空间失效卫星操控综合试验系统的制作方法

本发明涉及空间碎片和失效卫星在轨服务，具体涉及一种空间失效卫星操控综合试验系统。

背景技术：

自20世纪90年代以来，美、欧、日等发达国家和地区以空间机器人技术为依托，积极开展了在轨航天器为任务目标的在轨服务研究。但多以合作目标的在轨捕获、燃料加注、关键部件更换等为主。对于具有更大应用前景的空间碎片和失效卫星在轨服务未见报道。

为研究空间操控飞行器在空间微重力环境下的抓捕运动学和动力学特性，以及验证各种关于操控飞行器控制方案的可行性和有效性，需要建立相应地面试验系统，模拟在复杂的空间环境下操控飞行器完成抓捕任务。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

技术实现要素：

为了解决在地面实现针对配置有多个机械臂的服务星完成对空间失效目标星抓捕与操控的试验验证，本发明提出了空间失效卫星操控综合试验系统。

本发明所采用的技术方案是：

空间失效卫星操控综合试验系统，包括中央控制单元、测控单元、运动与环境模拟单元、操控机械臂单元、遥操作单元和视景仿真单元，所述测控单元是所述中央控制单元、运动与环境模拟单元、操控机械臂单元、遥操作单元和视景仿真单元进行信息交互的中枢环节，所述中央控制单元用于空间失效目标操控动力学与控制模型的开发和下载，仿真过程中进行数据存储和监控；所述测控单元用于运行各类动力学与控制软件、数据采集和处理软件、测控软件，并完成各控制指令的实时生成和发送；所述运动与环境模拟单元用于模拟空间中服务星、目标星运动；所述操控机械臂单元用于模拟对失效目标星的空间捕获；所述遥操作单元用于通过遥操作控制操控平台和机械臂运动，完成指定任务；所述视景仿真单元用于根据数学仿真和实测数据，驱动视景模型，再现空间操控过程。

较佳的，所述运动与环境模拟单元包括两个六自由度的大型工业机械臂和一个运动直线导轨，其中一个大型工业机械臂作为服务星运动模拟器，另一个大型工业机械臂作为目标星运动模拟器，所述服务星运动模拟器和所述目标星运动模拟器分别通过移动云台安装在所述运动直线导轨上。

较佳的，所述服务星运动模拟器末端通过服务星六维力传感器安装结构框架，所述操控机械臂单元布置在所述结构框架的上平面，所述服务星运动模拟器的上方固定服务星电缆随动系统。

较佳的，所述操控机械臂单元包括三套具有六自由度的操控机械臂、手眼视觉系统、操控机械臂六维力传感器和操控机械臂抓捕工具，三套所述操控机械臂布置在所述结构框架的上平面，所述手眼视觉系统安装在所述操控机械臂的末端，所述操控机械臂抓捕工具通过所述操控机械臂六维力传感器安装在所述操控机械臂的末端。

较佳的，所述结构框架的上平面还布置有一套双目视觉测量系统和一套激光成像雷达。

较佳的，所述目标星运动模拟器上方固定连接目标星电缆随动系统，目标星星箭对接面通过目标星六维力传感器安装在所述目标星运动模拟器末端。

较佳的，所述动力学与控制软件包括多机械臂协调控制软件、相对测量与导航软件、实现基于双目视觉测量系统和激光成像雷达的探测识别视觉软件和基于六维力传感器的机械臂控制以及多臂协调软件。

较佳的，所述运动与环境模拟单元还包括太阳光照模拟器，用于对目标星的光照模拟。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

本发明通过数学仿真和地面试验系统对控制方案进行验证，解决了由于空间机械臂抓捕空间失效目标星涉及复杂的机械臂与服务星平台耦合的动力学问题；

本发明进行了动力学数学建模，解决了在抓捕过程中，需要考虑机械臂和服务星平台测量误差、执行误差、接触碰撞等非线性问题；

本发明进行的试验模拟解决了在采用地面试验中涉及的空间六自由度大范围运动、空气阻力、重力等问题；

本发明提出了通过接入部分实物产品，建立半物理试验系统，实现地面模拟空间失效目标捕获操控试验。

附图说明

图1为本发明一实施例的空间失效卫星操控综合试验系统的实物图；

图2为本发明一实施例的空间失效卫星操控综合试验系统的结构框图；

图3为本发明一实施例的服务星模拟器的结构示意图；

图4为本发明一实施例的目标星模拟器的结构示意图。

图中，1-中央控制单元；2-测控单元；3-运动与环境模拟单元；4-操控机械臂单元；5-遥操作单元；6-视景仿真单元；301-运动直线导轨；302-服务星运动模拟器；303-服务星电缆随动系统；304-服务星六维力传感器；305-双目视觉测量系统；306-激光成像雷达；307-目标星运动模拟器；308-目标星电缆随动系统；309-目标星六维力传感器；310-目标星星箭对接面；401-操控机械臂；402-操控机械臂抓捕工具；403-手眼视觉系统；404-操控机械臂六维力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详尽的描述：

