载荷平台完成第一姿态指向后,将载荷平台在预设惯性坐标系下的第一位置向量发送至所述综合监测管控分系统。
优选地,所述单轴气浮台上设置有第二靶标;
所述扫瞄镜单元,还用于在地面模拟体的运动过程中,根据地面模拟体的姿态和位置生成二维成像平面;并在捕获到单轴气浮台上的第二靶标时,根据所述第二靶标在所述二维成像平面的投影与所述二维成像平面的中心计算得到第二偏差量,继而将所述第二偏差量发送至地面控制单元;
所述地面控制单元,还用于根据所述第二偏差量计算得到第二旋转矩阵,并将所述第二旋转矩阵发送至机械臂单元,以使所述机械臂单元根据第二旋转矩阵控制载荷平台的姿态指向,直至载荷平台完成第三姿态指向。
优选地,所述综合监测管控分系统,还包括:若干光学运动捕捉单元;
每一光学运动捕捉单元,用于检测载荷平台的姿态指向,在检测到载荷平台完成第一姿态指向时生成载荷平台的第一姿态指向完成结果,以及在检测载荷平台完成第三姿态指向时生成载荷平台的第三姿态指向完成结果。
优选地,所述综合监测管控分系统,用于计算得到用于控制所述三轴气浮台的姿态指向的第一期望姿态旋转矩阵,包括:
所述综合监测管控分系统,在检测到载荷平台完成第一姿态指向时,接收所述地面控制单元发送的第一位置向量;
接收三轴气浮台分系统发送的三轴气浮平台在预设惯性坐标系下的第二位置向量以及三轴气浮平台在预设惯性坐标系下的第一姿态旋转矩阵;
根据所述第一位置向量以及第二位置向量,计算得到三轴气浮平台在预设惯性坐标下的目标位置向量,继而根据所述目标位置向量计算得到三轴气浮平台处于目标位置向量时对应的在预设惯性坐标下的目标姿态旋转矩阵;其中,所述目标位置向量用于表征三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同时对应的期望位置向量;
根据所述第一姿态旋转矩阵以及目标姿态旋转矩阵,计算得到用于指示姿态偏差量的第一期望姿态旋转矩阵;其中,所述第一期望姿态旋转矩阵为三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同时对应的期望姿态旋转矩阵。
优选地,所述根据所述第一位置向量以及第二位置向量,计算得到三轴气浮平台在预设惯性坐标下的目标位置向量,继而根据所述目标位置向量计算得到三轴气浮平台处于目标位置向量时对应的在预设惯性坐标下的目标姿态旋转矩阵,包括:
根据如下公式计算得到目标位置向量:
其中,为三轴气浮平台在预设惯性坐标下的目标位置向量,/>为载荷平台在预设惯性坐标系下的第一位置向量,/>为三轴气浮平台在预设惯性坐标系下的第二位置向量;
根据如下公式计算得到目标姿态旋转矩阵:
其中,为三轴气浮平台处于目标位置向量时对应的在预设惯性坐标下的目标姿态旋转矩阵,/>为三轴气浮平台在预设惯性坐标下的目标位置向量。
优选地,所述根据所述第一姿态旋转矩阵以及目标姿态旋转矩阵,计算得到用于指示姿态偏差量的第一期望姿态旋转矩阵,包括:
根据如下公式计算得到第一期望姿态旋转矩阵:
其中,为第一期望姿态旋转矩阵,/>为目标姿态旋转矩阵,/>为三轴气浮平台在预设惯性坐标系下的第一姿态旋转矩阵。
优选地,所述三轴气浮台分系统控制三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同,包括:
所述三轴气浮台分系统根据所述第一期望姿态旋转矩阵控制三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同。
优选地,所述三轴气浮台分系统控制三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同,包括:
所述三轴气浮台分系统,在接收到第一期望姿态旋转矩阵时,同时接收载荷平台在预设惯性坐标系下的第二姿态旋转矩阵;
根据所述第一期望姿态旋转矩阵以及第二姿态旋转矩阵,计算得到一致性关系式,继而根据所述一致性关系式控制三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同;
其中,所述一致性关系式为:I3代表三阶单位矩阵,/>为载荷平台在预设惯性坐标系下的第二姿态旋转矩阵。
优选地,所述判定载荷平台的位置、三轴气浮平台的位置以及单轴气浮平台的位置满足预设距离条件时,确定载荷平台、三轴气浮平台以及单轴气浮平台完成多航天器间的仿真协同指向,包括:
所述扫瞄镜单元,包括:用于扫描三轴气浮平台的第一扫描镜,以及用于扫描单轴气浮平台的第二扫描镜;
所述综合监测管控分系统,在所述第一扫描镜和所述第二扫描镜处于同一平面,且第一扫描镜与三轴气浮平台的夹角,以及第二扫描镜与单轴气浮平台的夹角均为同一预设角度时,判断载荷平台与单轴气浮平台的第一相对距离是否等于三轴气浮平台与单轴气浮平台的第二相对距离;
