CN105966644A - 用于在轨服务技术验证的模拟服务星 - Google Patents

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Abstract

一种用于在轨服务技术验证的模拟服务星，包括通讯子***、姿轨控制子***、操作机构子***、推进子***以及电源子***,通信子***利用无线通信模块通过无线路由器实现姿轨控制子***和地面控制站之间的通信，用于模拟在轨天地无线通信链路；操作机构子***在中央处理单元的控制下用于完成模拟在轨操作任务；推进子***在中央处理单元的控制下实现控制模拟服务星的水平运动和旋转运动，使模拟服务星按期望运动完成与目标航天器交会对接；所述电源子***为模拟服务星的各用电设备提供工作电源；姿轨控制子***包括相对位姿测量单元和中央处理单元。本发明更加真实的模拟了在轨环境下服务航天器的动力学特性。

Description

用于在轨服务技术验证的模拟服务星
技术领域
本发明涉及空间机器人领域，具体说涉及一种用于在轨服务技术验证的模拟服务星。
背景技术
空间在轨服务技术是当今国际上航天技术的研究热点，也是“十三五”国家战略百大工程项目之一，但是直接开展在轨实验需要耗费大量人力物力，而且存在较高风险，因此需要充分开展空间在轨服务地面模拟实验。模拟服务星设计是实现地面在轨服务技术模拟的重要环节。
目前用于在轨服务技术地面模拟根据微重力模拟方式不同可以分为基于自由落体运动的微重力模拟***、基于抛物线飞行的微重力模拟***、水浮实验***、吊丝配重实验***和平面气浮式实验***几种。其中平面气浮式实验***的实验时间不受限制，可靠性及鲁棒性高，以及对实验件的结构没有太多限制，是目前使用最广泛的空间操作地面模拟方式。
目前公开报导的平面气浮式模拟服务星有的模拟服务星没有集成机械臂，不能模拟空间机械臂的在轨操作；有的仅对机械臂进行重力消除，卫星本体仍然固定，不能模拟卫星和机械臂之间的耦合运动；有的模拟服务星集成了机械臂但是需要外接供电电缆，这会严重干扰模拟服务星的运动而影响实验效果。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种用于在轨服务技术验证的模拟服务星。
本发明的技术方案是：
一种用于在轨服务技术验证的模拟服务星，包括通讯子***、姿轨控制子***、操作机构子***、推进子***以及电源子***。
所述通信子***利用无线通信模块通过无线路由器实现姿轨控制子***和地面控制站之间的通信，用于模拟在轨天地无线通信链路。
所述操作机构子***在中央处理单元的控制下用于完成模拟在轨操作任务。
所述推进子***在中央处理单元的控制下实现控制模拟服务星的水平运动和旋转运动，使模拟服务星按期望运动完成与目标航天器交会对接。
所述电源子***为模拟服务星的各用电设备提供工作电源。
所述姿轨控制子***包括相对位姿测量单元和中央处理单元，在模拟服务星逼近目标航天器的过程中，相对位姿测量单元对目标航天器的靶标进行检测，检测得到的图像输给中央处理单元，然后中央处理单元对检测得到的图像进行处理，并解算得到相对位姿，中央处理单元通过控制算法生成推进子***的控制指令，控制模拟服务星按期望运动完成与目标航天器交会对接；模拟服务星与目标航天器完成交会对接后，中央处理单元控制操作机构子***对目标航天器自主模拟在轨操作；在交会对接和操作过程中，模拟服务星的状态信息通过无线通信模块送到地面控制站进行显示；地面控制站能够实时发送控制指令，控制模拟服务星的运动以及控制操作机构子***的运动来完成模拟在轨操作任务。其中模拟服务星的状态信息包括模拟服务星相对目标星的位置、速度、姿态、角速度，以及机械臂的关节角等等。
进一步地，本发明还包括模拟服务星舱体，模拟服务星舱体用于安装和承载模拟服务星的各组成设备。模拟服务星舱体内部采用两层框架结构，可以充分利用内部空间。模拟服务星舱体内设置有储气装置。本发明中储气装置为多个相连通的用于储存空气的储气罐。储气装置连接有两条带有减压阀和截止阀的管路，其中一条管路通过气足34将储气装置内的压缩空气喷出进而将模拟服务星悬浮在气浮平台上，模拟微重力环境。模拟服务星舱体上设置有对接杆和电磁单元，模拟服务星与目标航天器交会对接过程中，对接杆***目标航天器的对接锥中，然后电磁单元产生吸力和目标航天器的吸合装置锁紧，保证服务航天器和目标航天器有效连接。
