基于多空间机器人的空间失效目标消旋抓捕一体化装置及方法与流程

本发明属于空间碎片清理领域，具体涉及一种基于多空间机器人的空间失效目标消旋抓捕一体化装置及方法。

背景技术：

人类对外太空的探索活动逐渐增加，带来效益的同时也对空间环境也产生了持续深远的影响，太空中残留的火箭末级、失效卫星、航天器任务抛弃物、航天器解体及碰撞衍生物等大量空间碎片对人类航天事业的发展已构成了巨大威胁。因此，空间碎片的主动移除迫在眉睫。空间碎片主动移除的首要关键是实施在轨捕获，而空间碎片大多是非合作目标，由于目标已失去姿态调整能力，且长期处于失控状态运行，受太阳光压、重力梯度等摄动力矩及失效前自身残余角动量的影响，往往会出现复杂的旋转运动，乃至最终趋向于自由翻滚运动。若能做到抓捕前将其转速减慢或直至静止，即消旋处理，将有利于后续的直接捕获及回收处理。

对翻滚非合作目标消旋是指利用外部控制力矩来衰减目标角速度，实现方式按作用力是否与目标接触可以分为接触式和非接触式两种。对于高速翻滚的目标，如果采用直接接触的方式进行消旋存在碰撞风险。非接触式方法则是采用气体冲击、静电力、电磁力、激光等非接触力对目标进行消旋，可以有效减少碰撞风险，在安全距离外作用消除目标的三轴转速。现有抓捕方式可以分为接触式和非接触式两类。其中，接触式又可以细分为以机械臂抓捕为代表的刚性抓捕和以飞网、飞爪等为代表的柔性抓捕。刚性抓捕对目标的合作性要求很高，而飞网、飞爪对目标速度和目标大小的要求比刚性抓捕要宽松一些，但是抓捕后很难开展对目标的维修、检测以及再利用。非接触式抓捕则是利用空间电磁力牵引或引力牵引等方式对目标进行捕获，不需要与目标发生直接接触。

2016年申请的国家发明专利《一种基于永磁涡流效应的空间翻滚目标消旋控制方法》，专利申请公布号cn106406329a，发明人：刘晓光等，利用机械臂末端携带的永磁涡流制动装置首先根据目标角速度实现修正输出外力矩直至消除目标的章动使目标变为单自旋状态；然后再调整永磁涡流制动装置位置至翻滚非合作目标侧面，启动永磁涡流制动装置，输出制动力矩直至单自旋运动状态完全衰减；最后将末端执行器更换为抓捕手爪，利用机械臂对目标进行直接捕获。

目前针对空间失效目标消旋抓捕的研究，大多都是只研究消旋或抓捕一个方面，而且一般都需要磁场发生装置和抓捕装置两套独立的装置分别用于消旋操作和抓捕操作，这在无形中增加了服务航天器的复杂性，同时也增加了空间失效目标消旋抓捕任务的复杂性。因此，需要提出一种结构复杂性和任务复杂性低同时可靠性又高的空间失效目标抓捕消旋一体化方法。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于多空间机器人的空间失效目标消旋抓捕一体化装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种多空间机器人的空间失效目标消旋抓捕一体化装置，其特征在于，包括多个用于限制空间失效目标运动的空间机器人，所述的空间机器包括空间机器人主体，空间机器人主体上设置有用于提供电能的太阳能帆板、用于构建磁场的亥姆霍兹线圈和用于抓捕空间失效目标的吸附组件；空间机器人主体内含有亥姆霍兹线圈工作时所需要的电源系统；消旋抓捕时，多个空间机器人均匀分布在空间失效目标的四周，并且相对的空间机器人上携带的亥姆霍兹线圈分别两两相对，形成空间磁场。

所述的亥姆霍兹线圈是用两个半径和匝数完全相同的通以同方向电流的线圈，将其同轴排列并令间距等于半径，串接而成。

所述的空间机器人的外表面上均匀地分布着多个吸附组件，吸附组件为吸盘。

空间机器人至少6个，且各个方位上空间机器人的个数一致。

一种基于多空间机器人的空间失效目标消旋抓捕一体化方法，包括以下步骤：

步骤1：构建空间机器人编队的构型：空间机器人接近空间失效目标，并均匀停靠在空间失效目标附近的安全距离内，使得停靠在空间失效目标相对方位的空间机器人携带的亥姆霍兹线圈分别相对，完成空间机器人编队的构型；