若是,则确定载荷平台、三轴气浮平台以及单轴气浮平台完成多航天器间的仿真协同指向,并将载荷平台、三轴气浮平台以及单轴气浮平台各自对应的位置信息以及姿态信息进行显示;
若否,则确定载荷平台、三轴气浮平台以及单轴气浮平台未完成多航天器间的仿真协同指向,计算出第一相对距离与第二相对距离之间的距离偏差量,并将距离偏差量发送至机械臂单元,以使所述机械臂单元根据所述距离偏差量控制载荷平台的位姿运动距离,直至第一相对距离等于第二相对距离。
通过实施本发明具有如下有益效果:
本发明实施例提供了一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统,包括:三轴气浮台分系统、用于模拟第一飞行器的姿态的三轴气浮平台、单轴气浮台分系统、用于模拟第二飞行器的姿态的单轴气浮平台、用于模拟第三飞行器的姿态载荷平台以及综合监测管控分系统。与现有技术相比,本发明通过控制三轴气浮平台的姿态指向与载荷平台在预设载荷平台坐标系的第一方向轴上的姿态指向协同,以及通过单轴气浮平台的姿态指向与载荷平台在预设载荷平台坐标系的第二方向轴上的姿态指向协同,可以使得用于模拟第三飞行器的载荷平台可以完成在坐标系上两个方向轴的飞行姿态指向,从而可以确定出载荷平台(即第三飞行器)的唯一姿态,而且因为单轴气浮平台的姿态指向也与三轴气浮平台在预设三轴气浮平台坐标系上任意一方向轴上的姿态指向协同,从而本发明可以实现各个飞行器间的两两姿态指向,并在确定出载荷平台的唯一姿态后,可以模拟出载荷平台对应的第三飞行器的姿态跟踪指向、飞行方向和飞行位置,实现了多航天器间的仿真协同指向。即通过本发明提供的地面半物理仿真系统可以实现对航天器进行扫描以及捕获等动态过程的模拟,并且可以对于多颗航天器之间的协同控制技术进行仿真分析和验证。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统的三维模型布局纵向示意图;
图2为本发明一实施例提供的地面半物理仿真系统的三维模型布局横向示意图;
图3为本发明一实施例提供的地面半物理仿真系统的各个功能单元的组成结构示意图;
图4为本发明一实施例提供的双飞行器姿态指向协同阶段的流程示意图;
图5为本发明一实施例提供的三飞行器姿态指向协同阶段的流程示意图;
图6为本发明一实施例提供的三飞行器完成姿态指向协同的示意图;
图7是为本发明一实施例提供的各个系统单元的坐标系示意图。
图1和图2中各标号为:三轴气浮台分系统-1,单轴气浮台分系统-2,机器人分系统-3,综合监测管控分系统-4,三轴气浮平台-5,单轴气浮平台-6,末端载荷平台-7,七轴机械臂-8,光学运动捕捉单元-9。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,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,都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示,是本发明一实施例提供的基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统的结构示意图,所述基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统,包括:用于作为第一飞行器的地面模拟系统的三轴气浮台分系统1;用于模拟第一飞行器的姿态的三轴气浮平台5;用于作为第二飞行器的地面模拟系统的单轴气浮台分系统2;用于模拟第二飞行器的姿态的单轴气浮平台6;用于作为第三飞行器的地面模拟系统的机器人分系统3;用于模拟第三飞行器的姿态载荷平台7;以及综合监测管控分系统4。
其中,所述机器人分系统,包括:地面控制单元以及机械臂单元7;所述综合监测管控分系统还包括:若干光学运动捕捉单元8。
本发明的提供了一种可以面向大尺度高精度分布式空间系统的地面半物理仿真试验系统及方法,以解决现有大尺度高精度分布式空间系统姿态指向协同系统数学仿真不够真实、不够准确的问题。
为实现上述解决方案,本发明的三轴气浮台分系统,被配置为大尺度高精度分布式空间系统的飞行器Ⅰ地面模拟系统,其三轴气浮平台根据本体姿态动力学输入姿态信息,模拟飞行器Ⅰ姿态运动,同时接收其他地面模拟体的状态信息,协同做出姿态指向响应;
单轴气浮台分系统,被配置为大尺度高精度分布式空间系统的飞行器Ⅱ地面模拟系统,其单轴气浮平台根据本体姿态动力学输入姿态信息,模拟飞行器Ⅱ姿态运动,同时接收其他地面模拟体的状态信息,协同做出姿态指向响应;
机器人分系统,被配置为大尺度高精度分布式空间系统的飞行器Ⅲ地面模拟系统,其载荷平台模拟飞行器Ⅲ的实时姿态与相对轨迹,包括扫描、捕获、指向、协同等一系列动态过程;
