一种空间目标拖曳的系绳切放和切换控制系统及其方法与流程

本申请涉及用于空间飞行器拖曳目标的技术领域，特别涉及一种空间目标拖曳的系绳收放和切换控制系统及其方法。

背景技术：

为了适应故障航天器、空间碎片等非合作目标拖曳任务的需求，需采用网或布等柔性结构覆盖、包裹目标物，并通过柔性系绳与任务航天器形成可靠连接的组合体，并将捕获目标拖曳至预定的轨道。在目标拖曳过程中，系绳的收放控制对飞行器的姿态稳定有着重要的影响，是飞行器在轨拖曳的关键技术。目标拖曳任务完成后，还需进行系绳切换和重新连接另一个绳网的工作，为下一次拖曳任务做准备。

系绳的收放控制需完成两刚体的动量交换，使两刚体的运动速度尽量保持一致，并保持两刚体的有效连接，使得系绳的张力、速度、长度满足给定的要求。对于系绳收放控制，国内外研究机构在试验与理论研究方面开展了大量的工作，但尚未有成功的工程应用，其存在如下缺点：

(1)应用于空间拖曳任务的系绳具有重量轻、阻尼小、抗拉强度高、耐高(低)温、质量轻、柔韧性好的特点，但也具有蠕变、非线性刚度和阻尼、塑性变形、迟滞效应等现象，传统的控制算法很难适应时变、非线性系统；

(2)系绳张力和速度控制过程中，收放机构卷径的变化、加减速的变化，电机的空载转矩、转矩脉动、转速脉动，机构的摩擦力矩、间隙，以及外界的干扰，均会影响张力和速度的控制精度，不能满足系绳小张力、低速的控制要求；

(3)空间目标拖曳过程中，当出现机构故障、系绳卡滞或缠绕等故障时，无法在地面进行故障判断，不能够针对故障模式采取有效的解决措施，造成任务失败。

基于上述原因，亟需一种空间目标拖曳的系绳收放和切换控制系统及其方法。

技术实现要素：

本申请实施例中提供了一种空间目标拖曳的系绳收放和切换控制系统及其方法，能够合理的进行空间目标拖曳过程中的系绳收放和切换。

第一方面，提供一种空间目标拖曳的系绳收放和切换控制系统，所述系统包括：控制模块，所述控制模块包括数字信号处理dsp单元、现场可编程门阵列fpga单元、1553b通信电路和rs422通信电路，其中，所述dsp单元用于根据接口模块接收到的指令信号，采用所述指令信号对应的控制策略，并将控制信号输出至驱动模块，所述dsp单元还用于与1553b通信电路和rs422通信电路进行数据通信；接口模块，所述接口模块用于接收所述指令信号，并根据所述指令信息对传感器信号进行采集处理；旋转变压器信号采集模块，所述旋转变压器信号采集模块用于对电机端旋变、缓冲机构旋变进行信号采集处理；驱动模块，所述驱动模块至少用于下列电机进行驱动：系绳缠绕电机、系绳夹送电机、电机制动器、系绳夹持切割电机、系绳连接电机；电源模块，所述电源用于连接上述各个模块，并为上述各个模块的电路提供二次电源。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述控制模块由1片dsp和2片fpga组成，所述dsp作为主处理器，所述2片fpga作为从处理器，所述dsp与所述2片fpga用于配合共同完成系绳收放和切换任务。

也就是说，所述的控制模块由1片dsp电路和2片fpga电路、1553b和rs422通信电路组成。dsp作为主处理器，fpga作为从处理器，其中dsp负责系绳张力环和速度环的运算，fpga1负责系绳缠绕电机和夹送电机电流环的运算与控制、模拟量信号和旋转变压器信号处理，fpga2负责系绳制动器的控制、开关信号处理、指令信号处理，以及rs422通信、1553b通信等。dsp与fpga相互配合，共同完成系统工作流程处理、电机闭环和开环控制、电机和制动器驱动控制。1553b和rs422通信电路完成与飞行器数据通信。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述的接口模块由模数转换电路、指令信号采集电路、开关传感器信号采集电路、系绳张力传感器信号采集电路、霍尔信号采集电路组成，所述接口模块用于进行模拟信号采集、指令信号输入、传感器信号采集处理。

也就是说，所述的接口模块由模数转换电路、指令信号采集电路、开关传感器信号采集电路、系绳张力传感器信号采集电路、霍尔信号采集电路组成，完成模拟信号采集、指令信号输入、各类传感器信号采集处理功能。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述旋转变压器信号采集模块，由旋变主机和备机切换电路、旋变励磁电路、旋变解码电路组成，所述旋转变压器信号采集模块用于进行旋变信号采集处理。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述驱动模块用于接收所述控制模块的换向和电流控制信号，并将换向和电流控制信号功率大后，连接至机构中各个电机和制动器，用于进行电机和制动器驱动。

