一种基于旋翼飞行器的航天器半物理仿真实验系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于旋翼飞行器的航天器半物理仿真实验系统及方法，用于在地 面环境模拟空间失重环境下航天器进行各种操作的半物理仿真实验。
【背景技术】
[0002] 在地面环境下如何搭建实验平台模拟航天器在失重环境下的各种行为是空间技 术地面仿真系统的关键问题。地面实验平台的一项关键技术就是微重力环境的模拟，目前 为止，在地面模拟空间微重力环境主要有W下几种方法：
[0003] 表1.空间失重环境模拟技术
[0004]
[0005] 通过对W上方法的比较可W看出，在地面模拟微重力环境存在很大困难，或者代 价较高（如自由落体、抛物线和水浮法）或者模拟不充分（难W模拟6自由度，如气浮法） 或者系统结构复杂（如吊丝配重法，气浮法）。
[0006] 为了克服W上困难，学者们又提出了一种混合仿真或称为Hardware-in-the-loop (HIL)仿真的概念。利用计算机数学仿真和硬件设备物理仿真相结合的方式共同搭建空间 失重环境下的闭环控制回路。其中一种典型的方式是利用固定基座的机械臂抓举模拟飞 行器，在机械臂末端执行器和模拟飞行器之间安装一个力传感器，利用机械臂的控制力矩 来补偿模拟飞行器的重力矩，从而为其模拟一个失重的飞行环境。计算机仿真系统通过数 学仿真输出模拟飞行器的运动轨迹，而机械臂末端时刻跟踪此轨迹。运种方式可W充分结 合数学仿真和物理仿真的优势，搭建一个更加灵活和尽量真实的仿真环境，已经被美国、欧 洲、日本和加拿大等国的航天科研机构所采用。但目前上述系统比较复杂，成本较高。
【发明内容】
[0007] 本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于旋翼飞行器的航天 器半物理仿真实验系统及方法，不但大大降低了实现难度，并具有研制费用低、简单易行等 优点，可用于模拟空间环境6自由度运动的半物理仿真，W模拟空间飞行器各种形式的相 对运动、交会对接和空间操作等。
[0008] 本发明技术解决方案：一种基于旋翼飞行器的航天器半物理仿真实验系统包括地 面站系统和模拟飞行器5 ;所述地面站系统包括：计算机仿真系统7、无线通信设备6、旋翼 机手控操作器8 ;所述模拟飞行器5包括：旋翼飞行器1、=自由度云台2、力传感器3、负载 4 ;旋翼飞行器1下面固连一个S自由度云台，在云台内轴挂载负载，在云台和负载之间安 装力传感器；旋翼飞行器1的=自由度质屯、运动模拟航天器=自由度质屯、运动，云台2 =自 由度转动模拟航天器=自由度姿态运动，负载4模拟航天器的6自由度运动；力传感器3测 量云台与负载之间的受力，用于补偿负载重力矩的影响；计算机仿真系统负责整个实验系 统的流程监控、动力学及控制系统仿真W及与用户交互、通过无线通信设备6与旋翼飞行 器进行通讯；旋翼机手控操作器8作为辅助控制设备实现人工手动操控旋翼飞行器；计算 机仿真系统有简单和复杂两种工作模式；在简单工作模式下，计算机仿真系统对航天器运 动学与动力学及控制系统进行数学仿真，把相关的运动指令发送到旋翼飞行器和云台，旋 翼飞行器和云台根据发送的运动指令分别进行=自由度的质屯、运动和=自由度的姿态运 动，使负载能够模拟航天器6自由度运动，同时将旋翼飞行器自带传感器测量的飞行状态 发送到计算机仿真系统；在复杂工作模式下，为补偿负载的重力矩影响，旋翼飞行器将力传 感器测量的负载受力发送到计算机仿真系统，计算机仿真系统计算所需要的云台=轴控制 力矩，并把结果发送到旋翼飞行器，旋翼飞行器施加控制力矩驱动云台的=轴运动从而补 偿负载的重力矩影响。