综合监测管控分系统,被配置为测量、监视和管理上述三个分系统的实时状态,并作状态记录,根据试验数据验证姿态指向协同控制算法的有效性与精度。因此,本发明可以搭建地面半物理仿真试验系统,实现其对应的结构与功能设计以及可以实现姿态指向协同控制地面半物理仿真方法。
下面介绍本发明的系统是如何保证试验的有效性和相似性,以实现多颗航天器之间的协同控制技术进行仿真分析和验证:
首先,从空间飞行器的动力学与控制角度展开分析,以及从空间飞行器的姿态动力学与控制角度上分析,本发明采用三轴气浮台来模拟空间飞行器的动力学与控制过程,它们均满足二阶姿态动力学方程:式中:Jc为转动惯量矩阵;下标b为空间飞行器体坐标系;τc为施加在空间飞行器上的控制力矩,τd为施加在空间飞行器上的扰动力矩,是未知有界量。二阶动力学方程表达式保证了地面模拟过程的相似性;
其次,从单颗飞行器的姿轨耦合作用角度展开分析,采用机器人上的载荷平台模拟空间飞行器的姿轨运动,两者均为空间中的六自由度位姿运动,均有存在三自由度位置运动与三自由度姿态运动,从姿轨耦合作用来说,两者具有相似性,体现在:空间飞行器(载荷平台)的位置是由目标飞行器的姿态指向决定的;空间飞行器(载荷平台)的姿态指向是由其在空间中的位置决定的;姿轨运动间存在强耦合作用。
最后,分布式空间系统建立的协同控制过程相似,都是从双飞行器建立协同开始直到建立起多个飞行器的协同。地面系统的搭建和试验流程的安排,尽可能贴近空间运动。各分系统的测控信息均源于自身所配置的测量器,从而实现实时测量与控制。
综合监测管控分系统的光学运动捕捉单元被配置为实时记录三轴气浮台台体姿态、单轴气浮台台体姿态、载荷平台在惯性系下的位置与姿态数据,用作地面模拟体运动控制的动力学与控制性能分析;两种不同来源的数据,通过对比分析可以得出所设计的控制系统的响应性能,对设计控制器的性能做出验证与评价;综合监测管控分系统可获取各分系统的信息(包括三轴气浮台台体姿态、单轴气浮台台体姿态、机器人载荷平台的位姿),可在地面惯性系下,显示各分系统的运动学特征(位置与姿态的变化曲线),从这些运动学特征中可以分析地面相对运动特性并于空间相对运动的几何特性做对比分析,从运动学上分析地面与空间相对运动的相似性等。再与数学仿真中空间飞行器的相对运动情况进行对比,验证缩比关系的合理性,运动学模型的相似性等;
因此,采用本发明的地面半物理实时仿真试验验证系统,可以高精度的模拟大尺度高精度分布式空间系统的姿态指向协同控制能力及效果,为大尺度高精度分布式空间系统姿态指向实时仿真提供了一种新的思路,增强了分布式空间系统飞行器的可靠性和安全性,具有较好的工程应用前景和推广价值。
在一个优选的实施例中,本发明的地面半物理仿真系统的功能单元结构如图3所示,各分系统之间通过以太网连接实现通讯功能。
三轴气浮台分系统与单轴气浮台分系统为成熟设备,多用于个体卫星姿态控制的仿真,但是目前还没有针对大尺度高精度分布式空间系统编队引入多体姿态指向协同控制实时仿真测试的方法,无法进行姿态协同的多体闭环测试。在成熟的气浮台设备上,本发明的系统通过在三轴气浮台分系统及单轴气浮台分系统设计对应的协同控制器,部署协同控制算法应用在三轴气浮台及单轴气浮台的单体系统上,通过以太网通讯,进行多体间信息交互,实现协同控制功能。如图3所示,本发明采用的三轴气浮台与单轴气浮台分系统的台下部分均配有视觉测量单元,能实时测量气浮平台的姿态。
机器人分系统主要分为地面控制单元和机械臂单元。地面控制单元被配置为机器人分系统的硬件控制台,其中包括控制上位机、实时仿真计算机、机器人控制器。
其中,控制上位机运行软件为Matlab,该软件集成了实时仿真工具箱,可将所设计的算法程序部署到实时仿真机Speedgoat上,实时仿真机接收扫瞄镜单元下传信息和机械臂的状态信息耦合处理并传输控制信号给机器人控制器伺服执行器(七轴机械臂)运动,实现载荷平台的位姿改变,同时上传扫描信号给扫瞄镜单元,切换扫描模式;控制上位机通过WAN口与实时仿真机通信,实时仿真机通过模拟量、数字量接口、EnthernetIP与机器人控制连接实现控制信号的传输;
扫瞄镜单元通过无线WIFI模块与实时仿真机通信,实现数据传输。机械臂单元被配置为末端载荷平台的执行器,示意性的,所述机械臂单元为七轴机械臂单元,采用“导轨+六自由度串联机械臂”的结构组成七轴机械臂,七轴机械臂能满足末端载荷平台在空间运动过程中位置、姿态分离的控制策略,机械臂末端配置夹具用于连接固定末端的载荷平台。
所述载荷平台被配置为第三飞行器的地面模拟体,实现光学载荷几何关系布置的模拟,其上主要载荷为扫瞄镜单元,扫瞄镜单元包括相机、MEMS摆镜和激光发生器,可获取图像进行视觉伺服机械臂运动以及发射激光进行激光指向。其中,所述扫瞄镜单元,包括:用于扫描三轴气浮平台的第一扫描镜,以及用于扫描单轴气浮平台的第二扫描镜;