也就是说，所述的驱动模块，接收控制模块的换向和电流控制信号，将两者功率放大后，连接至机构中各个电机和制动器，包括永磁同步电机驱动电路、永磁直流无刷电机驱动电路、永磁直流有刷电机驱动电路、电机制动器驱动电路，同时模块具备电机反电动势泄放电路、电机供电采样电路、电机电流和制动器电流采样电路、电机过流保护电路等，共同完成电机和制动器驱动、电流和电压信号采集、过流保护等任务。

进一步地，所述的电源模块将母线电压转换为系统所需的±12v、5v电压，为各电路提供二次电源；同时又将+5v电源转换为+3.3v，+1.9v，+1.5v电源，提供给dsp与fpga等使用。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，上述各个模块均包括主份模块和备份模块，其中，所述旋转变压器信号采集模块包括主份切换电路和备份切换电路。

第二方面，提供一种空间目标拖曳的系绳收放伺服控制方法，包括：

当接收飞行器要求的系绳张力控制目标时，控制系统进入张力闭环控制工作模式；

当接收所述飞行器系绳速度控制目标时，控制系统进入速度闭环控制工作模式。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述方法还包括：当所述控制系统在速度控制工作模式下时，根据张力传感器检测的系绳张力，切换为张力控制模式；当所述控制系统接收所述飞行器的制动指令时，所述控制系统对制动器进行锁定或解锁。

结合第二方面及其上述实现方式，在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述方法还包括：所述控制系统接收所述飞行器指令，由闭环控制模式转入开环控制模式工作。

也就是说，所述的系绳收放控制系统在控制过程中包括：接收飞行器要求的系绳张力控制目标，控制器进入张力控制工作模式。根据系绳张力反馈信息，实时控制系绳收放装置收放速度与绳长，将系绳张力控制在飞行器指令要求的张力范围内，实现张力闭环控制。接收飞行器要求的系绳速度控制目标，控制器进入速度控制工作模式。根据系绳速度和绳长信息，控制系绳的收放速度满足要求。在速度控制工作模式下，在一定条件下具备自动切换为张力控制模式的功能。接收飞行器制动指令，控制器对制动器进行锁定或解锁；当系绳张力超标时，制动器自动锁定保护机构。

进一步地，所述的系绳收放控制系统在接收到飞行器指令后，可由闭环控制模式转入开环控制模式工作，控制夹送电机或缠绕电机以要求的占空比、运行时间进行动作。

第三方面，提供一种空间目标拖曳的系绳切换控制方法，包括：当所述控制系统接收飞行器指令，驱动系绳夹持切割电机进行系绳切割，或者，驱动系绳连接电机进行绳网连接。

进一步地，所述的系绳切换控制系统在接收飞行器切割系绳指令后，可驱动系绳夹持切割电机完成系绳切割；接收飞行器系绳连接指令后，可驱动系绳连接电机完成新的绳网连接。

本申请提供的用于空间目标拖曳的系绳收放和切换控制系统，其中的控制模块、接口模块、旋转变压器信号采集模块、驱动模块和电源模块均为独立的冗余备份电路，可人为切换主备份电路，提高了控制器的可靠性。系绳收放控制系统具备张力工作模式、速度工作模式、制动模式下的闭环控制功能，满足在轨系绳低张力拖曳任务的要求。同时在闭环功能失效或故障处理的情况下，系统可由闭环进入开环工作模式。系绳切换控制系统，具备系绳切割和绳网重新连接功能。整个控制系统具备通信故障处理、非法指令处理、软件走飞处理、超时故障处理、电机和制动器过流故障处理等功能，提高了系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的控制系统结构示意图；

图2为本申请实施例提供的控制模块及其接口关系的原理结构示意图；

图3为本申请实施例提供的dsp主程序流程图；

图4为本申请实施例提供的dsp中断服务子程序流程图；

图5为本申请实施例提供的系绳收放控制结构示意图；

图6为本申请实施例提供的系绳收放fpga电流环结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的核心思想在于，本申请提供的用于空间目标拖曳的系绳收放和切换控制系统，其中的控制模块、接口模块、旋转变压器信号采集模块、驱动模块和电源模块均为独立的冗余备份电路，可人为切换主备份电路，提高了控制器的可靠性。系绳收放控制系统具备张力工作模式、速度工作模式、制动模式下的闭环控制功能，满足在轨系绳拖曳任务的要求。同时在闭环功能失效或故障处理的情况下，系统可由闭环进入开环工作模式。系绳切换控制系统，具备系绳切割和绳网重新连接功能。整个控制系统具备控制模式故障、通信故障处理、非法指令处理、软件走飞处理、超时故障处理、电机和制动器过流故障处理等功能，提高了系统的可靠性。