以下请综合参考图1至图4，空间失效卫星操控综合试验系统，包括中央控制单元1、测控单元2、运动与环境模拟单元3、操控机械臂单元4、遥操作单元5和视景仿真单元6；测控单元2提供相应的输入/输出通信接口，是中央控制单元1、运动与环境模拟单元3、操控机械臂单元4、遥操作单元5和视景仿真单元6进行信息交互的中枢环节；中央控制单元1用于空间失效目标操控动力学与控制模型的开发和下载，仿真过程中进行数据存储和监控；测控单元2用于运行各类动力学与控制软件、数据采集和处理软件、测控软件，并完成各控制指令的实时生成和发送，其中，所述动力学与控制软件包括多机械臂协调控制软件、相对测量与导航软件、实现基于双目视觉测量系统305和激光成像雷达306的探测识别视觉软件和基于六维力传感器的机械臂控制以及多臂协调软件；运动与环境模拟单元3用于模拟空间中服务星、目标星运动；操控机械臂单元4用于模拟对失效目标星的空间捕获；遥操作单元5用于通过遥操作控制操控平台和机械臂运动，完成指定任务；视景仿真单元6用于根据数学仿真和实测数据，驱动视景模型，再现空间操控过程。

所述的遥操作单元5与测控单元2有通信输入/输出通信接口，通过测控单元2给运动与环境模拟单元3和操控机械臂单元4发送控制指令，并在中央控制单元1和视景仿真单元6上实现实时状态显示。

所述的视景仿真单元6与测控单元2有通信接口，接收测控单元2发送的数据，并以可视化效果展示。

本发明的空间失效卫星操控综合试验系统用于在地面实现针对配置有多个机械臂的服务星完成对空间失效卫星抓捕与操控的试验验证。试验系统中两卫星轨道姿态动力学、卫星轨道姿态测量敏感器、执行器特性(飞轮、推力器等)、机械臂动力学均由数学模型模拟。卫星控制算法、相对导航和图像识别算法、机械臂控制算法为验证对象。两卫星的相对运动由工业机械臂实现，操控机械臂由地面模拟机械臂替代。末端抓捕工具和目标星抓捕部位(如星箭对接环)为实物。所述的试验系统为半物理系统。

本发明的空间失效卫星操控综合试验系统的工作原理为：

通过两个大型六自由度工业机械臂作为服务星及目标星运动模拟器307，以及结合一个运动直线导轨301实时模拟服务星和失效目标星的运动状态；通过三套六自由度的轻型工业机械臂作为操控机械臂单元4，末端带有六维力传感器、手眼视觉系统403以及操控机械臂抓捕工具402，通过视觉伺服控制完成对失效目标星的空间捕获任务；建立服务星及机械臂动力学模型，根据两卫星及机械臂位置姿态及受力状态，实时计算各模拟器的运动模拟量；手眼视觉系统403、六维力传感器实时测量两卫星相对位置和姿态关系及各自受力状态，作为两个卫星及机械臂动力学模型输入；根据运动模拟量和六维力传感器测量值解算各机械臂的控制指令，实现卫星及机械臂动力学的半物理仿真模拟。

运动与环境模拟单元3包括两个六自由度的大型工业机械臂、一个运动直线导轨301以及相应的接口和电缆。其中一个大型工业机械臂作为服务星运动模拟器302，用于实时模拟服务星的运动状态；另一个大型工业机械臂作为目标星运动模拟器307，用于实时模拟失效目标星的运动状态。服务星运动模拟器302和目标星运动模拟器307分别通过移动云台安装在运动直线导轨301上。运动与环境模拟单元3还包括太阳光照模拟器，具备光照模拟功能。其中，服务星的运动模拟又包括服务星本体的模拟和操控机械臂的模拟。

如图3所示，服务星运动模拟器302末端通过服务星六维力传感器304安装结构框架，操控机械臂单元4布置在结构框架的上平面，服务星运动模拟器302的上方固定服务星电缆随动系统303。其中，操控机械臂单元4包括三套具有六自由度的操控机械臂401、手眼视觉系统403、操控机械臂六维力传感器404和操控机械臂抓捕工具402，三套操控机械臂401布置在结构框架的上平面，朝向目标一侧；手眼视觉系统403安装在操控机械臂401的末端，操控机械臂抓捕工具402通过操控机械臂六维力传感器404安装在操控机械臂401的末端，可支持对目标的视觉跟踪、抓捕和力柔顺控制。服务星运动模拟器302和运动直线导轨301组合实现服务星空间六自由度运动和具备向目标星逼近的能力。服务星电缆随动系统303用于实现服务星在大范围运动时，试验系统电缆收放，从而确保运动模拟器的灵活性。服务星六维力传感器304用于测量操控机械臂401运动以及完成对失效目标抓捕过程中，对服务星的扰动载荷。结构框架的上平面还布置有一套双目视觉测量系统305和一套激光成像雷达306，用于实现对失效目标的相对测量。

如图4所示，目标星运动模拟器307通过移动云台安装在运动直线导轨301上方，目标星运动模拟器307上方固定连接目标星电缆随动系统308，目标星星箭对接面310通过目标星六维力传感器309安装在目标星运动模拟器307末端。其中，目标星运动模拟器307和运动直线导轨301组合实现目标星空间六自由度运动能力。目标星电缆随动系统308用于实现目标星在大范围运动时，试验系统电缆收放，从而确保运动模拟器的灵活性。目标星六维力传感器309用于测量操控机械臂401对目标星作用载荷，作为目标星运动状态解算的输入。目标星星箭对接面310用于双目视觉测量系统305和激光成像雷达306的探测识别，以及作为操控机械臂401的抓捕对象。

对于其他未叙述的部件功能，由附图中可以明显看出，且为本领域普通技术人员所熟知，在此不一一详述。

需要说明的是，上述只对本发明进行示意性的阐述和说明，对本发明的任意修改和替换，都属于本发明的保护范围。