空间机器人电联试技术演示验证系统的制作方法
【专利摘要】本发明适用于航空领域，提供了空间机器人电联试技术演示验证系统，所述系统包括星上设备系统和地面设备系统，其中，所述星上设备系统包括：数管计算机、姿态轨道动力学计算机、信号处理计算机、目标测量系统电模拟器、微型目标器星载机电模拟器、GPS电模拟器、飞轮电模拟器以及加速度电模拟器；所述地面设备系统包括：测试主机、调度计算机、数据库服务器、数据显示计算机、测控终端模拟器以及实时动画演示计算机。本发明能够实现空间机器人的仿真测试，而且和现有技术相比，本发明实现成本较低。
【专利说明】空间机器人电联试技术演示验证系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于航空领域，尤其涉及空间机器人电联试技术演示验证系统。
【背景技术】
[0002] 太空环境具有微重力、超洁净的特点及丰富的空间资源，因而成为人类21世纪理 想的科研环境和空间生产基地。在未来的空间活动中，将有大量的空间加工、空间生产，空 间装配、空间科学实验和空间维护等工作要完成。此外，恶劣的空间环境给人类在太空的生 存活动带来巨大的威胁。要使人类在太空生存，需要建立庞大而复杂的环境控制系统，生命 保障系统、物资供给系统及救生系统等，这些庞大而复杂的系统不仅其自身的技术难度大， 耗资也十分巨大。因此必须充分利用空间机器人完成空间探索和空间科研生产的任务。
[0003] 目前，空间机器人技术已经成为高【技术领域】内具有代表性的技术。随着电子学、计 算机科学、人工智能和机器人技术的进一步发展，功能完善的空间机器人将在人类的空间 环境中发挥其巨大的作用。空间机器人的主要任务包括：空间结构的建筑和装配、卫星和其 它航天器的维护修理，空间生产和科学实验等。其中在轨维护工作包括：失效卫星的回收、 卫星故障的现场修理和空间物资的补给等。
[0004] 仿真技术在科学研究中具有重要的地位和广泛的应用价值。空间机器人仿真技术 的研究，除具备仿真技术的共同特点外，还因其特殊的工作环境而具有其自身的显著特点： (1)空间机器人在微重力、高真空、超低温、强辐射、照明差的空间环境中工作，构造这样一 个用于空间机器人研究的地面实验环境其自身的技术难度将大大超过空间机器人研究的 技术难度，不容易实现；（2)构造这样一个地面实验环境所需的经费额也将大大超过空间 机器人本身研究所需要的经费额，成本非常高。
【发明内容】
[0005] 本发明实施例的目的在于提供空间机器人电联试技术演示验证系统，以解决现有 技术不容易实现空间机器人仿真而且实现成本非常高的问题。
[0006] 本发明实施例是这样实现的，空间机器人电联试技术演示验证系统，所述系统包 括星上设备系统和地面设备系统，其中， 所述星上设备系统包括：数管计算机、姿态轨道动力学计算机、信号处理计算机、目标 测量系统电模拟器、微型目标器星载机电模拟器、GPS电模拟器、飞轮电模拟器以及加速度 电模拟器； 所述地面设备系统包括：测试主机、调度计算机、数据库服务器、数据显示计算机、测控 终端模拟器、仿真网交换机、数据管理网交换机以及实时动画演示计算机； 所述数管计算机用于接收测控终端模拟器发送的地面控制指令，并将所述地面控制 指令分发给姿态轨道动力学计算机、信号处理计算机、GPS电模拟器以及测试主机；所述姿 态轨道动力学计算机根据接收到的所述地面控制指令，利用GNC算法计算所述地面控制指 令，产生相关磁力矩控制信号并发送给所述信号处理计算机、飞轮电模拟器和测试主机，所 述信号处理计算机根据所述磁力矩控制信号，产生驱动信号发送至测试主机，测试主机综 合收到的姿态轨道动力学计算机发送的信号以及信号处理计算机发送的驱动信号，从而驱 动所述目标测量系统电模拟器、微型目标器星载机电模拟器、GPS电模拟器和加速度模拟 器，所述加速度传感器进一步将模拟信号反馈至信号处理计算机，从而模拟卫星在不同条 件下的运行状态； 所述调度计算机、测试主机、数据库服务器和实时动画演示计算机与所述仿真网交换 机连接，数据显示计算机和数据库服务器与所述数据管理网络交换机连接；所述调度计算 机通过人机交互界面来设置各动力学模型的状态初值，并通过所述仿真交换机将所述状态 初值发送到测试主机，以使测试主机分发到对应的所述目标测量系统电模拟器、微型目标 器星载机电模拟器、GPS电模拟器或加速度模拟器；在星上设备系统执行相关动作之后，星 上设备系统所产生的实时动力学模型数据可由测试主机接收，并通过仿真网交换机转发至 数据库服务器和实时动画演示计算机，数据库服务器接收和存储实时数据，并通过数据管 理网交换机为数据显示计算机提供数据服务，数据显示计算机根据接收到的数据来进行显 /_J、1 〇