步骤2：磁场构建：接通亥姆霍兹线圈的电流，多组两两相对的亥姆霍兹线圈形成磁场；

步骤3：空间机器人编队测量目标角动量矢量方向及自旋轴位置矢量方向，进而确定需要构建的消旋磁场方向；

步骤4：调整三组线圈的电流，使得所构建的磁场的方向与当前消旋磁场的方向一致，对目标进行消旋直至目标旋转运动状态完全衰减；

步骤5：目标完全消旋后，切断亥姆霍兹线圈的电流；空间机器人转换为抓捕执行机构，进一步接近目标，将目标约束在空间机器人编队构成的空间区域内，接着调整机器人位置，通过机器人外表面上附着的吸附组件实现空间机器人与目标的稳定连接，完成对空间失效目标的捕获。

作为本发明进一步改进，步骤1中，空间机器人的外表面上均匀地分布着多个吸盘，作为空间机器人对空间失效目标抓捕时的连接组件。

作为本发明进一步改进，步骤1中，空间机器人至少6个，且各个方位上空间机器人的个数一致。

作为本发明进一步改进，步骤2中，构建的磁场是由3个两两垂直的磁场叠加而成的。

作为本发明进一步改进，步骤3中，以空间失效目标当前旋转运动的主轴方向矢量和章动运动方向矢量组成当前参考平面，以当前参考平面的垂直方向为需要建立当前消旋磁场的方向。

作为本发明进一步改进，步骤3中具体为：

设测量得到的空间失效目标当前时刻t旋转运动的主轴方向为p＝pxex+pyey+pzez，章动方向为n＝nxex+nyey+nzez，当前时刻相应的磁场htemp应该垂直于p和n所组成的平面，即

那么，当前时刻相应的磁场htemp的方向向量etemp为：

进一步，根据空间失效目标所需的消旋力矩，计算出需要的磁场强度的大小h，进而可以确定磁场强度的分量；其中，涡流转矩t的表达式为：

t＝r×f＝r×(qv×b)(5)

其中，r为外力作用点的位置矢量；f是空间失效目标所受到的电磁力，其表达式为f＝qv×b，这里q是空间失效目标所带的电荷量、v是空间失效目标切割磁感线的速度以及b是所产生磁场的磁感应强度；磁感应强度b与磁场强度h间存在如下关系：

其中，μ0是真空中的磁导率，μ0＝4π×10^-7韦伯/(米·安)；m是磁化强度；联立方程式(5)和(6)，可以得到磁场强度大小h，进一步可以确定所需消旋磁场的各个分量如下：

h＝hetemp＝hxex+hyey+hzez(7)

作为本发明进一步改进，步骤4中具体为：

以平行于xoy平面的亥姆霍兹线圈，两线圈之间的距离为线圈半径r，此时中心处的场强最均匀，得到其它两个平面的场强值；由于磁场强度与电流具有良好的线性关系，对于每个轴上的磁场大小，通过每组线圈中电流的大小进行调整，所需电流的表达式为：

对于一个确定的装置而言，线圈的匝数n和线圈半径的r是一个固定的数值；其它两组线圈的电流值为：

用计算得到的电流值控制电流发生装置，为相应的线圈输入电流，得到最佳的消旋磁场。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的一种基于多空间机器人的空间失效目标消旋抓捕一体化装置，利用装有亥姆霍兹线圈的空间机器人作为消旋抓捕一体化执行机构，在进行消旋时，接通空间机器人上亥姆霍兹线圈的电流形成磁场，对于处于磁场中的旋转碎片来说，切割磁力线在导体内部形成感应电动势，并产生涡流，涡流与磁场共同作用该涡流转矩为消旋性质；在对目标消旋后，关闭空间机器人上亥姆霍兹线圈的电流同时空间机器人进一步接近目标，将目标约束在空间机器人编队构成的空间区域内，防止目标逃走。结构简单，可以实现空间机器人兼具消旋和抓捕的功能，降低了服务航天器的结构复杂性。

