一种运载火箭加泄连接器自动对接控制方法与流程

本发明涉及一种运载火箭加泄连接器自动对接控制方法，属于运载火箭地面设备加注技术领域。

背景技术：

运载火箭或导弹与地面设备之间的气、液接口设备一般称为连接器。在发射之前，运载火箭一直通过箭上的接口与连接器连接在一起，完成运载火箭的各项测试。

目前我国运载火箭的连接器与箭上的接口对接全部依靠人工完成，尤其是推进剂加注和泄出连接器(简称“加泄连接器”)，由操作人员采取手动直接操作方式进行加泄连接器与箭体接口之间的连接，而运载火箭的液态推进剂具有易燃、易爆、易挥发及强腐蚀性的显著特性，少量吸入或接触即可能导致人员中毒，出现伤亡事故。

随着我国新一代重型运载火箭发展，加泄连接器的质量也在不断增大，正在逐步超出人力的能力范围；而由于技术的发展，对发射过程提出了快速、安全、可靠等要求，人工对接的方式已经不能满足相应要求。

现在的加泄连接器由操作人员手动对接的方式，由于推进剂本身的低温、有毒等特点，导致人员在现场操作存在巨大的安全隐患；同时，手动操作方式耗时较长，且不同操作人员间的操作时间不一致，不能满足快速对接要求。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种工程上可实现的、快速的运载火箭加泄连接器控制流程方法。首先，提出的自动对接控制方法实现加泄连接器自动对接可解决人员手动操作带来的安全风险；其次，自动对接过程快速，避免不同的操作人员手动操作带来的对接过程时间不一致问题，有助于运载火箭加注发射流程的优化。

本发明的技术解决方案是：一种运载火箭加泄连接器自动对接控制方法，步骤如下：

(1)根据火箭在地面与加泄连接器自动对接过程中的晃动和局部变形的最大包络范围，控制六自由度运动机构沿着轴向运动至最大包络范围的边缘，完成接近运动阶段；

(2)根据火箭在地面与加泄连接器自动对接过程中的晃动和局部变形的最大包络范围，确定加泄连接器与运载火箭推进剂加注口不发生碰撞的最小距离，除加泄连接器沿至运载火箭推进剂加注口的方向运动的运动自由度以外，调整其余五个自由度后，使加泄连接器与运载火箭推进剂加注口在其余五个自由度的位置和姿态一致，完成粗对接阶段；

(3)保持其余五个自由度的位置和姿态的实时调整，使加泄连接器与运载火箭推进剂加注口在其余五个自由度的位置和姿态始终实时保持一致，驱动加泄连接器沿加泄连接器与运载火箭推进剂加注口的直线连接线，向运载火箭推进剂加注口运动，直至加泄连接器沿加泄连接器与运载火箭推进剂加注口接触上后完成对接。

所述步骤(5)中的六自由度伺服运动满足误差要求的伺服控制中需要加入顺馈控制，满足步骤(1)所述六自由度的机械结构的耦合问题，即当一个自由度运动时，其余自由度也为发生轻微运动的问题。

所述的加泄连接器指运载火箭与推进剂加注设备之间的连接装置，加泄连接器包括加注管路和外围设备，呈圆柱体形状，加泄连接器自动对接过程为将加泄连接器安装于一个具备空间六自由度运动能力的机构上，通过控制流程及控制算法驱动此机械结构完成加泄连接器与运载火箭箭体的连接；

所述最大包络范围是指：火箭的尾端面固定在发射平台上，由于自身的结构强度和风载的影响，会出现晃动和局部变形的情况，运载火箭推进剂加注口晃动的最大范围即为最大包络范围。

所述空间六自由度运动的机械结构，即六自由度运动机构上，六自由度即三个平动自由度、三个转动自由度运动。

所述加泄连接器沿加泄连接器与运载火箭推进剂加注口接触上后满足对接精度误差要求后完成对接。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明提出的控制方法未涉及到具体的空间六自由度运动机构，即将控制方法脱离于具体的机构，增强了方法的通用性，使本发明的控制方法适用于任意形式的空间六自由度运动机构；

(2)将自动对接过程分为三个阶段，按阶段完成对接动作，避免同时进行六自由度对接运动时，由于对接控制过程中产生的超调量过大，而引入的加泄连接器与运载火箭推进剂加注口相撞的风险。

(3)现有制造工艺条件下，不存在完全解耦的六自由度运动机构，即不存在可以使作动器和自由度完全一一对应的六自由度运动机构，而耦合的存在会导致对接精度下降。本发明通过引入顺馈控制，大大减轻耦合对对接精度的影响。

(4)在运载火箭发动机紧急关机时，需要进行加泄连接器对接以实现推进剂的泄出工作，此时对对接时间有严格的要求，本发明提出的自动对接控制方法，可实现快速、耗时精准的自动对接过程。