综合监测管控分系统,包括光学运动捕捉单元、综合监测管控处理与显示单元、通讯单元,被配置为测量、监视和管理上述三个分系统的实时状态,并作状态记录,通过以太网与各个分系统通信。
光学运动捕捉单元测量记录机器人分系统上载荷平台的实时状态。综合监测管控处理与显示单元,处理各分系统中断指令,以及同步时钟等;显示各分系统的实时协同状态信息,包括载荷平台的实时位姿信息与三轴气浮平台、单轴气浮平台的实时姿态信息,体现为载荷平台位置与三轴(单轴)气浮平台姿态的指向协同关系图、末端载荷平台姿态与三轴(单轴)气浮平台姿态的指向协同关系图等,并判断各地面模拟体是否符合期望协同控制律。通讯单元,实现与各分系统信息收发。其技术特征为:综合监测管控分系统的功能设计,综合监测管控分系统的搭建。
在一个优选的实施例中,姿态指向协同控制地面半物理仿真试验的建立过程分为双飞行器姿态指向协同与三飞行器姿态指向协同两个阶段,双飞行器姿态指向协同阶段包括:载荷平台与三轴气浮平台实现在第一方向轴上的姿态指向协同、载荷平台与单轴气浮平台实现在第二方向轴上的姿态指向协同、单轴气浮平台与三轴气浮平台实现在任意方向轴上的姿态指向协同;
三飞行器姿态指向协同阶段为载荷平台、单轴气浮平台、三轴气浮平台两两姿态指向协同,在空间上形成正三角形构形。
姿态指向协同动态建立先后过程可选为:载荷平台与三轴气浮平台姿态指向协同、单轴气浮平台与三轴气浮平台姿态指向协同、载荷平台与单轴气浮平台姿态指向协同。
具体的,双飞行器姿态指向协同阶段具体实现流程如图4所示,首先是载荷平台与三轴气浮平台姿态指向协同。
所述综合监测管控分系统在检测到载荷平台完成第一姿态指向后,计算得到用于控制所述三轴气浮台的姿态指向的第一期望姿态旋转矩阵,并将所述第一期望姿态旋转矩阵发送至三轴气浮台分系统,以使所述三轴气浮台分系统控制三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同;其中,第一姿态指向为载荷平台在预设载荷平台坐标系的第一方向轴上的姿态指向;
具体的,所述扫瞄镜单元中的第一扫描镜在地面模拟体的运动过程中,根据地面模拟体的姿态和位置生成二维成像平面;并在捕获到三轴气浮台上的第一靶标时,根据所述第一靶标在所述二维成像平面的投影,与所述二维成像平面的中心的距离计算得到第一偏差量,继而将所述第一偏差量发送至地面控制单元;
所述地面控制单元根据所述第一偏差量计算得到第一旋转矩阵,并将所述第一旋转矩阵发送至机械臂单元,以使所述机械臂单元根据第一旋转矩阵控制载荷平台的姿态指向,直至载荷平台完成第一姿态指向;
所述地面控制单元,还用于在检测到载荷平台完成第一姿态指向后,将载荷平台在预设惯性坐标系下的第一位置向量发送至所述综合监测管控分系统。
所述综合监测管控分系统中的每一光学运动捕捉单元,用于检测载荷平台的姿态指向,在检测到载荷平台完成第一姿态指向时生成载荷平台的第一姿态指向完成结果,以及在检测载荷平台完成第三姿态指向时生成载荷平台的第三姿态指向完成结果。
在一个优选的实施例中,先将空间中实际双飞行器的大尺度相对运动进行等比例缩小、减小数量级等处理并保留相对运动轨迹几何特性,从而得到可以在地面模拟空间运动的小尺度相对运动,即空间双飞行器的相对运动经过相似性处理后,得到地面末端载荷平台位姿函数,末端载荷平台位姿函数是载荷平台进行跟踪的标称轨迹函数,采用位置、姿态分离控制策略部署到机器人控制器上,分别并行进行周期位置、姿态插补,控制末端载荷平台空间位姿、姿态运动,得到载荷平台的实时位姿;
在载荷平台位姿运动过程中,扫瞄镜图像二维平面进行成像,根据三轴气浮台上的靶标在扫描镜二维成像平面的投影与二维成像平面中心的偏差量(沿成像平面纵轴与横轴的偏差量),计算期望姿态旋转矩阵,规划机器人进行周期姿态插补,实现姿态指向;
载荷平台建立完成单向姿态指向后,协同控制器可根据不同的协同控制策略(可选为姿态—位置协同或姿态—姿态协同)周期计算三轴气浮台台体姿态旋转矩阵并通信给三轴气浮台分系统;其中,姿态—位置协同策略,指的是根据载荷平台在惯性系下的位置来计算三轴气浮台台体的期望姿态旋转矩阵;“姿态-姿态协同”策略指的是,依靠载荷平台的姿态与三轴气浮台台体的姿态形成一致性算法来构建姿态一致性算法;
这两种协同策略的出发点都是通过获取载荷平台的位置与姿态来计算三轴气浮台台体的期望姿态旋转矩阵后,从而与当前台体的姿态量做差得到姿态偏差控制量,然后控制对应的飞行器的姿态指向。
在一个优选的实施例中,设惯性坐标系O-XYZ,机器人基坐标系S-XSYSZS,机器人载荷平台坐标系C-XYZ,三轴气浮台地理坐标系g-XgYgZg,三轴气浮台台体坐标系G-XGYGZG.