图1为本申请实施例提供的空间目标拖曳的系绳收放和切换控制系统结构示意图。参照图1，控制器包括：控制模块1，包括数字信号处理(digitalsignalprocessing，dsp)、现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)、复位电路、1553b和rs422通信电路，dsp通过指令接口收到相应指令后，采用相应的控制策略，将电机控制信号连接至所述的驱动模块，并进行数据通信；接口模块2，接收飞行器指令信号，对各类传感器信号进行采集处理；旋转变压器信号采集模块3，对电机端旋变、缓冲机构旋变进行信号采集处理；驱动模块4，对系绳收放和系绳切换、连接的各个电机进行驱动；电源模块5，连接所述的各个模块，为各电路提供二次电源。

图2为本申请实施例提供的控制模块及其接口关系的原理结构示意图。参照图2所示，本控制系统采用了dsp+fpga的架构，其中dsp1用于计算系绳张力环、系绳速度环，以及系统工作流程、故障监测与处理等；系绳收放fpga2用于夹送电机与缠绕电机的电流环运算，同时进行夹送电机4、缠绕电机5的驱动，以及旋转变压器6的信号处理、夹送电机和缠绕电机电流采样7的信号处理；系绳切换和通信fpga3用于系绳夹持切割电机10、系绳连接电机11、夹送电机制动器12的驱动，并进行张力传感器13、开关传感器14的信号处理，以及完成1553b通信8和rs422通信9的信息处理。

图3为本申请实施例提供的dsp主程序流程图。参照图3所示，本系统dsp软件主要由主程序和中断服务程序组成，系统初始上电或系统复位后首先执行初始化程序，实现对dsp内部各功能模块工作模式的设定和初始状态的检测，完成上述工作后，将中断开启，系统执行主程序。当满足中断条件时，执行相应的中断服务子程序。

图4为本申请实施例提供的dsp中断服务子程序流程图。参照图4所示，。系绳收放控制策略由timer0定时中断服务子程序执行，主要包括系绳张力计算、夹送电机和缠绕电机转速计算、夹送电机和缠绕电机张力环和速度环的pi控制、夹送电机和缠绕电机之间速度协调控制等功能，各个pi控制器均采用了积分分离pid控制算法。

图5为系绳收放控制结构示意图。为实现系绳的张力、速度控制以及系绳均匀缠绕，防止系绳缠绕张力不均造成的塌落、溢出和夹线风险，将系绳的夹送与缠绕功能分开，分别由夹送电机与缠绕电机驱动完成，系绳收放由夹送电机驱动，解决系绳张力、绳长和速度的控制；系绳缠绕和收储由缠绕电机控制，实现系绳恒定张力的规律性排布，解决系绳张力大范围波动时的异常缠绕问题；在系绳收放过程中需要对夹送电机和缠绕电机进行协同控制，使系绳进入缠绕单元时保持合适的张力。

参照图5所示，系绳收放控制策略主要实现系绳的张力控制和速度控制，以夹送电机控制对应张力控制目标，夹送电机按三闭环控制，从里到外分别为电流环、速度环、张力环。通过张力传感器检测系绳张力，由张力环自动实现定速度展放系绳，当达到张力目标时自动实现降速，转为速度控制。在张力环与速度环之间做模式切换，当收到速度收绳模式和指令时，自动切换到速度控制模式，张力闭环不起作用，只有电流环和速度环。

在系绳张力闭环控制中，飞行器给定的系绳张力与机构张力传感器反馈的系绳张力比较后，经过pi控制器生成夹送电机给定速度，得到夹送电机给定速度后按照电机系统控制策略进行控制。为了避免在放绳过程中，捕获目标物释放到一定长度时系绳发生松弛，出现目标物振荡现象。在放绳过程中，当检测到反馈张力小于目标张力一定值时，控制器将pi控制器初始化；同样地，为了避免在系绳由松弛到拉紧状态中拉力过大，在收绳过程中，当检测到反馈张力大于目标张力一定值时，控制器将pi控制器初始化。

系绳收放过程中，缠绕电机配合夹送电机做伺服控制。伺服控制按位置闭环方案开展，缠绕电机控制模式为电流、速度双闭环控制，从电机端旋变进行速度反馈，从缓冲单元旋变进行位置反馈。控制目标使缓冲单元旋变保持位置为零位附近，通过缓冲单元旋变转角进行位置控制。