本发明的一种基于多空间机器人的空间失效目标消旋抓捕一体化方法，利用装有亥姆霍兹线圈的空间机器人作为消旋抓捕一体化执行机构，在进行消旋时，接通空间机器人上亥姆霍兹线圈的电流形成磁场，对于处于磁场中的旋转碎片来说，切割磁力线在导体内部形成感应电动势，并产生涡流，涡流与磁场共同作用该涡流转矩为消旋性质；在对目标消旋后，关闭空间机器人上亥姆霍兹线圈的电流同时空间机器人进一步接近目标，将目标约束在空间机器人编队构成的空间区域内，防止目标逃走；最后，调整机器人位置，通过机器人外表面上附着的吸盘实现空间机器人与目标的稳定连接，完成对空间失效目标的捕获。具体优点为：

1)空间机器人兼具消旋和抓捕的功能，降低了服务航天器的结构复杂性；

2)空间机器人在消旋操作和抓捕操作切换时只需要控制电流的有无，降低了任务的复杂性；

3)直接利用空间机器人编队对空间失效目标抓捕，不需要精确的目标信息和固定的抓捕点，抓捕过程可靠性高；

4)利用构建分布在空间失效目标前后、左右和上下三个相互垂直方位的携带亥姆霍兹线圈的空间机器人编队的方式产生来磁场，安全可靠且可控；

5)在确定消旋磁场方向时充分考虑空间失效目标的旋转运动，消旋效率高。

附图说明

图1是空间失效目标消旋抓捕一体化过程示意图，其中(a)是消旋过程、(b)是包络过程、(c)是抓捕过程。

图2是空间机器人编队图，空间机器人分布在目标前后、左右以及上下6个方位；

图3是一组相对的空间机器人携带的亥姆霍兹线圈形成的磁场示意图；

图4是单个亥姆霍兹线圈示意图；

图5是空间失效目标一般运动形式示意图。

附图中：1—空间失效目标；2—单个空间机器人；3—空间机器人主体；4—太阳能帆板；5—亥姆霍兹线圈；6—吸盘；7—一组相对的空间机器人携带的亥姆霍兹线圈形成的磁场的磁感线。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供的一种基于多空间机器人的空间失效目标消旋抓捕一体化方法，包括以下步骤：

步骤1：空间机器人编队的构型构建。空间机器人接近目标，并均匀停靠在目标前后左右上下六个方位附近的安全距离内，要求停靠在目标前后、左右和上下方位的空间机器人携带的亥姆霍兹线圈分别相对，完成空间机器人编队的构型。空间机器人的外表面上均匀地分着吸盘，可以作为空间机器人和空间失效目标间的吸附组件。至少需要6个空间机器人，而且各个方位上空间机器人的个数完全一致。

步骤2：磁场构建。接通亥姆霍兹线圈的电流，前后、左右和上下方位分别两两相对的三组互相垂直的亥姆霍兹线圈形成磁场。构建的磁场，是由3个两两垂直的磁场叠加而成的，故通过控制磁场分量可以得到任意需要的磁场。

步骤3：空间机器人编队测量目标角动量矢量方向，自旋轴位置矢量方向，进而确定需要构建的消旋磁场方向。对于旋转运动来说，当磁场方向与物体旋转运动的主轴垂直时，其运动物体受到的涡流转矩最大，并且磁场强度越大，涡流转矩越大。所以，以空间失效目标当前旋转运动的主轴方向矢量和章动运动方向矢量组成当前参考平面，以当前参考平面的垂直方向为需要建立当前消旋磁场的方向。

步骤4：调整三组线圈的电流，使得所构建的磁场的方向与当前消旋磁场的方向一致，对目标进行消旋直至目标旋转运动状态完全衰减。

步骤5：目标完全消旋后，切断亥姆霍兹线圈的电流。空间机器人转换为抓捕执行机构，进一步接近目标，将目标约束在空间机器人编队构成的空间区域内，接着调整机器人位置，通过机器人外表面上附着的吸盘实现空间机器人与目标的稳定连接，完成对空间失效目标的捕获。由于空间机器人本身就是抓捕机构，通过多空间机器人约束空间失效目标的运动，故对空间失效目标抓捕时不需要精确的目标信息和固定的抓捕点。