进一步地，本发明所述推进子***包括飞轮、电磁阀、电磁阀控制器、储气装置和喷管，所述飞轮能够提供力矩，用于控制模拟服务星的旋转运动；所述储气装置上连接的另一条管路连接喷管，且储气装置与喷管之间的管路上连接有电磁阀，储气装置中的气体通过电磁阀从喷管喷出产生推力从而控制模拟服务星的水平运动，所述电磁阀控制器用于控制电磁阀的打开和关闭，喷管和飞轮协作完成模拟服务星的运动控制。
定义一个固连在模拟服务星上的本体坐标系，其中+X方向指向模拟服务星的前进方向，+Z方向竖直向上，+Y方向满足右手法则。进一步地，本发明储气装置上用于连接喷管的管路分为6条支路，6条支路上均连接有电磁阀和喷管组合，即本发明总共布置有6个电磁阀和喷管组合。在+/-X方向各分布有两个电磁阀和喷管组合，在+/-Y方向各一个电磁阀和喷管组合，这个布局可以用最少的电磁阀和喷管组合提供推力和力矩。
进一步地，本发明的操作机构子***包括机械臂控制器、机械臂、机械手控制器和机械手，机械臂控制器控制机械臂的动作，机械臂控制器通过网口与中央处理单元进行信息交互；机械手控制器控制机械手的动作，机械手控制器通过RS232与中央处理单元进行信息交互。
进一步地，本发明的机械臂控制器采用220V交流供电，控制器内部运动控制卡采用DMC2143多轴独立控制器，能够同时支持8交流伺服电机；机械臂具有四个关节，每个关节有独立的绝对编码器测量当前位置以及有硬件和软件两种限位功能确保安全；机械手控制器采用12V直流供电；机械手为单自由度手爪，通过舵机控制手爪的张开和闭合运动，用于完成模拟在轨操作任务。
进一步地，本发明的电源子***包括多功能结构电池、电源变换器和逆变器，多功能结构电池提供28V电源，电源变换器将多功能结构电池提供的28V电源变换为24V、12V和5V的电压，给模拟服务星的各用电设备提供电源；逆变器是将多功能结构电池提供的28V电源转换为220V交流电给机械臂提供电源。其中：多功能结构电池为是模拟服务星舱体的一个内嵌有锂电池的舱板。
本发明的有益效果是：
一是在微重力模拟卫星平台基础上集成了操作机构子***，在一个平面上模拟了在轨卫星本体和机械臂之间的耦合运动，可用于验证微重力环境下在轨服务技术；
二是首次在微重力模拟卫星平台上设计并使用了多功能结构技术，采用多功能结构电池独立供电，克服了传统的外接供电电缆对模拟服务星运动的干扰，更加真实的模拟了在轨环境下服务航天器的动力学特性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图1中：11、模拟服务星舱体；12、气浮平台；13、电磁单元；14、对接杆；15、机械臂；16、机械手；17、相对位姿测量单元；18、无线通信模块；19、多功能结构电池；
图2是舱体内部结构示意图。
图2中：21、中央处理单元；22、电源变换器；23、逆变器；
图3是气浮装置结构示意图。
图3中：31、电磁阀；32、喷管；33、储气罐；34、气足
图4是本发明的工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
参照图1，为本发明一种用于在轨服务技术验证的模拟服务星，包括结构和机构子***、推进子***、姿轨控制子***、通信子***、操作机构子***和电源子***；它用于在轨服务操作相关技术地面模拟和验证，它通过测量模拟目标航天器之间的相对位姿，实现地面模拟自主逼近和交会对接，并可以自主或遥操作方式控制机械臂完成故障解除和模块更换等在轨服务任务。