[0007] 在本发明实施例中，通过地面设备系统的调度计算机通过人机交互界面设置动力 学模型的状态初值，由测控终端模拟器将地面人员发出的遥控命令发送到星上设备系统的 数管计算机，由数管计算机转发至姿态轨道动力学计算机，由姿态轨道动力学计算机根据 GNC算法计算出控制指令，产生相关磁力矩控制信号发给信号处理计算机，并通过测试主机 发送至各模拟器，驱动各模拟器模拟卫星运动状态下的外部条件，测试主机接收由各模拟 器模拟的动力学模型数据，并转发至数据库服务器和实时动画演示计算机，数据库服务器 接收并存储实时数据，并为数据显示计算机提供数据服务，所述数据显示计算机根据接收 的数据进行显示。从而使得本发明能够实现空间机器人的仿真测试，而且和现有技术相比， 本发明实现成本较低。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1是本发明实施例提供的空间机器人电联试技术演示验证系统的实现流程图。
【具体实施方式】
[0009] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0010] 本发明实施例通过设置星上设备系统以及地面设备系统，并通过星上设备系统与 地面设备系统的交互，可有效的实现对空间机器人的仿真测试，并且不需要花费巨大的成 本建立地面实验环境，大大减少了仿真成本。
[0011] 如图1所示，本发明实施例所述的空间机器人电联试技术演示验证系统，包括星 上设备系统和地面设备系统，其中， 所述星上设备系统包括：数管计算机、姿态轨道动力学计算机、信号处理计算机、目标 测量系统电模拟器、微型目标器星载机电模拟器、GPS电模拟器、飞轮电模拟器以及加速度 电模拟器； 所述地面设备系统包括：测试主机、调度计算机、数据库服务器、数据显示计算机、测控 终端模拟器、仿真网交换机、数据管理网交换机以及实时动画演示计算机； 所述数管计算机用于接收测控终端模拟器发送的地面控制指令，并将所述地面控制 指令分发给姿态轨道动力学计算机、信号处理计算机、GPS电模拟器以及测试主机；所述姿 态轨道动力学计算机根据接收到的所述地面控制指令，利用GNC算法计算所述地面控制指 令，产生相关磁力矩控制信号并发送给所述信号处理计算机、飞轮电模拟器和测试主机，所 述信号处理计算机根据所述磁力矩控制信号，产生驱动信号发送至测试主机，测试主机综 合收到的姿态轨道动力学计算机发送的信号以及信号处理计算机发送的驱动信号，从而驱 动所述目标测量系统电模拟器、微型目标器星载机电模拟器、GPS电模拟器和加速度模拟 器，所述加速度传感器进一步将模拟信号反馈至信号处理计算机，从而模拟卫星在不同条 件下的运行状态； 所述调度计算机、测试主机、数据库服务器和实时动画演示计算机与所述仿真网交换 机连接，数据显示计算机和数据库服务器与所述数据管理网络交换机连接；所述调度计算 机通过人机交互界面来设置各动力学模型的状态初值，并通过所述仿真交换机将所述状态 初值发送到测试主机，以使测试主机分发到对应的所述目标测量系统电模拟器、微型目标 器星载机电模拟器、GPS电模拟器或加速度模拟器；在星上设备系统执行相关动作之后，星 上设备系统所产生的实时动力学模型数据可由测试主机接收，并通过仿真网交换机转发至 数据库服务器和实时动画演示计算机，数据库服务器接收和存储实时数据，并通过数据管 理网交换机为数据显示计算机提供数据服务，数据显示计算机根据接收到的数据来进行显 /_J、i 〇
[0012] 其中，对所述星上设备系统和地面设备系统分别介绍如下： 所述星上设备系统包括： 数管计算机：可可由一块或一块以上的以高性能ARM处理器为内核的CPU板和多块(三 块或以上)硬件结构完全相同的智能I/O板、仲裁处理模块组成。每块I/O板可单独进行配 置以适应不同的外设； 姿态轨道动力学计算机：结构与数管计算机基本相同，但其处理器为通过GNC算法计 算控制指令； 信号处理计算机：可由加速度采集板、太阳敏感器头部处理电路、红外地球敏感器头部 处理电路以及磁力矩器驱动电路组成。
[0013] 目标测量系统电模拟器箱：可由机械手电模拟器、红外相机电模拟器、微波雷达电 模拟器、激光测距仪电模拟器、交会相机电模拟器、可见光电模拟器组成； 微型目标器星载机电模拟器：可由一台模拟运行微型目标器姿态轨道动力学实时控制 算法软件的工控机组成，通过星间链路与空间机器人数管机进行数据通讯； GPS电模拟器：可按照GPS接收机数据传输格式模拟GPS接收机的工作； 飞轮电模拟器箱：用于建立飞轮的传递函数模型，可模拟4个反作用飞轮的工作。
