一种空间交会对接地面运动模拟系统

本发明属于空间操作任务地面验证，具体涉及一种空间交会对接地面运动模拟系统。

背景技术：

1、空间交会对接是航天器在轨操作中的一项最基础、最重要的任务，是后续展开航天器燃料加注、空间站零件更换等复杂任务的前提。交会对接过程中，目标航天器与追踪航天器之间不仅存在相对轨道运动，也各自处于高速的绝对轨道运动中，两者的运动状态均无法精确预测，这对于对接过程的精密操作带来了巨大的挑战。鉴于空间交会对接任务的高难度与高风险性，直接在轨实施易面临难以预料的技术风险，因此在空间任务正式实施前，必须通过地面验证环节对所设计的空间任务与系统研制方案进行合理性与技术可行性评估。地面验证结果的可信性在很大程度上取决于对真实空间环境特征及轨道运动规律的模拟程度。因此，地面验证中对交会对接过程中轨道运动的精准模拟与再现是提高空间技术可靠性、降低任务风险的核心环节，具有至关重要的意义。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种空间交会对接地面运动模拟系统，可长时间运行，能够对近距离交会对接过程中目标航天器与追踪航天器的姿轨运动进行模拟。

2、本发明的技术方案：一种空间交会对接地面运动模拟系统，包括目标航天器运动模拟子系统、追踪航天器运动模拟子系统、模拟航天器全局位姿测量子系统、模拟航天器相对位姿测量子系统与任务控制子系统。

3、所述目标航天器运动模拟子系统，包括三维龙门架、直流伺服电机及其减速器、直流伺服电机驱动器、悬挂单元、刚性丝杆、步进电机、模拟目标器、嵌入式主控板、无线传输模块、定位标志点群；三维龙门架由铝合金支架组成长方体结构，采用3台带减速机的直流伺服电机作为运动执行器；控制水平方向自由度运动的2台伺服电机固定在龙门架顶部，通过皮带传送装置驱动顶部的悬挂单元，带动模拟目标航天器进行水平运动；悬挂单元由竖直方向上带有抱闸机构的伺服电机组成，内部通过齿轮与竖直的刚性丝杆啮合，驱动模拟目标航天器进行竖直方向运动；3台伺服电机驱动器分别与3台直流伺服电机连接，并通过232串口通讯线组网；刚性丝杆的底部固连了步进电机，步进电机负责驱动模拟目标航天器进行绕竖直轴的姿态运动；模拟目标航天器外壳上固定有定位标志点群，末端安装与对接器匹配的对接机构；无线传输模块固定于悬挂单元处，通过ttl串口通讯线接入嵌入式主控板，接收模拟目标航天器的全局位姿数据；嵌入式主控板同样固定于悬挂单元处，通过232串口通讯接口与3台伺服电机驱动器组网，通过pwm端口连接步进电机，根据航天器的模拟轨道数据计算运动控制指令并控制龙门架伺服电机与步进电机运动，模拟目标航天器的空间轨道运动与姿态机动过程。

4、所述模拟航天器全局位姿测量子系统，包括动作捕捉红外相机群、分布式信号测量采集器、上位机及测量系统软件、标定杆、路由器；动作捕捉红外相机群均匀安装在室内四周墙壁，通过红外线感知视野内模拟目标航天器与模拟追踪航天器上固定的定位标志点群，将图像数据通过网线回传给分布式信号测量采集器；分布式信号测量采集器收集所有相机图像数据并通过网线回传至上位机；上位机中安装的测量系统软件根据所有相机数据进行计算，得到模拟目标航天器和模拟追踪航天器对应的刚体对象在空间中的实时位姿，并通过局域网广播；路由器将上位机连接到局域网络；标定杆负责对动作捕捉红外相机群系统进行安装位姿标定以及世界坐标系确定。

5、所述模拟航天器相对位姿测量子系统，包括智能单目视觉相机与apriltag标志码。apriltag标志码固定在模拟目标航天器的末端对接机构处，作为其合作标志；智能单目视觉相机安装在模拟追踪航天器的追踪机械臂末端，负责计算图像中捕获的apriltag标志码的相对位姿并回传给嵌入式主控板。