机器人基坐标系{S}相对于惯性坐标系{O}的位置向量为机器人载荷平台坐标系{C}相对于机器人基坐标系{S}的位置向量为/>则机器人载荷平台坐标系{C}相对于惯性坐标系{O}的位置向量为/>机器人载荷平台坐标系{C}相对于惯性坐标系{O}的姿态旋转矩阵为/>
三轴气浮台地理坐标系{g}相对于惯性坐标系{O}的位置向量为三轴气浮台台体坐标系{G}相对于三轴气浮台地理坐标系{g}的位置向量为/>三轴气浮台台体坐标系{G}相对于惯性坐标系{O}的位置向量为/>三轴气浮台台体坐标系{G}相对于惯性坐标系{O}的姿态旋转矩阵为/>
单轴气浮台地理坐标系{u}相对于惯性坐标系{O}的位置向量为单轴气浮台台体坐标系{G}相对于三轴气浮台地理坐标系{u}的位置向量为/>三轴气浮台台体坐标系{U}相对于惯性坐标系{O}的位置向量为/>三轴气浮台台体坐标系{U}相对于惯性坐标系{O}的姿态旋转矩阵为/>
设三轴气浮台台体上的观测设备沿台体坐标系{G}的x轴正方向安置,三轴气浮台台体期望指向单位向量在惯性坐标系{O}的描述下为采用姿态—位置协同策略,则在惯性系的几何关系下,有:/>对应的期望姿态的旋转矩阵为/>则有关系式则从台体坐标系{G}到期望姿态对应的台体坐标{Gt}的旋转矩阵为
综合以上各式,可以根据载荷平台在惯性坐标系{O}下的位置向量计算出从台体坐标系到期望姿态对应的台体坐标的旋转矩阵/>旋转矩阵/>的物理意义代表着姿态偏差,有了姿态偏差就可以设计控制器,从而达到“位置-姿态协同”的控制策略;
由上述可知,若是采用“姿态-姿态协同”策略,则有:机器人载荷平台坐标系{C}相对于惯性坐标系{O}的姿态旋转矩阵为三轴气浮台台体坐标系{G}相对于惯性坐标系{O}的姿态旋转矩阵为/>从台体坐标系{G}到期望姿态对应的台体坐标{Gt}的旋转矩阵为则存在一致性关系式/>其中I3代表三阶单位矩阵。同理,也有载荷平台与单轴气浮台台体姿态的一致性关系式/>也有单轴气浮台台体姿态与三轴气浮台台体姿态的一致性关系式/>可以根据上面各式,同样可以计算出从台体坐标系到期望姿态对应的台体坐标的旋转矩阵/>旋转矩阵/>的物理意义代表着姿态偏差,有了姿态偏差就可以设计控制器,从而达到“姿态-姿态协同”的控制策略。
在实现双飞行器姿态指向协同阶段时,由上述可知,双飞行器姿态指向协同为:载荷平台与三轴气浮平台实现在第一方向轴上的姿态指向协同,以及载荷平台与单轴气浮平台实现在第二方向轴上的姿态指向协同;
首先是载荷平台与三轴气浮平台实现在第一方向轴上的姿态指向协同,需要说明的是,在建立双飞行器的姿态指向协同的过程中,载荷平台与三轴气浮台充当了双飞行器的地面模拟体,在相对运动下,三轴气浮台在惯性系下的位置不变,只做绕惯性系的姿态运动,载荷平台绕三轴气浮台做相对位置运动以及绕惯性系的姿态运动。
所述综合监测管控分系统通过光学运动捕捉单元检测到载荷平台完成第一姿态指向时,接收所述地面控制单元发送的第一位置向量其中,第一姿态指向为载荷平台在预设载荷平台坐标系的第一方向轴上的姿态指向,示意性的,第一方向轴可以为x、y或z轴任意一轴,而第二方向轴必须与第一方向轴的方向不同。
所述综合监测管控分系统同时接收三轴气浮台分系统发送的三轴气浮平台在预设惯性坐标系下的第二位置向量以及三轴气浮平台在预设惯性坐标系下的第一姿态旋转矩阵/>
根据所述第一位置向量以及第二位置向量/>计算得到三轴气浮平台在预设惯性坐标下的目标位置向量/>继而根据所述目标位置向量/>计算得到三轴气浮平台处于目标位置向量时对应的在预设惯性坐标下的目标姿态旋转矩阵/>其中,所述目标位置向量/>用于表征三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同时对应的期望位置向量;其中,根据如下公式计算得到目标位置向量:
其中,为三轴气浮平台在预设惯性坐标下的目标位置向量,/>为载荷平台在预设惯性坐标系下的第一位置向量,/>为三轴气浮平台在预设惯性坐标系下的第二位置向量;
根据如下公式计算得到目标姿态旋转矩阵:
其中,为三轴气浮平台处于目标位置向量时对应的在预设惯性坐标下的目标姿态旋转矩阵,/>为三轴气浮平台在预设惯性坐标下的目标位置向量。
在得到目标姿态旋转矩阵后,根据所述第一姿态旋转矩阵/>以及目标姿态旋转矩阵/>计算得到用于指示姿态偏差量的第一期望姿态旋转矩阵/>其中,所述第一期望姿态旋转矩阵/>为三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同时对应的期望姿态旋转矩阵。具体的,根据如下公式计算得到第一期望姿态旋转矩阵:
其中,为第一期望姿态旋转矩阵,/>为目标姿态旋转矩阵,/>为三轴气浮平台在预设惯性坐标系下的第一姿态旋转矩阵。
在得到用于控制所述三轴气浮台的姿态指向的第一期望姿态旋转矩阵后,将所述第一期望姿态旋转矩阵发送至三轴气浮台分系统,以使所述三轴气浮台分系统控制三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同;具体的,所述三轴气浮台分系统若选择“位置-姿态协同”,由本体协同控制器进行姿态指向控制并发送姿态协同指向控制信号给气浮台姿态控制器,实现气浮台台体姿态协同指向。
所述三轴气浮台分系统若选择“姿态-姿态协同”控制策略,则接收到第一期望姿态旋转矩阵时,同时接收载荷平台在预设惯性坐标系下的第二姿态旋转矩阵;根据所述第一期望姿态旋转矩阵以及第二姿态旋转矩阵,计算得到一致性关系式,继而根据所述一致性关系式控制三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同;其中,所述一致性关系式为:I3代表三阶单位矩阵,/>为载荷平台在预设惯性坐标系下的第二姿态旋转矩阵。