结构和机构子***包括模拟服务星舱体11、气浮平台12、电磁单元13和对接杆14。如图2所示，模拟服务星舱体11用于安装和承载模拟服务星的各组成***和设备，模拟服务星舱体内部采用两层框架结构，可以充分利用内部空间。如图3所示，模拟服务星舱体11内有两个相互连通的储气罐33，用于储存空气。两个储气罐33连接有两条管道，其中一条管道将两个储气罐33中的压缩空气通过气足34喷气将模拟服务星模拟卫星悬浮在气浮平台12上，模拟微重力环境。模拟服务星舱体11上设置有对接杆14和电磁单元13，模拟服务星与目标航天器交会对接过程中，对接杆14***目标航天器的对接锥中，然后电磁单元13产生吸力和目标航天器的吸合装置锁紧，保证模拟服务星和模拟目标星的有效连接。
推进子***包括飞轮25、电磁阀31、电磁阀控制器24和喷管32；飞轮25可以提供力矩，用于控制服务星的旋转运动。两个储气罐33连接的另一条管道将储气罐33中的气体通过电磁阀31，从喷管32喷出可以产生推力，喷管32直接安装在电磁阀31上，电磁阀控制器24可以控制电磁阀的打开和关闭。定义一个固连在模拟服务星上的本体坐标系，其中+X方向指向模拟服务星的前进方向，+Z方向竖直向上，+Y方向满足右手法则。储气罐33上用于连接喷管32的管路分为6条支路，6条支路上均连接有电磁阀和喷管组合，即本发明总共布置有6个电磁阀和喷管组合，在+/-X方向各两个，在+/-Y方向各一个，这个布局可以用最少的电磁阀和喷管组合提供推力和力矩，从而控制模拟服务星的水平运动和旋转运动，喷管和飞轮协作完成模拟服务星的运动控制。
姿轨控制子***包括相对位姿测量单元17和中央处理单元21，相对位姿测量单元采用单目工业相机，对目标航天器的靶标进行检测，检测得到的图像输给中央处理单元21，然后中央处理单元21对图像进行处理，并解算得到相对位姿。
通信子***利用无线通信模块18通过无线路由器和地面监控设备通信，用于模拟在轨天地无线通信链路。
操作机构子***包括机械臂控制器27、机械臂15、机械手控制器26和机械手16；机械臂控制器采用220V交流供电，控制器内部运动控制卡采用DMC2143多轴独立控制器，可以同时支持8交流伺服电机，通过网口与中央处理单元21进行信息交互；机械臂具有四个关节，每个关节有独立的绝对编码器测量当前位置，以及有硬件和软件两种限位功能确保安全；机械手控制器采用12V直流供电，通过RS232与中央处理单元21进行信息交互；机械手为单自由度手爪，通过舵机控制手爪的张开和闭合运动，用于完成模拟在轨操作任务。
电源子***包括了多功能结构电池19、电源变换器22和逆变器23，多功能结构电池19是模拟服务星舱体的一个内嵌锂电池的舱板，而且内嵌锂电池可以提供28V电源(根据电量不同电压在26V至30V之间变化)，电源变换器22是将锂电池28V变换为24V、12V和5V的电压，给不同类型设备提供电源，逆变器是将锂电池28V转换为220V给机械臂提供电源，避免机械臂外接市电电缆而影响实验效果。
如4所示，本发明用于在轨服务技术验证的模拟服务星的工作流程如下：
在模拟服务星逼近操作对象即目标航天器的过程中，通过相对位姿测量单元17得到靶标的图像，然后中央处理单元21通过解算得到模拟服务星和操作对象之间的相对位置，然后中央处理单元21通过控制算法给生成飞轮和电磁阀控制控制指令，控制模拟服务星按期望运动完成与目标航天器交会对接。
模拟服务星与目标航天器完成交会对接后，中央处理单元21控制机械臂和机械手对目标航天器自主模拟在轨操作。
在交会对接和操作过程中，状态信息可以通过无线通信模块送到地面控制站进行显示；地面控制站也可以实时发送控制指令，控制模拟服务星的运动，以及控制机械臂和机械手的运动来完成模拟在轨操作任务。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于在轨服务技术验证的模拟服务星，其特征在于，包括通讯子***、姿轨控制子***、操作机构子***、推进子***以及电源子***，
所述通信子***利用无线通信模块通过无线路由器实现姿轨控制子***和地面控制站之间的通信，用于模拟实际在轨卫星***的天地无线通信链路；
所述操作机构子***在中央处理单元的控制下用于完成模拟在轨操作任务；
所述推进子***在中央处理单元的控制下实现控制模拟服务星的水平运动和旋转运动，使模拟服务星按期望运动完成与目标航天器交会对接；