[0009] 所述计算机仿真系统7包括：半物理仿真实验系统总控模块、航天器运动学与动 力学模块、控制系统模块、云台=轴控制力矩重力补偿模块、无线通讯及数据采集模块、用 户界面及数据显示模块；半物理仿真实验系统总控模块，负责整个实验系统的流程监控， 对模拟飞行器、无线通讯设备等各子系统进行控制；航天器运动学与动力学模块负责航天 器轨道动力学、姿态动力学数学仿真；控制系统模块负责控制系统的数学仿真；云台=轴 控制力矩重力补偿模块，负责在复杂模式下计算云台=轴控制力矩来补偿负载的重力矩影 响；无线通讯及数据采集模块，负责通过无线通讯设备传输数据并进行数据采集；用户界 面及数据显示模块，负责与用户交互，并把实验系统的相关数据通过图形方式进行显示；在 简单模式下，计算机仿真系统通过无线通讯及数据采集模块获得当前模拟飞行器状态数 据，然后通过控制系统模块计算当前的控制输入，航天器运动与动力学模块根据当前的控 制输入和航天器质屯、和姿态动力学方程计算航天器下一时刻的飞行状态，并把新的飞行状 态（主要包括位置、速度和加速度W及角度、角速度和角加速度）通过无线通讯及数据采集 模块发送到模拟飞行器；在复杂模式下，航天器运动学与动力学模块仅仅通过航天器质屯、 动力学方程模拟航天器的质屯、运动，航天器姿态运动完全由负载实际的姿态运动实现，即 通过云台=轴控制力矩重力补偿模块，根据力传感器测量值计算负载需要补偿的重力矩， 并经过控制系统模块得到总的云台=轴控制力矩作为驱动云台=轴运动的控制输入通过 无线通讯及数据采集模块发送到模拟飞行器。
[0010] 所述负载4根据实验任务的不同可W搭载不同的负载，包括用于交会对接的对接 接口，用于空间操作的机械臂。
[0011] 一种基于旋翼飞行器的航天器半物理仿真实验方法，包括简单模式和复杂模式；
[0012] (1)简单模式：负载模拟一个具有6自由度运动的航天器。利用旋翼飞行器的质 屯、运动来模拟航天器的质屯、运动，质屯、运动模拟包括：轨道运动模拟和碰撞运动模拟；其 中在轨道运动模拟中，旋翼飞行器利用旋翼机的升力来抵消重力，当忽略气动阻力时，负载 处于失重状态；计算机仿真系统通过航天器质屯、动力学和运动学产生航天器的轨道运动， 旋翼飞行器通过自身的控制在准确抵消重力的情况下，跟踪计算机仿真系统输出的位置、 速度、加速度信号来模拟航天器的轨道运动；碰撞运动模拟是指模拟空间失重环境下的碰 撞及碰撞后航天器的质屯、运动，实验系统通过旋翼飞行器的升力抵消负载的重力，用负载 处于合力为零的失重状态下发生碰撞来模拟空间环境下的航天器碰撞运动；实验系统通过 计算机仿真系统中航天器姿态动力学的数学仿真产生航天器的运动姿态，通过云台力矩控 制使负载跟踪计算机仿真系统输出的角度、角速度、角加速度信号来模拟航天器的姿态运 动，此时，云台控制力矩不抵消负载重力矩的影响，仅作为伺服机构；在此过程中，云台控制 力矩会传递到旋翼飞行器本体，通过旋翼飞行器的控制给出外部反作用力矩来抵消云台控 制力矩对旋翼飞行器姿态的影响，保证抵消负载重力；
[0013] (2)复杂模式：简单模式只是利用航天器姿态动力学的数学仿真来产生姿态运 动，而复杂模式利用负载自身在失重环境下的=自由度姿态运动模拟航天器的姿态运动， 需要抵消其重力矩的影响；复杂模式在简单模式的基础上，由计算机仿真系统根据力传感 器的反馈信号实时计算负载的重力补偿力矩，通过云台控制力矩对负载的重力矩进行主动 补偿，保证负载在整体上受到的合力和合力矩为零；此种模式下，云台控制力矩会传递到旋 翼飞行器本体，通过旋翼飞行器的控制给出外部反作用力矩来抵消云台控制力矩对旋翼飞 行器姿态的影响，保证抵消负载重力矩的影响。
[0014] 本发明相比于上述机械臂抓举模拟航天器的实验方法的优点在于：
[0015] (1)本发明结构简单，造价便宜；
[0016] (2)本发明不受固连机械臂的影响可W在更大空间内运动，并可W模拟多个航天 器之间的交互作用；
[0017] (3)本发明可W模拟交会对接、编队飞行、空间碰撞、抓捕W及各种形式的空间操 作等多种形式的空间任务，并可作为空间领域新技术的验证平台；
[0018] (4)本实验系统配置灵活，不受仿真时间、区域等限制。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明中模拟飞行器结构示意图；
[0020] 图2为本发明实验系统总体结构示意图；
[0021]图3为本发明中计算机仿真系统组成图；
[0022] 图4为本发明中实验系统简单模式工作示意图；