(5)本发明提出的自动对接控制方法控制流程明确，将空间六自由度的对接过程，描述为六自由度跟踪运动，分阶段分别对不同自由度进行跟踪过程，工程上可实现，填补了国内运载火箭加泄连接器自动对接控制方法领域的空白。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的坐标定义和位姿空间示意图。

具体实施方式

本发明一种运载火箭加泄连接器自动对接控制方法，提出一种基于空间六自由度运动进行运载火箭加泄连接器和运载火箭推进剂加注口的对接控制方法，不受六自由度运动机构的具体机械结构形式的限制。首先将加泄连接器与运载火箭箭体推进剂接口的自动对接过程分为三个阶段——接近运动阶段、粗对接阶段及精对接阶段，然后将连接器轴向运动与其余运动分离，在对接的不同阶段分别使运载火箭加泄连接器和运载火箭推进剂加注口的在不同自由度上进入稳定服跟踪阶段，实现运载火箭加泄连接器与运载火箭推进剂加注口的快速对接的同时，避免由于跟踪过程中的超调过大导致运载火箭加泄连接器与运载火箭推进剂加注口相撞的风险，并在精对接阶段引入顺馈控制解决六自由度运动耦合现象。

本发明的基本思路为：一种运载火箭加泄连接器自动对接控制流程方法，步骤如下：(1)所述的加泄连接器指运载火箭与推进剂加注设备之间的连接装置，加泄连接器一般为加注管路和外围设备，呈圆柱体。加泄连接器自动对接过程为将加泄连接器安装于一个具备空间六自由度运动的机械结构上，即三个平动自由度、三个转动自由度运动，通过控制流程及控制算法驱动此机械结构完成加泄连接器与运载火箭运载火箭推进剂加注口的连接；(2)运载火箭在自动对接过程中，由于自身的结构强度和风载的影响，会出现晃动和局部变形的情况，通过一定手段可测定其晃动和局部变形的最大包络范围；(3)本发明将自动对接过程分为三个阶段，接近运动阶段、粗对接阶段、精对接阶段；接近运动阶段过程中，控制加泄连接器轴向运动至(2)中所述的最大包络范围边缘；(4)(1)中所述自动对接可实现六自由度的运动，在完成(3)中的接近运动阶段后，进入粗对接阶段，主要进行加泄连接器除轴向自由度外的其余五个自由度的伺服运动，使其至与箭体接口运动的其余五个自由度的运动一致；(5)在完成(4)中粗对接后，保持(4)中所述的其余五个自由度的伺服控制，同时进行加泄连接器轴向自由度的伺服运动，当加泄连接器六个自由度的伺服运动均满足误差要求后，自动对接完成。如图1所示，一种运载火箭加泄连接器自动对接控制方法，步骤如下：

(1)根据火箭在地面与加泄连接器自动对接过程中的晃动和局部变形的最大包络范围，控制六自由度运动机构沿着轴向运动至最大包络范围的边缘，完成接近运动阶段；

(2)根据火箭在地面与加泄连接器自动对接过程中的晃动和局部变形的最大包络范围，确定加泄连接器与运载火箭推进剂加注口不发生碰撞的最小距离，除加泄连接器沿至运载火箭推进剂加注口的方向运动的运动自由度以外，调整其余五个自由度后，使加泄连接器与运载火箭推进剂加注口在其余五个自由度的位置和姿态一致，完成粗对接阶段；

(3)保持其余五个自由度的位置和姿态的实时调整，使加泄连接器与运载火箭推进剂加注口在其余五个自由度的位置和姿态始终实时保持一致，驱动加泄连接器沿加泄连接器与运载火箭推进剂加注口的直线连接线，向运载火箭推进剂加注口运动，直至加泄连接器沿加泄连接器与运载火箭推进剂加注口接触上后完成对接。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

运载火箭加泄连接器安装于具备空间六自由度运动能力的机构，即六自由度机构上。将六自由度机构按照各自由度的耦合程度分，可以分为完全解耦状态机构、部分耦合状态机构与严重耦合状态的机构。其中完全解耦状态是一种理想的状态，此种机构的每一个自由度都严格对应一个驱动机构，即作动器，也就是说，六个驱动机构与六个自由度形成一一对应的映射关系；而部分耦合状态的机构是指当进行某一自由度上的运动时，需要2-5个驱动机构的动作才可以实现的机构；严重耦合状态的机构是指当进行某一自由度上的运动时，需要6个驱动机构都进行动作才能实现的机构。

完全解耦状态的机构是理想情况，实际上并不存在此种机构，根据上述对完全解耦状态的描述可知，取完全解耦状态的机构的描述为：各自由度之间互不干扰，其中三个线运动由电动缸驱动，三个角运动由电动机驱动，将加泄连接器前端轴心作为机构末端位置。