所述三轴气浮台分系统将期望姿态量(即第一期望姿态旋转矩阵或根据所述一致性关系式计算得到的差量)与当前姿态量计算得到误差姿态量,并利用控制算法(可选为PID反馈控制算法)进行控制的过程。周期重复以上过程,直至姿态单轴指向协同完成,继续控制载荷平台位置运动(位置运动会影响姿态指向,这是姿轨耦合作用的一个体现),直到达到沿指向的期望距离,则双飞行器(载荷平台与三轴气浮平台)姿态指向协同整个过程完成。
在双飞行器姿态指向协同阶段还包括:单轴气浮平台与三轴气浮平台姿态指向协同。
在一个优选的实施例中,所述单轴气浮台分系统,还用于在检测到三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同完成,且检测到三轴气浮平台完成第二姿态指向时,计算得到用于控制单轴气浮平台的姿态指向的第二期望姿态旋转矩阵,并根据所述第二期望姿态旋转矩阵控制单轴气浮平台的姿态指向与所述第二姿态指向协同;其中,第二姿态指向为三轴气浮平台在预设三轴气浮平台坐标系的任意一方向轴上的姿态指向;
需要说明的是,单轴气浮平台与三轴气浮平台姿态指向协同中的第二期望姿态旋转矩阵计算过程和控制单轴气浮平台的姿态指向与所述第二姿态指向协同的过程与上述的三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同过程类似,计算原理类似,在此不再赘述。
如图5所示,在双飞行器姿态指向协同完成基础之上,即实现了双飞行器的相对位姿指向协同。此时,两飞行器的相对位姿可以在惯性系下看作动态不变的刚性单边构形,所以在三探测器建立两两指向的过程中,载荷平台与单轴气浮平台还需实现姿态指向协同。需要说明的是,经过前面的双飞行器协同控制的建立,双飞行器之间形成了相对位置与相对姿态稳定的动态关系,可直接视为相对位姿关系不变,在三飞行器协同的试验中,单轴气浮台和三轴气浮台充当了两者关系的模拟体,而载荷平台作为第三个飞行器的地面模拟体,与三轴气浮台建立双向协同,同时与单轴气浮台建立双向协同,从而建立起三者直接两两协同形成三飞行器协同编队。
所述综合监测管控分系统,还用于在检测到载荷平台完成第三姿态指向后,计算用于控制单轴气浮平台的姿态指向的第三期望姿态旋转矩阵,并将所述第三期望姿态旋转矩阵发送至单轴气浮台分系统,以使所述单轴气浮台分系统控制单轴气浮平台的姿态指向与所述第三姿态指向协同;其中,所述第三姿态指向为载荷平台在预设载荷平台坐标系的第二方向轴上的姿态指向,所述第二方向轴与第一方向轴不同。
具体的,单轴气浮台协同指向载荷平台时,与建立双飞行器姿态协同阶段不同的是,需利用“姿态-姿态协同”策略,根据前文提到的关系式计算确定载荷平台满足姿态双轴指向的期望姿态,从而对期望姿态进行跟踪控制,直到单轴气浮台上的靶标位于载荷平台上第二扫瞄镜的图像平面期望范围内(第二扫瞄镜的作用是检测载荷平台有无完成姿态协同控制,实现姿态双轴指向的期望目标),则完成载荷平台对单轴气浮台的姿态单轴指向,实现两两姿态指向完成。
在一个优选的实施例中,需要说明的是,在笛卡尔坐标系中,确认任意相交两轴,即可确定第三轴,所以确定体系坐标系下的两轴指向,即可确定唯一姿态,在前面双飞行器建立指向协同的过程中,确定单轴指向的姿态是不唯一的。建立双飞行器指向协同只需要一轴相互指向即可,而在建立三飞行器指向协同中,需要第三飞行器(即载荷平台)上的双轴指向,先与第一飞行器,后与第二飞行器,这时才确定第三飞行器(即载荷平台)的唯一姿态。
在一个优选的实施例中,所述综合监测管控分系统,还用于在检测到载荷平台完成第一姿态指向以及第三姿态指向,且判定载荷平台的位置、三轴气浮平台的位置以及单轴气浮平台的位置满足预设距离条件时,确定载荷平台、三轴气浮平台以及单轴气浮平台完成多航天器间的仿真协同指向。
具体的,如图6和图7所示,所述综合监测管控分系统,在所述第一扫描镜和所述第二扫描镜处于同一平面,且第一扫描镜与三轴气浮平台的夹角,以及第二扫描镜与单轴气浮平台的夹角均为同一预设角度时,判断载荷平台与单轴气浮平台的第一相对距离是否等于三轴气浮平台与单轴气浮平台的第二相对距离;示意性的,所述预设角度为60度;
若是,则确定载荷平台、三轴气浮平台以及单轴气浮平台完成多航天器间的仿真协同指向,并将载荷平台、三轴气浮平台以及单轴气浮平台各自对应的位置信息以及姿态信息进行显示;
若否,则确定载荷平台、三轴气浮平台以及单轴气浮平台未完成多航天器间的仿真协同指向,计算出第一相对距离与第二相对距离之间的距离偏差量,并将距离偏差量发送至机械臂单元,以使所述机械臂单元根据所述距离偏差量控制载荷平台的位姿运动距离,直至第一相对距离等于第二相对距离。
本发明的地面半物理仿真系统可以为大尺度高精度分布式空间系统的姿态指向控制实时仿真提供了一种新的思路,增强了空间系统姿态指向协同控制的可靠性和安全性,具有较好的工程应用前景和推广价值;
本发明的地面半物理仿真系统针对如空间引力波飞行器系统等的大尺度高精度分布式空间系统的动力学与协同控制技术可以进行仿真,全面覆盖了单星扫描、捕获、跟踪指向到多星互扫、相互捕获、协同指向的整个动态过程,且能从控制回路的角度上,验证所设计的姿态协同控制器性能。
