CN109573110B - 一种非合作目标捕获***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非合作目标捕获***及方法，属于空间应用技术领域。该***包括目标探测单元、收纳筒体、控制器以及若干个旋转捕获单元；每个旋转捕获单元包括一旋转驱动装置、一半刚性捕获网以及一用于控制半刚性捕获网收拢或展开的收展机构，旋转捕获单元以收纳筒体为中心均匀分布并安装固定于卫星前端面板上，旋转轴线与卫星前端面板垂直，且旋转捕获单元均可围绕各自旋转轴线转动；旋转捕获单元带动半刚性捕获网向收纳筒体中心同步转动,减小半刚性捕获锁所围拢而成的捕获空间,在若干个旋转捕获单元与非合作目标接触压紧后,实现对非合作目标的捕获。在捕获后，通过收拢或展开半刚性捕获网实现对非合作目标的姿态校正和转移收纳。
Description
技术领域
本发明涉及空间应用技术领域，尤其涉及一种非合作目标捕获***及其方法。
背景技术
空间非合作目标是指不是为对接或捕获设计的航天器，即该目标上不安装用于机械臂捕获的抓持机构(手柄)以及用于辅助测量的合作标志器和特征块，或不能进行姿态控制，在空间自由翻滚的航天器。一般包括废弃失效卫星、空间碎片等。
目前，国内外研究较多的非合作目标捕获方法有机械臂抓捕和空间飞网捕获等。机械臂依靠末端执行机构抓捕非合作目标结构特征点，主要抓捕废弃卫星发动机喷管、星箭连接环、太阳帆板等位置，对机械臂的控制测量要求较高；空间飞网只适合抓捕空间碎片，但飞网不能重复使用，且其收回也是一个技术难题。国外也提出了采用鱼叉捕获方案，在鱼叉穿透目标表面利用倒刺进行捕获连接，这种方式容易产生碎片。
本专利针对规则外形的失效卫星或空间碎片提出的一种捕获***及方法，与传统的机械手抓捕方式相比，具有捕获适应范围大、可转移收纳、可重复使用、对载体航天器控制要求低、安全性高、消耗能量少等优点。
发明内容
为了克服以上提到的现有技术的缺点，本发明提供了一种非合作目标捕获***，一种非合作目标捕获***，包括目标探测单元、收纳筒体、控制器以及若干个旋转捕获单元；
每个所述旋转捕获单元包括一旋转驱动装置、一半刚性捕获网以及一用于控制所述半刚性捕获网收拢或展开的收展机构，所述旋转捕获单元以收纳筒体为中心均匀分布并安装固定于卫星前端面板上，所述旋转轴线与卫星前端面板垂直，且所述旋转捕获单元均可围绕各自旋转轴线转动；
所述半刚性捕获网展开后所形成一平面，所述平面近似垂直于所述卫星前端面板；
其中，所述旋转捕获单元带动半刚性捕获网向收纳筒体中心同步转动,减小半刚性捕获锁所围拢而成的捕获空间,在若干个所述旋转捕获单元与非合作目标接触压紧后,实现对非合作目标的捕获。
在一些具体实施例中，在捕获非合作目标前，所述的半刚性捕获网处于展开状态，且若干个所述半刚性捕获网所包络捕获空间为最大状态；
在捕获非合作目标时，若干所述半刚性捕获网同时转动，收拢捕获空间，接触并捕获非合作目标；
在捕获非合作目标完成后，调整所述半刚性捕获网的伸展位移，实现对非合作目标的姿态校正，若干个所述半刚性捕获网同步收拢，实现将非合作目标转移到所述的收纳筒体内。
在一些具体实施例中，所述的半刚性捕获网卷绕收纳于收展机构内。
在一些具体实施例中，所述旋转捕获单元的数量为4个。
本发明还提供了一种非合作目标的捕获及收纳方法，包括如下步骤：
S1：若干个所述半刚性捕获网被调整为展开状态，所述的旋转驱动装置运动，调整所述的半刚性捕获网的捕获空间处于最大状态；
S2：所述的目标探测单元测量非合作目标状态信息，反馈给所述的卫星，卫星实时调整运动和姿态，靠近非合作目标，使其进入到所述的捕获空间内；
S3：所述的控制器在接收到所述卫星发出的“捕获信号“后，控制所述的旋转驱动装置旋转，带动所述的半刚性捕获网收拢捕获空间，非合作目标与所述的半刚性捕获网接触，将非合作目标夹紧，实现捕获；
S4：通过所述的测距传感器测量非合作目标的姿态，分别调整所述的半刚性捕获网展开位置实现对非合作目标的姿态校正；
S5：通过同时同步驱动若干个所述半刚性捕获网收拢，将非合作目标带入到所述的收纳筒体内，当到达所述的收纳筒体内规定位置时，停止半刚性捕获网收拢运动；
