空间绳系组合体防冲击缓冲释放控制方法及实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空间绳网捕获后绳系组合体的控制，尤其涉及一种空间绳系组合体防 冲击缓冲释放控制方法及实验装置。
【背景技术】
[0002] 空间绳网捕获系统作业一般可分解为交会接近、绳网发射、目标物包裹与锁紧、拖 曳离轨以及目标物分离等任务过程，这些过程一般需要通过系绳收放和张力控制配合实 现。目标物捕获过程是一个比较复杂的过程，任务平台通过跟瞄系统接近目标物，在绳网发 射前尽量使两者速度差控制在一定小范围内，但跟瞄系统测量误差和任务任务平台控制误 差，绳网发射、绳网与目标物的碰撞、绳网收口包裹等环节都会产生两者能量的交换。所以， 在绳网完成捕获后，任务平台与目标物的运动速度一般是不同的，两者接近会使两刚体发 生碰撞冲击，两者远离会使系绳产生张紧压力使得得两者再次拉拢而发生冲击，使得捕获 任务失败，提出的策略是，当两者接近时，任务平台主动避让，并当松驰的系绳张紧时采用 防冲击缓冲控制策略，使两者产生平动(无相对平动速度），同样，对相对速度远离时也采用 此控制策略。空间绳网捕获系统在捕获后短时内需进行防冲击缓冲控制，其目的就是要通 过系绳张力控制实现系统防冲击的目的。另外，柔性系绳张力是一种被动力，必须要有外力 作用系绳上才会产生张力而且张力大小也是由外力决定，而张力作用的直接结果就是使系 绳发生变形，从系绳张力产生机理层面来说其产生方式是千差万别的，故要建立普适性的 张力模型是不现实的，必须结合具体应用来分析。空间绳系组合体的系绳张力控制有其特 殊性，如系统所处的环境是微重力环境受到的约束较少，空间动力学模型和地面模型有差 另IJ，空间绳网捕获后的绳系组合体的防冲击缓冲控制是一项亟需解决的基础性的关键技 术。
【发明内容】
[0003] 针对上述绳网捕获后因目标物相对于任务平台的速度引起系统冲击，本发明的目 的在于提供一种空间绳系组合体防冲击缓冲释放控制方法及实验装置，是一种控制响应灵 敏、张力跟踪迅速的绳系组合体速度-张力双闭环防冲击缓冲释放控制方法及实验装置
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0005] -、一种空间绳系组合体防冲击缓冲释放控制方法，该方法的步骤如下：
[0006] 步骤1)设定任务平台与目标物的指令速度差Δ Vre3f = 〇，与测量的实际速度差Δ v 进行比较，并假设二者的差值ev;
[0007] 步骤2)指令速度差Δ Vref与实际速度差Δ v的差值ev作为比例控制器P的输入，并 假设比例控制系数为kpl;
[0008] 步骤3)假设任务平台上施加的沿组合体运动正方向的机动推力为F，为使实际速 度差△ v平衡点在零点，需要对系统进行前馈补偿，且补偿系数为Km=m2/( mi+m2)，其中血为 任务平台的质量，m2为目标物质量；
[0009] 步骤4)速度环的输出kplev与任务平台的前馈补偿之和(kple v+KmF)作为指令张力 FTref，指令张力FTref与实际张力Ft进行比较，并假设张力差值为e T;
[0010] 步骤5)张力差值eT作为PID控制器的输入，经PID控制器后的输出量作为系绳收放 装置伺服电机的驱动电压U;
[0011] 步骤6)假设空间绳系组合体的开环传递函数为W(s)，则系绳收放装置伺服电机的 驱动电压U与机动推力F作为系统开环传递函数W(s)的输入，共同作用于空间绳系组合体， 实现空间绳系组合体的防冲击缓冲控制。
[0012] 所述PID控制器为抗积分饱和PID控制器，防止因执行机构输出有限，造成PID控制 器输出饱和现象。
[0013] 二、一种空间绳系组合体防冲击缓冲释放控制实验装置