本发明的地面半物理仿真系统通过机器人分系统的设计以及地面半物理仿真试验系统的搭建,实现了模拟飞行器Ⅲ平台在空间中的位置、姿态分别运动以及位姿耦合运动,可以实时模拟飞行器Ⅲ在位置、姿态共用执行器的状态下,其在空间中的运动和控制,提高了仿真试验的真实性。且每个分系统独立配置测量设备,能对每个分系统的状态作记录,能对仿真试验进行高精度的评估,提升了仿真验证的可信度,能保证姿态指向协同控制算法在实时仿真试验中的合理性、有效性与精度。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统,其特征在于,包括:
三轴气浮台分系统、用于模拟第一飞行器的姿态的三轴气浮平台、单轴气浮台分系统、用于模拟第二飞行器的姿态的单轴气浮平台、用于模拟第三飞行器的姿态载荷平台以及综合监测管控分系统;
所述综合监测管控分系统,用于在检测到载荷平台完成第一姿态指向后,计算得到用于控制所述三轴气浮台的姿态指向的第一期望姿态旋转矩阵,并将所述第一期望姿态旋转矩阵发送至三轴气浮台分系统,以使所述三轴气浮台分系统控制三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同;其中,第一姿态指向为载荷平台在预设载荷平台坐标系的第一方向轴上的姿态指向;
所述单轴气浮台分系统,还用于在检测到三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同完成,且检测到三轴气浮平台完成第二姿态指向时,计算得到用于控制单轴气浮平台的姿态指向的第二期望姿态旋转矩阵,并根据所述第二期望姿态旋转矩阵控制单轴气浮平台的姿态指向与所述第二姿态指向协同;其中,第二姿态指向为三轴气浮平台在预设三轴气浮平台坐标系的任意一方向轴上的姿态指向;
所述综合监测管控分系统,还用于在检测到载荷平台完成第三姿态指向后,计算用于控制单轴气浮平台的姿态指向的第三期望姿态旋转矩阵,并将所述第三期望姿态旋转矩阵发送至单轴气浮台分系统,以使所述单轴气浮台分系统控制单轴气浮平台的姿态指向与所述第三姿态指向协同;其中,所述第三姿态指向为载荷平台在预设载荷平台坐标系的第二方向轴上的姿态指向;
所述综合监测管控分系统,还用于在检测到载荷平台完成第一姿态指向以及第三姿态指向,且判定载荷平台的位置、三轴气浮平台的位置以及单轴气浮平台的位置满足预设距离条件时,确定载荷平台、三轴气浮平台以及单轴气浮平台完成多航天器间的仿真协同指向。
2.如权利要求1所述的一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统,其特征在于,还包括:用于作为第三飞行器的地面模拟系统的机器人分系统;
所述机器人分系统,包括:地面控制单元以及机械臂单元;
所述载荷平台,包括:扫瞄镜单元以及用于模拟第三飞行器的地面模拟体;
所述扫瞄镜单元,用于在地面模拟体的运动过程中,根据地面模拟体的姿态和位置生成二维成像平面;并在捕获到三轴气浮台上的第一靶标时,根据所述第一靶标在所述二维成像平面的投影,与所述二维成像平面的中心的距离计算得到第一偏差量,继而将所述第一偏差量发送至地面控制单元;
所述地面控制单元,用于根据所述第一偏差量计算得到第一旋转矩阵,并将所述第一旋转矩阵发送至机械臂单元,以使所述机械臂单元根据第一旋转矩阵控制载荷平台的姿态指向,直至载荷平台完成第一姿态指向;
所述地面控制单元,还用于在检测到载荷平台完成第一姿态指向后,将载荷平台在预设惯性坐标系下的第一位置向量发送至所述综合监测管控分系统。
3.如权利要求2所述的一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统,其特征在于,所述单轴气浮台上设置有第二靶标;
所述扫瞄镜单元,还用于在地面模拟体的运动过程中,根据地面模拟体的姿态和位置生成二维成像平面;并在捕获到单轴气浮台上的第二靶标时,根据所述第二靶标在所述二维成像平面的投影与所述二维成像平面的中心计算得到第二偏差量,继而将所述第二偏差量发送至地面控制单元;
所述地面控制单元,还用于根据所述第二偏差量计算得到第二旋转矩阵,并将所述第二旋转矩阵发送至机械臂单元,以使所述机械臂单元根据第二旋转矩阵控制载荷平台的姿态指向,直至载荷平台完成第三姿态指向。
4.如权利要求3所述的一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统,其特征在于,所述综合监测管控分系统,还包括:若干光学运动捕捉单元;
每一光学运动捕捉单元,用于检测载荷平台的姿态指向,在检测到载荷平台完成第一姿态指向时生成载荷平台的第一姿态指向完成结果,以及在检测载荷平台完成第三姿态指向时生成载荷平台的第三姿态指向完成结果。
5.如权利要求4所述的一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统,其特征在于,所述综合监测管控分系统,用于计算得到用于控制所述三轴气浮台的姿态指向的第一期望姿态旋转矩阵,包括:
所述综合监测管控分系统,在检测到载荷平台完成第一姿态指向时,接收所述地面控制单元发送的第一位置向量;
接收三轴气浮台分系统发送的三轴气浮平台在预设惯性坐标系下的第二位置向量以及三轴气浮平台在预设惯性坐标系下的第一姿态旋转矩阵;
根据所述第一位置向量以及第二位置向量,计算得到三轴气浮平台在预设惯性坐标下的目标位置向量,继而根据所述目标位置向量计算得到三轴气浮平台处于目标位置向量时对应的在预设惯性坐标下的目标姿态旋转矩阵;其中,所述目标位置向量用于表征三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同时对应的期望位置向量;