S6：将收纳筒体封闭后，完成非合作目标的收纳。
在一些具体实施例中，在步骤S2中，所述非合作目标状态信息的状态信息包括位置、姿态。
本发明针对规则外形的失效卫星或空间碎片提出的一种捕获***及方法，与传统的机械手抓捕方式相比，具有捕获适应范围大、可转移收纳、可重复使用、对载体航天器控制要求低、安全性高、消耗能量少等优点。
附图说明
图1是本发明一可选实施例中非合作目标捕获示意图；
图2是本发明一可选实施例中旋转捕获单元示意图；
图3是本发明一可选实施例中半刚性捕获网组成示意图；
图4是本发明一可选实施例中收展机构组成原理示意图；
图5是本发明一可选实施例中旋转驱动装置组成示意图；
图6是本发明一可选实施例中收纳筒体示意图；
图7是本发明一可选实施例中非合作目标捕获过程示意图；
图8是本发明一可选实施例中捕获后非合作目标姿态校正示意图。
图中：1－卫星、2－非合作目标、3－前端面板、100－旋转捕获单元、110－旋转驱动装置、111－电机、112－减速器、113－光电编码器、114－固定支架、120－半刚性捕获网、121－网面、122－龙骨、130－收展机构、131－收展驱动装置、132－卷轴、133-压靠轮、134-支架、200－目标探测单元、300－收纳筒体、301－测距传感器、302－筒盖、400－控制器(图中未显示)。
具体实施方式
以下将结合图1至图8对本发明提供的非合作目标捕获***及方法进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
请参考图1，本发明提供了一种非合作目标捕获***，包括4个旋转捕获单元100、1个目标探测单元200、1个收纳筒体300和1个控制器400(图中未显示)等；所述的旋转捕获单元100以收纳筒体300为中心均布。待捕获的非合作目标2为具有规则几何形状的废弃卫星或空间碎片，本实施例中非合作目标2为一个规则的圆柱体形状。非合作目标捕获***安装于具备姿态控制和轨道控制能力的卫星1的前端面板3上，卫星1的飞行方向与前端面板3垂直。
可选的，非合作目标捕获***也可以设置3个、5个或6个旋转捕获单元均布在所述的收纳筒体300周边。
所述的目标探测单元200由多个激光雷达等组成，安装于所述的前端面板3上，可以探测待捕获目标的空间位置和目标姿态。当待捕获的非合作目标2满足捕获初始条件时，非合作目标捕获***开始工作。
参考图2，所述的旋转捕获单元100包括1个旋转驱动装置110、1个半刚性捕获网120、1个收展机构130等，所述的旋转捕获单元100通过旋转驱动装置110安装固定于卫星前端面板3上，即旋转驱动装置110一端固定于卫星1的前端面板3上，另一端带动所述的收展机构130、半刚性捕获网120等转动。
参考图3，所述的半刚性捕获网120包括网面121和龙骨122；所述的半刚性捕获网120可以沿着卫星1飞行方向展开或收拢。当所述的半刚性捕获网120展开时，半刚性捕获网120形成四边形平面，并且与所述的卫星前端面板3近似垂直(即允许存在一定的偏斜)，该状态称为半刚性捕获网120展开状态；当所述的半刚性捕获网120收拢时，半刚性捕获网120可以收纳于所述的收展机构130内，该状态称为半刚性捕获网120收拢状态。
进一步，所述的龙骨122可以选用碳纤维、复合材料M55J成型杆等弹性材质。所述的网面121可以选用聚酰亚胺、Kevlar(凯夫拉)或Vectra(维克特拉尔)等高韧性、低密度的复合材料。由此，所述的半刚性捕获网120既具有回弹性，又具备绳网柔性。
参考图4，所述的收展机构130包括收展驱动装置131、卷轴132、压靠轮133和支架134等。所述的收展驱动装置131一般由电机、减速器和光电编码器组成，具有驱动和位置测量等功能。所述的收展驱动装置131与所述的卷轴132直接相连，能够实现动力的传递。所述的收展驱动装置131带动所述的卷轴132转动，将所述的半刚性捕获网120收拢缠绕到所述的卷轴132上，或者从卷轴132上释放展开。当处于半刚性捕获网120收拢状态时，所述的收展机构130处于类似画轴的长杆状。