[0014] 本发明包括主控计算机、视觉检测设备、光学标识、目标物仿真器、弹性系绳、系绳 收放装置、任务平台仿真器和基础平台；任务平台仿真器与目标物仿真器均通过各自底部 的气浮轴承使两者在基础平台上处于"悬浮"状态，任务平台仿真器内安装有系绳收放装 置，系绳收放装置内的弹性系绳与目标物仿真器中的绳栓相连接，通过系绳收放装置控制 系绳的收放和张力控制;视觉检测设备安装在基础平台的正上方，视觉检测设备与主控计 算机相连接，视觉检测设备与任务平台仿真器和目标物仿真器上表面的光学标识共同完成 系统的位置和姿态检测。
[0015] 所述基础平台下面四角上分别设有可调支架，每个可调支架上均装有基础平台的 水平调节螺母。
[0016] 所述任务平台仿真器，包括系绳收放装置、第一蓄电池，第一、第二高压气瓶，第 一、第二可控气阀，第一、第二推力喷气嘴，第一、第二、第三气浮轴承，第一圆形底板和第一 控制主板;第一、第二、第三气浮轴承均布于第一圆形底板的下底面，系绳收放装置放置在 第一圆形底板中心位置处，系绳收放装置的两侧对称放置有第一、第二高压气瓶，第一、第 二高压气瓶分别连接第一、第二可控气阀，第一、第二高压气瓶安装在第一底板上面，系绳 收放装置的后面放置第一蓄电池与第一控制主板;第一、第二高压气瓶的出口分别与第一、 第二可控气阀的进气孔连接，第一可控气阀的三个出气口分别与第一、第二、第三气浮轴承 的进气口连接，第二可控气阀的两个出气口分别与第一、第二推力喷气嘴连接。
[0017] 所述目标物仿真器，包括第二蓄电池，第三、第四高压气瓶，第三、第四可控气阀， 第三、第四推力喷气嘴，第四、第五、第六气浮轴承，第二圆形底板和第二控制主板;第四、第 五、第六气浮轴承均布于第二圆形底板的下底面，绳柱的两侧对称放置有第三、第四高压气 瓶，第三、第四高压气瓶分别连接第三、第四可控气阀，第三、第四高压气瓶安装在第二底板 上面，第三、第四高压气瓶后面放置第二蓄电池与第二控制主板;第三、第四高压气瓶的出 口分别与第三、第四可控气阀的进气孔连接，第三可控气阀的三个出气口分别与第四、第 五、第六气浮轴承的进气口连接，第四可控气阀的两个出气口分别与第三、第四推力喷气嘴 连接。
[0018] 本发明具有的有益效果是：
[0019] 1、本发明提供了简单、有效的绳系组合体防冲击缓冲控制方法，能够通过对系绳 的张力控制对组合体实现防冲击缓冲控制避免系统冲击和碰撞。具有控制简单、控制响应 快、鲁棒性强、工程实现方便等优点。此方法适用于一般性场合的空间绳系系统的控制。
[0020] 2、本发明提供了可以模拟空间失重环境的地面防冲击缓冲实验平台，此平台具有 广义适用性，可进行其他相关的空间模拟实验。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明的空间绳网捕获目标物后的绳系组合体模型。
[0022]图2是本发明的速度-张力双闭环控制系统原理图。
[0023]图3是本发明的地面气浮实验平台示意图。
[0024]图4是本发明的任务平台仿真器结构原理图。
[0025]图5是本发明的目标物仿真器结构原理图。
[0026]图6是本发明的系绳收放装置结构原理图。
[0027] 图中：1、任务平台，2、系绳收放装置，3、空间系绳，4、目标物，5、主控计算机，6、视 觉检测设备，7、光学标识，8、目标物仿真器，9、弹性系绳，10、任务平台仿真器，11、调节螺 母，12、可调支架，13、基础平台，14、蓄电池，15、高压气瓶，16、可控气阀，17、推力喷气嘴， 18、导气管，19、气浮轴承，20、圆形底板，21、控制主板，22、绳柱，23、电磁刹车，24、伺服电 机，25、减速器，26、锥齿轮，27、卷筒，28、驱动器，29、走绳板，30、绳长测量模块，31、张力传 感器，32、角度测量模块，33、底板。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0029] 如图1所示，空间绳网捕获系统完成捕获后，假设目标物4存在相对任务平台1的初 始速度，将对空间系绳3造成较大的冲击，当存在任务平台1喷气推力F时，则系统会在系绳 的弹性作用下存在持续的振动，不利于组合体的稳定，考虑通过系绳收放装置对系绳释放 达到组合体防冲击的目标。
[0030] 系统假设如