6、所述追踪航天器运动模拟子系统，包括三轮全向移动基座、四自由度机械臂、智能单目视觉相机、末端对接器、定位标志点群、嵌入式主控板、无线传输模块；移动基座呈正六边形中空棱柱，顶部固定定位标志点群，内部放置锂电池模组以及电机驱动器，外部呈中心对称式安装3组全向轮，车轮轴穿过车体壁连接到内部的3台轮毂伺服电机减速器输出轴上，由伺服电机驱动，提供追踪航天器运动模拟子系统地面三自由度运动的能力；轮毂伺服电机分别与伺服电机驱动器相连，3台伺服电机驱动器相互串联，并连接到固定在移动基座顶端的第4台伺服电机驱动器，完成组网；追踪机械臂由第一关节直流伺服电机、直角行星减速机、联轴器、丝杆导轨、三角固定件、第二关节电机、第三关节电机、伺服电机驱动器、第一金属连杆、第二金属连杆、相机固定件、末端对接器组成，拥有三自由度；第一关节直流伺服电机轴连接到直角行星减速机输入端，直角行星减速机输出端通过联轴器与竖直固定在移动基座顶端的丝杆导轨相连；丝杆导轨作为机械臂第一关节，受伺服电机轴的转动进行平动运动，提供末端平动自由度；三角固定件分别与移动基座和丝杆导轨固连，起到稳固导轨作用；第一金属连杆前端与丝杆导轨固连，后端连接第二关节电机，第二关节电机转轴保持水平，提供末端俯仰自由度，并连接到第二金属连杆，第二金属连杆另一端连接到第三关节电机，第三关节电机提供末端滚转自由度，同时连接到相机固定件与末端对接器；末端对接器留有3个平行中空轴并放置3台电推杆，由其分别驱动3根对接杆进行伸缩运动，实现对接器操作，其与智能单目视觉相机通过相机固定件共同固连在追踪机械臂末端；智能单目视觉相机的镜头光轴与对接器轴向平行，且与对接器保持固定位姿；无线传输模块固定于移动基座侧面，通过ttl串口通讯线连接到嵌入式主控板；嵌入式主控板同样固定于移动基座侧面，经由can总线通讯接口与第二关节电机、第三关节电机与4台伺服电机驱动器组网，经由ttl串口通讯线连接到智能单目视觉相机，同时通过pwm端口线连接末端电推杆，通过无线传输模块接收系统的全局位姿数据，计算运动控制指令并控制基座车轮与机械臂关节运动。

7、所述任务控制子系统为基于微软visual studio环境开发的上位机软件，具有监控系统运行参数、通过网络发送系统控制指令的功能。

8、本发明一种空间交会对接地面运动模拟系统的工作原理为：在进行地面交会对接过程模拟时，所述模拟航天器全局位姿测量子系统的上位机软件通过回传的所有相机图像数据计算得到模拟目标航天器和模拟追踪航天器在空间中的位姿数据，并通过路由器将坐标数据在局域网中进行广播；目标航天器运动模拟子系统中，无线传输模块通过局域网接收全局位姿数据与任务控制子系统指令并回传给嵌入式主控板，嵌入式主控板响应任务启动指令，根据模拟目标航天器定位标志点群实时位姿与期望跟踪的轨道信息计算得到控制量并控制三维龙门架直流伺服电机及步进电机进行运动，实现对模拟目标航天器空间轨道运动与姿态机动过程的模拟；模拟航天器相对位姿测量子系统中，单目智能视觉相机当视野中捕获到模拟目标航天器apriltag标志码时，结合标志码先验信息与位姿解算算法计算得到标志码的相对位姿，作为模拟目标航天器与模拟追踪航天器之间相对位姿的近似并将数据回传至嵌入式主控板；追踪航天器运动模拟子系统中，无线传输模块通过局域网中接收全局位姿数据与任务中心指令并回传给嵌入式主控板，嵌入式主控板收集模拟航天器全局位姿测量子系统与模拟航天器相对位姿测量子系统的回传数据，通过融合算法计算得到模拟目标航天器与模拟追踪航天器之间的位姿跟踪误差，同时响应任务中心指令，基于运动学控制算法计算得到控制量并控制移动基座车轮伺服电机与追踪机械臂关节电机运动。模拟目标航天器与模拟追踪航天器进行轨道模拟运动的同时，追踪机械臂末端对接器对模拟目标航天器对接机构的跟踪误差收敛且稳定后，控制末端对接器电推杆推进并与模拟目标航天器对接器对接，完成交会对接任务。

9、本发明对比已有技术具有如下特点：

10、1、采用移动基座搭载机械臂的验证方案，提供了可长时间、大范围运行的空间任务地面模拟环境，系统运行成本较低，维护相对简单，控制精度高。

11、2、克服以往空间交会对接任务地面模拟系统缺乏模拟航天器轨道运动功能的不足，实现了对模拟追踪航天器、目标航天器的绝对轨道和相对轨道运动的模拟。

12、3、完整再现了空间交会对接任务中航天器远距离导引、机动变轨、目标逼近到近距离操作对接的过程，验证空间交会对接任务的变轨控制方案与任务设计方案的可行性。