一种软体臂抓捕系统及空间非合作目标消旋方法与流程

本发明涉及一种空间非合作目标消旋方法。

背景技术：

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。空间碎片的主动移除技术为目前航天领域研究的热点。近距离漂浮碎片抓捕是当前空间碎片清除任务的关键技术要点，大质量、大尺寸直径的空间碎片在太空中自由飞行，有一大部分存在一定速度的自旋。空间碎片的自旋是捕获的难点。对翻滚非合作目标直接捕获存在碰撞风险，为降低风险系数采取消旋后再捕获是较为合适的方式。在捕获之前需要先通过一定的物理接触对其进行消旋。现有的空间碎片消旋技术包括采用小型刚性机械臂、飞网、飞爪等多种在轨捕获方法，也有采用电动力系绳、太阳帆、阻力增强装置等促碎片离轨方法。刚性机械臂在接触式消旋过程中难免产生瞬间较大的冲击力，容易导致机械臂损坏及抓捕机构的失控；飞网及飞爪的消旋方法容易造成消旋过程中的无序缠绕；减速刷消旋、机械脉冲消旋和绳系机器人消旋等方法需要较高精度的控制方法及复杂的机械结构来保障方案的有效实施。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种软体臂抓捕系统及空间非合作目标消旋方法，用于太空中具有一定角速度自旋的空间碎片抓捕。该方法具有结构简单、制造精度要求低和占用飞行器载荷空间小的优点。

本发明所采用的技术方案是：一种软体臂抓捕系统，包括飞行器平台、若干软体臂、流体压力控制系统、目标检测装置、抓捕系统控制器；若干软体臂安装在飞行器平台上，每个软体臂的内部在周向均匀分布有若干流体腔道，每个流体腔道沿软体臂轴向延伸；流体压力控制系统控制进入到流体腔道内的流体压力，实现软体臂伸直或向飞行器的几何中心方向弯曲；目标检测装置安装在飞行器平台上，检测非合作目标的位置，将检测到的位置信息发送给抓捕系统控制器；抓捕控制器控制流体压力控制系统向软体臂的流体腔道中输入不同压力的流体，实现对非合作目标的抓捕。

所述软体臂内部的流体腔道有三条，三条流体腔道分别编号为第一流体腔道，第二流体腔道，第三流体腔道，在软体臂与飞行器平台的接触面内，第二流体腔道和第三流体腔道的中心连线l2与第一流体腔道的中心和飞行器的几何中心连线l3垂直，第一流体腔道的中心和飞行器的几何中心分别位于连线l2的两侧；

所述软体臂的材料为复合橡胶。

一种使用软体臂抓捕系统进行空间非合作目标消旋的方法，包括步骤如下：

步骤一：利用软体臂抓捕系统的目标检测装置检测飞行器周围的非合作目标，计算非合作目标在飞行器坐标系下的几何中心坐标(x1,y1,z1)，控制飞行器调整姿态，使得飞行器的几何中心与非合作目标的几何中心的连线l1与飞行器平台的软体臂安装面垂直；

步骤二：控制飞行器沿连线l1方向接近非合作目标，当目标检测装置反馈的l1的长度与小于阈值a1时，抓捕系统控制器给流体压力控制系统发送软体臂伸直指令，由流体压力控制系统控制各个软体臂的流体腔内流体压力一致，使得各个软体臂伸直；

步骤三：控制飞行器沿l1方向进一步接近非合作目标，控制软体臂实现非合作目标的抓捕。

所述软体臂抓捕系统包括飞行器平台、若干软体臂、流体压力控制系统、目标检测装置、抓捕系统控制器；若干软体臂安装在飞行器平台上，每个软体臂的内部在周向均匀分布有若干流体腔道，每个流体腔道沿软体臂轴向延伸；流体压力控制系统控制进入到流体腔道内的流体压力，实现软体臂伸直或向飞行器的几何中心方向弯曲；目标检测装置安装在飞行器平台上，检测非合作目标的位置，将检测到的位置信息发送给抓捕系统控制器；抓捕控制器控制流体压力控制系统向软体臂的流体腔道中输入不同压力的流体，实现对非合作目标的抓捕。