如图1所示，空间机器人本身作为抓捕消旋一体化操作的执行机构。在对空间失效目标进行消旋操作时(图1中(a))，接通空间机器人2上亥姆霍兹线圈的电流形成磁场；消旋完成后，空间机器人2关闭亥姆霍兹线圈的电流并进一步接近空间失效目标，形成对空间失效目标的包络(图1中(b))，这样可以防止目标逃走；最后，调整空间机器人2的位置，通过机器人2外表面上附着的吸盘6实现空间机器人与空间失效目标的稳定连接，完成对空间失效目标的捕获(图1中(c))。

如图2所示，本发明中采用6个空间机器人作为空间失效目标消旋抓捕一体化装置，空间失效目标1位于空间机器人编队中心位置，在空间失效目标1的四周均匀分布6个空间机器人2，其中所述的6个空间机器人分布在空间失效目标前后、左右以及上下6个方位距离相等的安全区域内，并且前后、左右以及上下这6个方位处的空间机器人上携带的亥姆霍兹线圈分别两两相对，形成3组两两垂直的空间磁场。所述的空间机器人2在结构上包括空间机器人主体3、太阳能帆板4、亥姆霍兹线圈5以及吸盘6。所述的亥姆霍兹线圈5是用两个半径和匝数完全相同的通以同方向电流的线圈，将其同轴排列并令间距等于半径，串接而成，如图3所示。空间机器人主体3内含有亥姆霍兹线圈5工作时所需要的电源系统。对空间失效目标消旋时，亥姆霍兹线圈5的电流被接通，每组亥姆霍兹线圈5产生的空间磁场如图3所示。

本发明利用空间机器人编队的空间失效目标电磁消旋抓捕一体化方式，包括如下步骤：

步骤1：空间机器人编队的构型构建。空间机器人2分别接近空间失效目标1，并均匀停靠在空间失效目标1前后、左右以及上下六个方位附近的安全距离内，要求停靠在空间失效目标1前后、左右和上下方位的空间机器人2携带的亥姆霍兹线圈分别相对，完成空间机器人编队的构型。

步骤2：磁场构建。接通亥姆霍兹线圈的电流，前后、左右和上下方位分别两两相对的三组互相垂直的亥姆霍兹线圈形成磁场。在静止三维直角坐标系设立平行于xoy平面、yoz平面和xoz平面的三组亥姆霍兹线圈，每组均有具有两个线圈的亥姆霍兹线圈组成，可以在线圈的中心分别形成垂直于xoy平面、yoz平面和xoz平面的相对均匀磁场。其中，平行于xoy平面的磁场，z轴方向为磁场方向，记为ez，场强的大小记为hz，相应地亥姆霍兹线圈的电流记为iz；平行于yoz平面的磁场，x轴方向为磁场方向，记为ex，场强的大小记为hx，相应地亥姆霍兹线圈的电流记为ix；平行于xoz平面的磁场，y轴方向为磁场方向，记为ey，场强的大小记为hy，相应地亥姆霍兹线圈的电流记为iy。那么，这三个磁场在磁场的中心可以合成一个新的磁场，其场强是一个矢量，可以表示为：

h＝hxex+hyey+hzez(1)

其中，场强h的大小和方向可以通过对三个磁场分量的调节来实现。所述的场强的表达式为：

其中,n是线圈匝数，r是线圈半径。

步骤3：空间机器人编队测量目标角动量矢量方向和自旋轴位置矢量方向，进而确定需要构建的消旋磁场方向。

空间失效目标的旋转运动比较复杂，一般表现为存在章动角的翻滚运动，如图4所示。具体而言，空间失效目标沿着旋转主轴进行旋转运动，由于外力扰动的存在，其旋转主轴自身通常沿着一个固定轴进行周期性的旋转，即进动，并且还伴随有其旋转主轴时而偏离固定轴中心的章动。对于旋转运动来说，当磁场方向与物体旋转运动的主轴垂直时，其运动物体受到的涡流转矩最大，并且磁场强度越大，涡流转矩越大。所以，为实现同等磁场强度下的最佳消旋效果，要求磁场方向能够垂直于空间失效目标的旋转方向。本发明中以空间失效目标当前旋转运动的主轴方向矢量和章动运动方向矢量组成当前参考平面，以当前参考平面的垂直方向为需要建立当前消旋磁场的方向。