根据所述第一姿态旋转矩阵以及目标姿态旋转矩阵,计算得到用于指示姿态偏差量的第一期望姿态旋转矩阵;其中,所述第一期望姿态旋转矩阵为三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同时对应的期望姿态旋转矩阵。
6.如权利要求5所述的一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统,其特征在于,所述根据所述第一位置向量以及第二位置向量,计算得到三轴气浮平台在预设惯性坐标下的目标位置向量,继而根据所述目标位置向量计算得到三轴气浮平台处于目标位置向量时对应的在预设惯性坐标下的目标姿态旋转矩阵,包括:
根据如下公式计算得到目标位置向量:
其中,为三轴气浮平台在预设惯性坐标下的目标位置向量,/>为载荷平台在预设惯性坐标系下的第一位置向量,/>为三轴气浮平台在预设惯性坐标系下的第二位置向量;
根据如下公式计算得到目标姿态旋转矩阵:
其中,为三轴气浮平台处于目标位置向量时对应的在预设惯性坐标下的目标姿态旋转矩阵,/>为三轴气浮平台在预设惯性坐标下的目标位置向量。
7.如权利要求6所述的一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统,其特征在于,所述根据所述第一姿态旋转矩阵以及目标姿态旋转矩阵,计算得到用于指示姿态偏差量的第一期望姿态旋转矩阵,包括:
根据如下公式计算得到第一期望姿态旋转矩阵:
其中,为第一期望姿态旋转矩阵,/>为目标姿态旋转矩阵,/>为三轴气浮平台在预设惯性坐标系下的第一姿态旋转矩阵。
8.如权利要求7所述的一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统,其特征在于,所述三轴气浮台分系统控制三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同,包括:
所述三轴气浮台分系统根据所述第一期望姿态旋转矩阵控制三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同。
9.如权利要求7所述的一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统,其特征在于,所述三轴气浮台分系统控制三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同,包括:
所述三轴气浮台分系统,在接收到第一期望姿态旋转矩阵时,同时接收载荷平台在预设惯性坐标系下的第二姿态旋转矩阵;
根据所述第一期望姿态旋转矩阵以及第二姿态旋转矩阵,计算得到一致性关系式,继而根据所述一致性关系式控制三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同;
其中,所述一致性关系式为:I3代表三阶单位矩阵,/>为载荷平台在预设惯性坐标系下的第二姿态旋转矩阵。
10.如权利要求1所述的一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统,其特征在于,所述判定载荷平台的位置、三轴气浮平台的位置以及单轴气浮平台的位置满足预设距离条件时,确定载荷平台、三轴气浮平台以及单轴气浮平台完成多航天器间的仿真协同指向,包括:
所述扫瞄镜单元,包括:用于扫描三轴气浮平台的第一扫描镜,以及用于扫描单轴气浮平台的第二扫描镜;
所述综合监测管控分系统,在所述第一扫描镜和所述第二扫描镜处于同一平面,且第一扫描镜与三轴气浮平台的夹角,以及第二扫描镜与单轴气浮平台的夹角均为同一预设角度时,判断载荷平台与单轴气浮平台的第一相对距离是否等于三轴气浮平台与单轴气浮平台的第二相对距离;
若是,则确定载荷平台、三轴气浮平台以及单轴气浮平台完成多航天器间的仿真协同指向,并将载荷平台、三轴气浮平台以及单轴气浮平台各自对应的位置信息以及姿态信息进行显示;
若否,则确定载荷平台、三轴气浮平台以及单轴气浮平台未完成多航天器间的仿真协同指向,计算出第一相对距离与第二相对距离之间的距离偏差量,并将距离偏差量发送至机械臂单元,以使所述机械臂单元根据所述距离偏差量控制载荷平台的位姿运动距离,直至第一相对距离等于第二相对距离。
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CN202311102052.5A CN117075495A (zh) | 2023-08-30 | 2023-08-30 | 一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统 |
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CN117584139A (zh) * | 2024-01-19 | 2024-02-23 | 北京控制工程研究所 | 一种空间机器人的全重力卸载试验系统及方法 |
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- 2023-08-30 CN CN202311102052.5A patent/CN117075495A/zh active Pending
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