所述软体臂内部的流体腔道有三条，三条流体腔道分别编号为第一流体腔道，第二流体腔道，第三流体腔道，在软体臂与飞行器平台的接触面内，第二流体腔道和第三流体腔道的中心连线l2与第一流体腔道()的中心和飞行器的几何中心连线l3垂直，第一流体腔道的中心和飞行器的几何中心分别位于连线l2的两侧；

所述步骤三的具体方法如下：当目标检测装置反馈的l1的长度与小于阈值a2时，控制第1组的软体臂向飞行器平台的几何中心弯曲，直到软体臂接触非合作目标的表面，使非合作目标的自旋速度降低；当非合作目标的自旋速度降低至阈值v1时，控制第2组软体臂向飞行器平台的几何中心弯曲，实现非合作目标的抓捕。

所述软体臂沿软体臂安装面周向均匀分布一圈，依次给软体臂编号为1，2，3…2n，其中编号为1，3，5…2n-1的软体臂为第1组，编号为2，4，6…2n的为第2组，n为正整数。

所述单个软体臂向飞行器平台弯曲的控制方法为：流体压力控制系统控制第一流体腔道的流体压力p1上升，第二流体腔道的流体压力p2和第三流体腔道的流体压力p3不变，当p1达到压力上限值时，如果软体臂未弯曲到指定程度，则控制p2和p3下降。

所述飞行器坐标系的原点为多个软体臂的软体臂安装面的几何中心，z轴方向垂直于软体臂安装面，x轴、y轴与z轴关系符合右手定则。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的方法在消旋过程中所采用的软体臂为封闭式连续体，密封性好且结构较为简单；

(2)本发明的软体臂的腔体内通入流体，消旋过程中软体臂与非合作目标的接触具有一定的柔性，碰撞过程中能将一部分动能转化成流体的内能；

(3)本发明在火箭载荷空间有限的情况下，该软体臂系统能在火箭发射过程中处于盘起状态，有效节省了载荷空间资源。

(4)本发明通过抓捕飞行器上配备多个软体抱爪，利用其大柔性的特点用来对目标物进行包络性捕获操作。在抓捕飞行器靠近目标的过程中，软体抱爪采用大容差包络的方式对可能存在章动的目标进行捕获，利用其柔顺性，尽可能避免抓捕飞行器和目标间的相对动量对抓捕飞行器的冲击损害和目标的碰撞远离风险。

附图说明

图1为单个软体臂基本结构示意图；

图2为软体臂抓捕系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

空间软体臂抓捕系统，由1个飞行器平台1搭载4条软体臂2构成。单个软体臂2的基本结构示意如图1所示，该软体臂2由橡胶弹性材料制成，其外形为圆柱形，软体臂2内在周向有三个均匀分布的流体腔道，分别为第一流体腔道21、第二流体腔道22和第三流体腔道23。每个流体腔道沿软体臂2轴向延伸，腔道为各自独立封闭，且可由流体压力控制系统单独调节腔内流体压力值。飞行器平台1是一个立方体，其中一个面为正方形abcd，该正方形面为软体臂2的安装平面，与安装平面相对的为飞行器平台1的背面，该面定义为a1b1c1d1。软体臂2安装在飞行器平台1的正方形面abcd的4个角，其中一条软体臂2第二流体腔道22和第三流体腔道23与面abcd相切的面的中心点连线l2与第一流体腔道与面abcd相切的面的中心点和面abcd的几何中心连线垂直，第一流体腔道与面abcd相切的面的中心点和面abcd的几何中心分别位于l2的两侧。流体压力控制系统控制进入到流体腔道内的流体压力，实现软体臂2伸直或向飞行器的几何中心方向弯曲。

目标检测装置安装在飞行器平台1上，检测非合作目标的位置，将检测到的位置信息发送给抓捕系统控制器。抓捕控制器控制流体压力控制系统向软体臂2的流体腔道输入不同压力的流体，实现对非合作目标的抓捕。