设测量得到的空间失效目标当前时刻t旋转运动的主轴方向为p＝pxex+pyey+pzez，章动方向为n＝nxex+nyey+nzez，为得到最优的涡流转矩，当前时刻相应的磁场htemp应该垂直于p和n所组成的平面，即

那么，当前时刻相应的磁场htemp的方向向量etemp为：

进一步，根据空间失效目标所需的消旋力矩，也就是涡流转矩t，可以计算出需要的磁场强度的大小h，进而可以确定磁场强度的分量。其中，涡流转矩t的表达式为：

t＝r×f＝r×(qv×b)(5)

其中，r为外力作用点的位置矢量；f是空间失效目标所受到的电磁力，其表达式为f＝qv×b，这里q是空间失效目标所带的电荷量、v是空间失效目标切割磁感线的速度以及b是所产生磁场的磁感应强度。磁感应强度b与磁场强度h间存在如下关系：

其中，μ0是真空中的磁导率，μ0＝4π×10^-7韦伯/(米·安)；m是磁化强度。联立方程式(5)和(6)，可以得到磁场强度大小h，进一步可以确定所需消旋磁场的各个分量如下：

h＝hetemp＝hxex+hyey+hzez(7)

步骤4：调整三组亥姆霍兹线圈的电流，使得所构建的磁场h的方向与当前消旋磁场的方向一致，对目标进行消旋直至目标旋转运动状态完全衰减。

以平行于xoy平面的亥姆霍兹线圈为例，如图5所示，两线圈之间的距离为线圈半径r，此时中心处的场强最均匀，同理可以得到其它两个平面的场强值。从场强表达式(2)可以看出，磁场强度与电流具有良好的线性关系，所以对于每个轴上的磁场大小，可以通过每组线圈中电流的大小进行调整，所需电流的表达式为：

对于一个确定的装置而言，线圈的匝数n和线圈半径的r是一个固定的数值。同理，其它两组线圈的电流值为：

所以，只需要用计算得到的电流值控制电流发生装置，为相应的线圈输入电流，就能够得到最佳的消旋磁场。此外，由于输出电流具有可控性，本发明能够根据空间失效目标的旋转状态对磁场方向进行实时调整，进而实时保证消旋效果的最优性。

步骤5：目标完全消旋后，切断亥姆霍兹线圈的电流。空间机器人转换为抓捕执行机构，进一步接近目标，将目标约束在空间机器人编队构成的空间区域内；接着调整机器人位置，通过机器人外表面上附着的吸盘实现空间机器人与目标的稳定连接，完成对空间失效目标的捕获。

本发明对空间失效目标消旋的具体实施例如下：

为对某空间失效目标进行消旋，首先对空间机器人进行了前文所述的编队构型，得到了相应的磁场发生装置，设三组亥姆霍兹线圈完全相同，匝数n＝100，半径r＝1m。在当前时刻，空间失效目标旋转运动的主轴方向为p＝2ex+3ey+4ez，章动方向为n＝ex+2ey+ez，外力作用点的位置矢量r＝0ex+0ey+1ez米，空间失效目标的电荷量q＝10库伦，空间失效目标切割磁感线的速度v＝[1,1,1]^t米/秒，所需的涡流力矩t＝[0.05,0.05,0]^t牛顿·米。

下面计算所需要的电流值。如前所述，设置的消旋磁场方向垂直于空间失效目标旋转运动的主轴方向及章动方向所确定的平面，当前时刻的磁场htemp为：

相应地，当前时刻的磁场htemp的方向向量etemp为：

根据方程(5)和(6)，可以得到磁场强度大小h＝7957.7安培/米。进一步，消旋磁场为：

h＝hetemp＝hxex+hyey+hzez≈-7264.4ex+2905.7ey+1452.9ez

所以，产生消旋磁场的各亥姆霍兹线圈的电流为：

如果计算电流为负值，说明实际电流与假设的亥姆霍兹线圈的电流方向相反。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。