[0014] 加速度电模拟器：用于模拟星上加速度计的工作，并给出与星上加速度计完全相 同的接口数据格式。
[0015] 所述地面设备系统包括： 测试主机：在所述测试主机上可设置信号源、星上电源、地面电源； 调度计算机：可采用基于Windows XP操作系统的通用计算机； 数据库服务器：系统中可包括一台Windows 2000 Server操作系统的高性能服务器、 一台智能交换机和相关网络设备，所述数据服务器上运行SQL ServerfOOO数据库软件； 数据显示计算机：可采用基于Windows XP操作系统的通用计算机，为了确保不过多的 占用服务器资源，数据显示计算机软件使用Delphi语言编写。
[0016] 测控终端模拟器：采用基于Windows XP操作系统的通用计算机，遥控遥测软件使 用 LabWindows/CVI 编写； 实时动画演示计算机：可采用2台基于Windows XP操作系统的通用计算机。可接 收仿真动力学主测试机发出的实时数据包，解包后的数据可实时驱动STK (英文全称为 Satellite Tool Kit，即卫星工具包）的空间机器人平台和微型目标器模型进行动画演示， 同时解包后的数据也可实时驱动机械手模型进行实时动画显示。
[0017] 调度计算机可由MULTIPR0G组态软件编制的人机界面能够方便操作人员对动力 学模型设置各种状态初值；产生不同形式的传感器数据输出以方便进行系统故障模式测 试；在该界面下还可对测试主机的内部运行状态进行监视。
[0018] 测试主机在25ms控制周期内，基于VxWorks实时操作系统编制的动力学软件要完 成全部姿态与轨道动力学计算，包括模拟卫星运行状态下的外部环境条件、按照各种传感 器、执行机构模型，各个模拟器生成相应数据等；将生成的数据传送给电接口箱，再由电接 口箱输出产生模拟敏感器电特性的信号；同时还接收由电接口板卡传过来的执行机构的输 出信号以便驱动动力学模型。
[0019] 测试主机内的电接口板卡与信号源箱接收来自测试主机生成的各敏感器数据，按 照相应敏感器的电器特性或直接输出部件电路信号(如串口、脉冲量等);其它如GPS电模拟 器、飞轮电模拟器和加速度计电模拟器分别由独立机箱构成。全部传感器模拟信号被分成 两组，一组与信号处理计算机相联，一组直接进入姿态轨道动力学计算机。
[0020] 信号处理计算机由独立机箱构成，内部有太阳头部处理电路、红外地平仪头部处 理电路和磁力矩器驱动电路各一块；另外一块CPU板除了采集加速度计信号外还负责对某 些部件的加电控制。信号处理箱将接收的敏感器信号送给姿态轨道动力学计算机箱，同时 接收姿态轨道动力学计算机产生的磁力矩器控制信号。
[0021] 姿态轨道动力学计算机由2块CPU板和4块智能1/0板组成。为了提高系统可靠 性，同种部件的信号连接到不同的1/0板上。CPU板通过内部CAN总线(独立于系统CAN总 线)接收来自1/0板的传感器信号，经过GNC算法得出的控制也通过这些1/0板输出到信号 处理箱、独立电模拟器和地面电接口箱，这些控制输出最终进入动力学主控机驱动模型运 动。
[0022] 数管计算机用于对姿态轨道动力学计算机和测控终端模拟器之间的遥控命令和 遥测数据进行双向转发。
[0023] 测控终端模拟器接收并显示遥测数据，同时将地面控制人员发出的遥控命令发送 到数管计算机。
[0024] 数据库服务器接收并存储动力学模型，即各个模拟器每25ms产生的数据，同时对 数据显示计算机提供数据服务。
[0025] 数据显示计算机提供测试数据的在线或离线显示，对重要数据进行图形显示。
[0026] 测试主机中的星上电源、地面电源负责全部星、地设备的供电。
[0027] 本发明空间机器人电联试技术演示验证系统具体以下特点： 1. 具有与空间机械手电模拟器、天基目标测量系统电模拟器和微型目标器电模拟器的 接口，满足通信协议要求； 2. 空间机器人电联试技术演示验证系统地面设备系统包括测试主机、空间机器人姿态 轨道控制系统的传感器和执行机构的模拟器、数据管理网组成；测试内核为嵌入式系统，利 用实时操作系统开发仿真测试软件，在空间机器人与微型目标器为刚体模型情况下，地面 动力学计算步长优于25ms ; 3. 地面设备系统具有完善的数据管理功能，能够实时记录并且回放数管计算机、姿态 轨道动力学计算机的遥测遥控数据，满足100ms周期和Is周期数据的高速数据入库和10G 数据的大数据量查询； 4. 地面测试设备为图形显示系统预留接口并按100ms周期实时输出驱动数据，硬件在 回路的姿轨控实时仿真试验达到以下指标： -姿态控制精度：三轴均优于0.5° -姿态稳定度： 三轴均优于〇. 02° /s 轨道交会机动后，与给定目标位置误差：小于2km，相对速度小于2m/s。