将夹送单元角速度通过半径换算，转换为缓冲单元角速度指令。通过体积等效方法计算因收放绳而导致的缠绕轮半径实时变化。在速度环引入缓冲单元角度做前馈控制，设计缓冲单元角度δθ通过pi控制器进行前馈。一部分由夹送电机实际转速经过一比例系数得到，以防在夹送电机在突然加减载转速突变时，缠绕电机依然能够跟踪上。另一部分由缓冲单元角度经过pi得到，以确保稳定状态下，缓冲单元偏差角度为0°。

图6为本申请实施例提供的系绳收放fpga电流环结构示意图。参照图6所示，系绳收放控制策略中的夹送电机和缠绕电机电流环由系绳收放fpga执行，主要包括永磁同步电机1的旋变信号处理模块5、cordic计算模块6、电流处理模块7、滤波器模块8、定标运算模块9、clark变换模块10、park变换模块11、iq电流补偿模块12、电流环pi控制器模块13、park逆变换模块14、双边不对称svpwm算法模块15等。

参照图6所示，系绳收放fpga电流环数据处理过程如下：旋变信号处理模块5处理旋变信号采集模块4所采集的电机端旋转变压器信号，得到电机的实际角位置θ，根据θ值cordic计算模块6计算出sinθ、cosθ输入到park变换11和park逆变换模块14中。电流采集电路模块2控制外部的ad转换电路模块3采样电机的u、v相电流，得到u、v相电流采样值后经滤波器模块8、定标运算模块9、clark变换模块10和park变换模块11后得到id和iq电流值。在q轴指令电流iq′与q轴实际电流iq差值的基础上增加一个iq电流补偿分量模块12，该补偿分量用于产生一个与该位置齿槽转矩大小相等方向相反的电动转矩以补偿电机的齿槽转矩，抑制转矩脉动。将经过处理的d轴电流与q轴电流输入至电流环控制器模块13中，得到d轴和q轴的指令电压usd、usq，再经过park逆变换模块14后得到α、β轴的指令电压uα、uβ。uα、uβ通过双边不对称svpwm算法模块15输出6路pwm信号至电机驱动模块16从而控制电机1，系统采用该算法可拓宽电流环带宽，提高系统快速响应性能。

利用本申请实施例提供的空间目标拖曳系绳收放和切换控制系统进行作业时，系统上电后，dsp首先对控制器数据寄存器的内存、外存、io口等进行自检诊断，自检通过则控制器开始工作，若自检出错，控制器发送故障码遥测下传，地面介入进行故障处理。dsp运行过程中看门狗电路定时喂狗，若发生dsp复位造成软件工作异常，电机制动器会立即锁定机构不动作，防止dsp故障造成系绳工作不可控。

控制系统在系绳收放控制过程中，接收飞行器发送的系绳工作的张力或速度目标指令，控制器持续检测机构的张力传感器和旋转变压器信号进行闭环控制，将系绳控制在要求的张力或速度范围内，并根据张力环控制故障策略、速度环控制故障策略、夹送电机与缠绕电机协同控制故障策略，自动识别各控制故障模式。当张力控制输出值与目标张力值偏差大于一定值时，张力环控制故障，系统降级为速度环控制；当速度控制输出值与目标速度值偏差大于一定值时，速度环控制故障，控制器可进行主机切换至备机，进行故障处置；当夹送电机与缠绕电机工作不同步，导致两者之间的缓冲单元旋变角度大于一定值时，协同闭环控制故障，系统可转入开环控制模式，单独控制每个电机运动，从而处置机构故障、系绳卡滞或缠绕等原因带来的故障。

控制系统在系绳切换控制过程中，当接收到系绳切割指令时，控制器将夹送电机与缠绕电机之间的缓冲单元旋变角度控制在0°±5°，锁定电机制动器，使得系绳保持一定的张力，通过系绳切换和通信fpga控制系绳切换电机驱动模块工作，驱动系绳夹持切割电机运动从而切割系绳。整个控制过程中，控制器监测电机霍尔信号状态，若电机霍尔状态出错，系统可由系绳夹持切割主份电机切换至备份电机完成切绳工作。

控制系统在系绳连接控制过程中，当接收到系绳连接指令时，控制器通过系绳收放fpga控制系绳连接电机驱动模块工作。当控制系统出现故障时，地面可将控制器由主机切换至备机，完成系绳连接工作。

控制系统在以上所述的系绳收放和切换工作过程中，持续检测系统各个状态信号，当发生通信故障、非法指令、软件走飞、电机运行超时、电机和制动器过流时，均会通过1553b总线和rs422通信将系统状态遥测下传地面，通过地面介入进行故障处置。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于终端实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。