一种使用软体臂抓捕系统进行空间非合作目标消旋的方法，包括步骤如下：

步骤一：利用软体臂抓捕系统的目标检测装置检测飞行器周围的非合作目标，计算非合作目标在飞行器坐标系下的几何中心坐标(x1,y1,z1)，控制飞行器调整姿态，使得飞行器的几何中心与非合作目标的几何中心的连线l1与飞行器平台1的软体臂2安装面垂直；

步骤二：控制飞行器沿连线l1方向接近非合作目标，当目标检测装置反馈的l1的长度与小于阈值a1时，抓捕系统控制器给流体压力控制系统发送软体臂2伸直指令，由流体压力控制系统控制各个软体臂2的流体腔内流体压力一致，使得各个软体臂2伸直；

步骤三：控制飞行器沿l1方向进一步接近非合作目标，控制软体臂实现非合作目标的抓捕。

步骤三的具体方法如下：当目标检测装置反馈的l1的长度与小于阈值a2时，控制第1组的软体臂2向飞行器平台1的几何中心弯曲，直到软体臂2接触非合作目标的表面，使非合作目标的自旋速度降低；当非合作目标的自旋速度降低至阈值v1时，控制第2组软体臂2向飞行器平台1的几何中心弯曲，实现非合作目标的抓捕。

软体臂2沿软体臂安装面周向均匀分布一圈，依次给软体臂2编号为1，2，3…2n，其中编号为1，3，5…2n-1的软体臂2为第1组，编号为2，4，6…2n的为第2组，n为正整数。

单个软体臂2向飞行器平台1弯曲的控制方法为：流体压力控制系统控制第一流体腔道21的流体压力p1上升，第二流体腔道22的流体压力p2和第三流体腔道23的流体压力p3不变，当p1达到压力上限值时，如果软体臂2未弯曲到指定程度，则控制p2和p3下降。

实施例：

基于多软体臂2系统协同的空间非合作目标消旋方法，包括如下步骤：

步骤一：利用目标检测装置检测飞行器周围的非合作目标，在目标检测装置的测量范围内，不断扫描飞行器周围的非合作目标。飞行器坐标系的原点为软体臂2安装面的几何中心o3，z3轴方向垂直于软体臂2安装面，x3轴，y3轴与z3轴关系符合右手定则。假设检测到非合作目标为规则的球体，其球径为r，r＝500mm，飞行器平台1的软体臂2安装面为1500mm边长的正方形，软体臂2竖直展开，其末端离安装面的距离为1500mm，计算非合作目标在飞行器坐标系下的几何中心坐标为(0，0，2500)，控制飞行器调整姿态，使得点o3与非合作目标的几何中心的连线l1与飞行器平台1的软体臂2安装面垂直。

步骤二：控制飞行器沿l1方向接近非合作目标，当目标检测装置反馈的l1的长度与小于阈值2200mm时，抓捕系统控制器给流体压力控制系统发送软体臂2伸直指令，由流体压力控制系统控制各个软体臂2的流体腔内流体压力一致，使得各个软体臂2伸直。

步骤三：控制飞行器沿l1方向进一步接近，当目标检测装置反馈的l1的长度与小于阈值200mm时，软体臂2沿安装面周向均匀分布一圈，依次给软体臂2编号为1，2，3，4，其中编号为1，3的软体臂2为第1组，编号为2，4的为第2组，控制第1组的软体臂2向飞行器平台1的几何中心弯曲，所有软体臂2的弯曲半径为r11，r11为安装平面对角线长度的1/2，直到软体臂2接触非合作目标的表面，使非合作目标的自旋速度降低至阈值v1＝0.1rad/s时，控制第2组软体臂2向飞行器平台1的几何中心弯曲，实现非合作目标的抓捕。其中，单个软体臂2向飞行器平台1弯曲的控制方法为：流体压力控制系统控制第一流体腔道21的流体压力p1上升，第二流体腔道22的流体压力p2和第三流体腔道23的流体压力p3不变，当p1达到压力上限值1mpa时，如果软体臂2未弯曲到指定程度或触碰非合作目标，则控制p2和p3下降，直到体臂2弯曲到指定程度或触碰非合作目标，控制过程中，如果p2和p3压力值达到下限值0.1mpa则停止继续下降压力，判断软体臂故障。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。