进一步的，所述的压靠轮133与卷轴132相互靠紧，一般采用弹簧预紧或预留较小间隙等方式实现。这样，半刚性捕获网120的龙骨122就被夹持在压靠轮133与卷轴132之间，在半刚性捕获网120展开或收拢过程中，通过压靠轮133的挤压作用，确保龙骨122达到预定的变形，实现半刚性捕获网120的卷曲或舒展。
参考图5，所述的旋转驱动装置110包括电机111、减速器112、光电编码器113和固定支架114等；所述的旋转捕获单元100以所述的旋转驱动装置110旋转轴为中心在一定范围内转动，所述的旋转驱动装置110的旋转轴垂直于卫星前端面板3，一般旋转角度不超过90°。所述的旋转驱动装置110与所述的收展机构130一端相连。当所述的旋转驱动装置110转动时，所述的收展机构130和半刚性捕获网120会绕着所述的旋转捕获单元100的旋转轴在所述的卫星前端面板3上方转动。
参考图1，所述的收纳筒体300位于卫星前端面板3中心位置，并且沉入卫星星体内，其开口位置处于卫星前端面板3，所述的旋转驱动装置110围绕着所述的收纳筒体300周围均匀分布。
参考图6，所述的收纳筒体300包括测距传感器301和筒盖302，所述的测距传感器301安装于所述的收纳筒体300底部位置，用于检测非合作目标与所述的收纳筒体300之间的距离。所述的测距传感器301一般由3个激光传感器组成，可选的，所述的测距传感器301可以采用微波测距、红外测距等方式，也可以采用接触式测量方法。在所述的收纳筒体300开口位置处设置了筒盖302，可以通过平移筒盖302实现收纳筒体300的封闭，该筒盖302的封盖操作采用一般机械设计方式实现，本专利不再赘述。
进一步，所述的收展驱动装置131通过所述的光电编码器对所述的半刚性捕获网120的收展位置进行测量；旋转驱动装置110通过所述的光电编码器对所述的旋转捕获单元100的旋转角度进行测量。可选的，所述的位置及角度测量方法也可以选用旋转变压器、霍尔传感器等方式。
参考图7，关于非合作目标的捕获方法如下：
当所述的4个半刚性捕获网120处于展开状态时，由4个半刚性捕获网120所围拢而成的最大内部空间称为捕获空间。所述的4个旋转捕获单元100通过绕着各自旋转轴旋转，即图7中的旋转轴C1、C2、C3和C4，分别带动半刚性捕获网120向所述的收纳筒体300中心位置靠拢，所述的4个半刚性捕获网120围拢而成的捕获空间由此减小，处于捕获空间中的非合作目标与所述的半刚性捕获网120相互接触受力，接触位置分别为W1、W2、W3和W4，从而实现非合作目标2的捕获。
参考图7和图8，关于非合作目标2捕获后导入收纳筒体300的方法如下：
当完成非合作目标2被捕获后，通过所述的测距传感器301测量非合作目标2底部平面(即靠近所述卫星前端面板3的平面)与所述收纳筒体300之间的距离，利用“三点成面”的原理来判断非合作目标2底部是否与卫星前端面板3平行，从而判断非合作目标2是否处于姿态校正状态。分别调整所述的4个半刚性捕获网120的展开位置对非合作目标2的姿态进行校正。在图8中，按照图示箭头方向调整两个半刚性捕获网120相对位置关系，通过半刚性捕获网120带动非合作目标2进行姿态调整，在此过程中，半刚性捕获网120的运动距离应根据测距传感器301测量结果来给出。
以图8中示意为例说明，收展驱动装置131带动卷轴132旋转，从而带动半刚性捕获网120进行上下运动。图8中W1和W3分别为2个半刚性捕获网120与非合作目标2的接触位置，通过调整2个半刚性捕获网120的伸展位置，调整非合作目标2的姿态，通过测距传感器301获得非合作目标2的姿态信息的反馈。
当完成非合作目标2的姿态校正后，通过同时同步驱动所述的4个半刚性捕获网120收拢，通过半刚性捕获网120与非合作目标2之间摩擦力将非合作目标2带入到所述的收纳筒体300内。当到达所述的收纳筒体300内规定位置时，停止半刚性捕获网120收拢运动。驱动筒盖302将收纳筒体300封闭后，实现非合作目标2的收纳，之后进行后续任务操作。
本发明还提供了一种非合作目标的捕获及收纳方法，包括如下步骤：
S1：4个所述的半刚性捕获网120被调整为展开状态，4个所述的旋转驱动装置110运动，调整所述的半刚性捕获网120的捕获空间处于最大状态；