所述电源子***为模拟服务星的各用电设备提供工作电源；
所述姿轨控制子***包括相对位姿测量单元和中央处理单元，在模拟服务星逼近目标航天器的过程中，相对位姿测量单元对目标航天器的靶标进行检测，检测得到的图像输给中央处理单元，然后中央处理单元对检测得到的图像进行处理，并解算得到相对位姿，中央处理单元通过控制算法生成推进子***的控制指令，控制模拟服务星按期望运动完成与目标航天器交会对接；模拟服务星与目标航天器完成交会对接后，中央处理单元控制操作机构子***对目标航天器自主模拟在轨操作；在交会对接和操作过程中，模拟服务星的状态信息通过无线通信模块送到地面控制站进行显示；地面控制站能够实时发送控制指令，控制模拟服务星的运动以及控制操作机构子***的运动来完成模拟在轨操作任务。
2.根据权利要求1所述的用于在轨服务技术验证的模拟服务星，其特征在于，还包括模拟服务星舱体，模拟服务星舱体用于安装和承载模拟服务星的各组成设备，模拟服务星舱体内设置有储气装置，储气装置为多个相连通的用于储存空气的储气罐，储气装置连接有两条带有减压阀和截止阀的管路，其中一 条管路通过气足将储气装置内的压缩空气喷出进而将模拟服务星悬浮在气浮平台上，模拟微重力环境。
3.根据权利要求2所述的用于在轨服务技术验证的模拟服务星，其特征在于，所述模拟服务星舱体内部采用两层框架结构。
4.根据权利要求2所述的用于在轨服务技术验证的模拟服务星，其特征在于，所述模拟服务星舱体上设置有对接杆和电磁单元，模拟服务星与目标航天器交会对接过程中，对接杆***目标航天器的对接锥中，然后电磁单元产生吸力和目标航天器的吸合装置锁紧，保证服务航天器和目标航天器有效连接。
5.根据权利要求4所述的用于在轨服务技术验证的模拟服务星，其特征在于，所述推进子***包括飞轮、电磁阀、电磁阀控制器、储气装置和喷管，所述飞轮能够提供力矩，用于控制模拟服务星的旋转运动；所述储气装置上连接的另一条管路连接喷管且储气装置与喷管之间的管路上连接有电磁阀，储气装置中的气体通过电磁阀从喷管喷出产生推力从而控制模拟服务星的水平运动，所述电磁阀控制器用于控制电磁阀的打开和关闭，喷管和飞轮协作完成模拟服务星的运动控制。
6.根据权利要求5所述的用于在轨服务技术验证的模拟服务星，其特征在于，储气装置上用于连接喷管的管路分为6条支路，6条支路上均连接有电磁阀和喷管组合；定义一个固连在模拟服务星上的本体坐标系，其中+X方向指向模拟服务星的前进方向，+Z方向竖直向上，+Y方向满足右手法则；在+/-X方向各分布有两个电磁阀和喷管组合，在+/-Y方向各一个电磁阀和喷管组合。
7.根据权利要求4所述的用于在轨服务技术验证的模拟服务星，其特征在于，操作机构子***包括机械臂控制器、机械臂、机械手控制器和机械手，机械臂控制器控制机械臂的动作，机械臂控制器通过网口与中央处理单元进行信 息交互；机械手控制器控制机械手的动作，机械手控制器通过RS232与中央处理单元进行信息交互。
8.根据权利要求7所述的用于在轨服务技术验证的模拟服务星，其特征在于，机械臂控制器采用220V交流供电，控制器内部运动控制卡采用DMC2143多轴独立控制器，能够同时支持8交流伺服电机；机械臂具有四个关节，每个关节有独立的绝对编码器测量当前位置以及有硬件和软件两种限位功能确保安全；机械手控制器采用12V直流供电；机械手为单自由度手爪，通过舵机控制手爪的张开和闭合运动，用于完成模拟在轨操作任务。
9.根据权利要求4所述的用于在轨服务技术验证的模拟服务星，其特征在于，电源子***包括多功能结构电池、电源变换器和逆变器，多功能结构电池提供28V电源，电源变换器将多功能结构电池提供的28V电源变换为24V、12V和5V的电压，给模拟服务星的各用电设备提供电源；逆变器是将多功能结构电池提供的28V电源转换为220V交流电给机械臂提供电源。
10.根据权利要求9所述的用于在轨服务技术验证的模拟服务星，其特征在于，所述多功能结构电池为是模拟服务星舱体的一个内嵌有锂电池的舱板。
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