本发明的实际工程实现可根据实际安装空间和动作空间需要，选用任意具备空间六自由度运动能力的机构。对于不同的机构，仅需完成不同的逆运动学计算即可实现动作，即通过加泄连接器运动的目标广义坐标，换算出对于不同的机构的作动器的线位移和角位移即可。

建立坐标系如下：由于加泄连接器呈圆柱体形状，因此选择在连接器的前端轴心处建立惯性坐标系oi-xiyizi与连接器前端轴心的连体坐标系oc-xcyczc，两个坐标系的初始位姿完全重合，其中连体坐标系oc-xcyczc在自动对接系统工作过程中随连接器一起运动，并且连体坐标系与加泄连接器的相对位置保持不变，即加泄连接器各部分在连体坐标系下的坐标保持不变。坐标示意图如图2所示。

如图2所示，以连接器前端轴心为坐标原点oi(oc)；xi(xc)轴正方向指向铅垂向上方向，zi(zc)轴与水平线平行，方向指向连接器外部，yi(yc)轴由右手定则确定。

根据坐标定义，连体坐标系oc-xcyczc相对于惯性坐标系oi-xiyizi的位姿可以使用广义坐标向量qc来表示，其中tc为连体坐标系原点在惯性坐标系下的坐标向量tc＝[xc,yc,zc]^t，pc为连体坐标系在惯性坐标系系下的姿态角(欧拉角)，其中其中，为连体坐标系绕xi轴旋转角度，也称为偏航角或偏转角；θc为连体坐标绕yi轴旋转角度，也称为俯仰角；φc为连体坐标系绕zi轴旋转角度，也称为滚转角。

由于连体坐标系原点一直与连接器前端轴心重合，并且连体坐标系与连接器相对位置不变。因此通过对连体坐标系的位姿描述，就可以将连接器前端轴心的位姿描述出来，即通过对广义坐标向量就可以确定连接器在惯性坐标系下的空间位姿。

在未晃动条件下，运载火箭推进剂加注口在惯性坐标系下的初始位姿的广义坐标为(0,0,1,0,0,0)，推进剂加注口的晃动包络范围为(±0.1，±0.1，1±0.1，±1，±1，±1)，其中姿态坐标的单位为弧度，位置坐标的单位为米。

将自动对接过程分为三个阶段：接近运动阶段、粗对接阶段、精对接阶段。自动对接过程时间为15s，0～5s为接近运动阶段，5～8s为粗对接阶段，8～15s为精对接阶段。

则控制流程如下：

1)接近运动阶段：t＝0～5s时，控制六自由度机构使加泄连接器沿zi轴方向移动至惯性坐标系下广义坐标(0，0，0.85，0，0，0)处，即先运动到距离运载火箭推进剂加注口晃动最大包络范围0.05m处，处于最大包络范围之外，接近运动阶段采用恒速度规划，速度值为0.17m/s，主要是使连接器运动到0.85m处运载火箭推进剂加注口目标最大包络范围外时能够准确定位，不会因为超调导致进入到运载火箭推进剂加注口晃动最大包络范围内，以降低撞击的潜在风险。

2)粗对接阶段：t＝5～8s时，惯性坐标系下，zi＝0.85并垂直于z轴的铅垂面内，控制六自由度机构使加泄连接器在惯性坐标系的广义坐标，即连体坐标系在惯性坐标系下的广义坐标，除zi方向的坐标外与运载火箭推进剂加注口在惯性坐标系的广义坐标保持一致，即控制加泄连接器对运载火箭推进剂加注口进行xi、yi、偏航、俯仰、滚转方向的随动运动，使以上五个自由度能够顺利进入随动跟踪的误差允许范围之内。完成粗对接阶段。

3)精对接阶段：t＝8～15s时，控制六自由度机构使加泄连接器在保持对运载火箭推进剂加注口在惯性坐标系中xi、yi、偏航、俯仰、滚转方向随动运动的基础上，沿zi轴正方向运动，即加泄连接器向运载火箭推进剂加注口方向运动以完成对接。此阶段实时计算运载火箭推进剂加注口与加泄连接器在zi轴坐标差值，当差值小于对接误差阈值时，自动对接精对接阶段完成。由于六自由度机构各自由度方向的动作存在耦合现象，精对接阶段在惯性坐标系下的六个自由度的运动上均位置顺馈控制，以提升对接精度，使精对接阶段可以快速完成。

按照本发明的控制方法进行仿真计算及样机试验，在15s内可完成加泄连接器与运载火箭推进剂加注口的自动对接，并且控制过程产生的超调量不会导致撞击风险，样机试验过程中选择六自由度并联和串联机构均可完成自动对接，表明本发明的控制方法不受具体机构的限制，具备通用性。