[0028] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 空间机器人电联试技术演示验证系统，其特征在于，所述系统包括星上设备系统和 地面设备系统，其中， 所述星上设备系统包括：数管计算机、姿态轨道动力学计算机、信号处理计算机、目标 测量系统电模拟器、微型目标器星载机电模拟器、GPS电模拟器、飞轮电模拟器以及加速度 电模拟器； 所述地面设备系统包括：测试主机、调度计算机、数据库服务器、数据显示计算机、测控 终端模拟器、仿真网交换机、数据管理网交换机以及实时动画演示计算机； 所述数管计算机用于接收测控终端模拟器发送的地面控制指令，并将所述地面控制 指令分发给姿态轨道动力学计算机、信号处理计算机、GPS电模拟器以及测试主机；所述姿 态轨道动力学计算机根据接收到的所述地面控制指令，利用GNC算法计算所述地面控制指 令，产生相关磁力矩控制信号并发送给所述信号处理计算机、飞轮电模拟器和测试主机，所 述信号处理计算机根据所述磁力矩控制信号，产生驱动信号发送至测试主机，测试主机综 合收到的姿态轨道动力学计算机发送的信号以及信号处理计算机发送的驱动信号，从而驱 动所述目标测量系统电模拟器、微型目标器星载机电模拟器、GPS电模拟器和加速度模拟 器，所述加速度传感器进一步将模拟信号反馈至信号处理计算机，从而模拟卫星在不同条 件下的运行状态； 所述调度计算机、测试主机、数据库服务器和实时动画演示计算机与所述仿真网交换 机连接，数据显示计算机和数据库服务器与所述数据管理网络交换机连接；所述调度计算 机通过人机交互界面来设置各动力学模型的状态初值，并通过所述仿真交换机将所述状态 初值发送到测试主机，以使测试主机分发到对应的所述目标测量系统电模拟器、微型目标 器星载机电模拟器、GPS电模拟器或加速度模拟器；在星上设备系统执行相关动作之后，星 上设备系统所产生的实时动力学模型数据可由测试主机接收，并通过仿真网交换机转发至 数据库服务器和实时动画演示计算机，数据库服务器接收和存储实时数据，并通过数据管 理网交换机为数据显示计算机提供数据服务，数据显示计算机根据接收到的数据来进行显 /_J、i 〇
2. 根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述调度计算机还用于产生不同形式的传 感器数据输出，以进行系统故障模式测试，并监视主机内部的运行状态。
3. 根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述姿态轨道动力学计算机还用于接收各 测试主机生成的模拟信号数据。
4. 根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述测试主机与信号处理计算机相连，所述 测试主机生成的模拟信号数据发送给所述信号处理计算机，并由所述信号处理计算机转发 至姿态轨道动力学计算机。
5. 根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述测试主机与姿态轨道动力学计算机相 连，所述测试主机生成的模拟信号数据直接发送给所述姿态轨道动力学计算机。
6. 根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述目标测量系统电模拟器包括：机械手电 模拟器、红外相机电模拟器、微波雷达电模拟器、激光测距仪电模拟器、交会相机电模拟器、 可见光电模拟器。
7. 根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述测试主机具体用于完成姿态与轨道动 力学计算，包括模拟卫星运行状态下的外部环境条件、各模拟器运行状态生成相应的动力 学数据，通过电接口板卡输出至信号处理计算机或姿态轨道动力学计算机，并且通过电接 口板卡接收控制指令。
【文档编号】G05B17/02GK104122800SQ201410351211
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】梁斌, 王学谦, 刘厚德, 王新升, 张博 申请人:清华大学深圳研究生院