S2：所述的目标探测单元200测量非合作目标2位置、姿态等信息，反馈给所述的卫星，卫星实时调整运动和姿态，靠近非合作目标，使其进入到所述的捕获空间内；
S3：所述的控制器400在接收到所述卫星发出的“捕获信号“后，控制所述的旋转驱动装置110快速旋转，带动所述的半刚性捕获网120收拢捕获空间，非合作目标2与所述的半刚性捕获网120接触，将非合作目标2夹紧，实现捕获；
S4：通过所述的测距传感器301测量非合作目标2的姿态，分别调整所述的4个半刚性捕获网120展开位置实现对非合作目标2的姿态校正；然后，进入步骤S5；
S5：通过同时同步驱动所述的4个半刚性捕获网120收拢，将非合作目标2带入到所述的收纳筒体300内。当到达所述的收纳筒体300内规定位置时，停止半刚性捕获网120收拢运动；
S6：将收纳筒体300封闭后，完成非合作目标的收纳。
本发明针对规则外形的失效卫星或空间碎片提出的一种捕获***及方法，与传统的机械手抓捕方式相比，具有捕获适应范围大、可转移收纳、可重复使用、对载体航天器控制要求低、安全性高、消耗能量少等优点。
Claims (6)
1.一种非合作目标捕获***，其特征在于，包括：目标探测单元、收纳筒体、控制器以及若干个旋转捕获单元；
每个所述旋转捕获单元包括一旋转驱动装置、一半刚性捕获网以及一用于控制所述半刚性捕获网收拢或展开的收展机构，所述旋转捕获单元以收纳筒体为中心均匀分布并安装固定于卫星前端面板上，旋转轴线与卫星前端面板垂直，且所述旋转捕获单元均可围绕各自旋转轴线转动；
所述半刚性捕获网展开后所形成一平面，所述平面近似垂直于所述卫星前端面板；
其中，所述旋转捕获单元带动半刚性捕获网向收纳筒体中心同步转动,减小半刚性捕获锁所围拢而成的捕获空间,在若干个所述旋转捕获单元与非合作目标接触压紧后,实现对非合作目标的捕获。
2.如权利要求1所述的非合作目标捕获***，其特征在于：
在捕获非合作目标前，所述的半刚性捕获网处于展开状态，且若干个所述半刚性捕获网所包络捕获空间为最大状态；
在捕获非合作目标时，若干所述半刚性捕获网同时转动，收拢捕获空间，接触并捕获非合作目标；
在捕获非合作目标完成后，调整所述半刚性捕获网的伸展位移，实现对非合作目标的姿态校正，若干个所述半刚性捕获网同步收拢，实现将非合作目标转移到所述的收纳筒体内。
3.如权利要求1所述的非合作目标捕获***，其特征在于：所述的半刚性捕获网卷绕收纳于收展机构内。
4.如权利要求1所述的非合作目标捕获***，其特征在于：所述旋转捕获单元的数量为4个。
5.一种非合作目标的捕获及收纳方法，其特征在于：如权利要求1至4中任一项所述的非合作目标的捕获***，包括如下步骤：
S1：若干个所述半刚性捕获网被调整为展开状态，所述的旋转驱动装置运动，调整所述的半刚性捕获网的捕获空间处于最大状态；
S2：所述的目标探测单元测量非合作目标状态信息，反馈给所述的卫星，卫星实时调整运动和姿态，靠近非合作目标，使其进入到所述的捕获空间内；
S3：所述的控制器在接收到所述卫星发出的“捕获信号“后，控制所述的旋转驱动装置旋转，带动所述的半刚性捕获网收拢捕获空间，非合作目标与所述的半刚性捕获网接触，将非合作目标夹紧，实现捕获；
S4：通过测距传感器测量非合作目标的姿态，分别调整所述的半刚性捕获网展开位置实现对非合作目标的姿态校正；
S5：通过同时同步驱动若干个所述半刚性捕获网收拢，将非合作目标带入到所述的收纳筒体内，当到达所述的收纳筒体内规定位置时，停止半刚性捕获网收拢运动；
S6：将收纳筒体封闭后，完成非合作目标的收纳。
6.如权利要求5所述的一种非合作目标的捕获及收纳方法，其特征在于：在步骤S2中，所述非合作目标状态信息包括位置、姿态。
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2018
- 2018-09-20 CN CN201811101005.8A patent/CN109573110B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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