用于在軌服務技術驗證的模擬服務星的制作方法
【專利摘要】一種用于在軌服務技術驗證的模擬服務星，包括通訊子系統、姿軌控制子系統、操作機構子系統、推進子系統以及電源子系統,通信子系統利用無線通信模塊通過無線路由器實現姿軌控制子系統和地面控制站之間的通信，用于模擬在軌天地無線通信鏈路；操作機構子系統在中央處理單元的控制下用于完成模擬在軌操作任務；推進子系統在中央處理單元的控制下實現控制模擬服務星的水平運動和旋轉運動，使模擬服務星按期望運動完成與目標航天器交會對接；所述電源子系統為模擬服務星的各用電設備提供工作電源；姿軌控制子系統包括相對位姿測量單元和中央處理單元。本發明更加真實的模擬了在軌環境下服務航天器的動力學特性。
【專利說明】
用于在軌服務技術驗證的模擬服務星
技術領域
[0001]本發明涉及空間機器人領域，具體說涉及一種用于在軌服務技術驗證的模擬服務星。
【背景技術】
[0002]空間在軌服務技術是當今國際上航天技術的研究熱點，也是“十三五”國家戰略百大工程項目之一，但是直接開展在軌實驗需要耗費大量人力物力，而且存在較高風險，因此需要充分開展空間在軌服務地面模擬實驗。模擬服務星設計是實現地面在軌服務技術模擬的重要環節。
[0003]目前用于在軌服務技術地面模擬根據微重力模擬方式不同可以分為基于自由落體運動的微重力模擬系統、基于拋物線飛行的微重力模擬系統、水浮實驗系統、吊絲配重實驗系統和平面氣浮式實驗系統幾種。其中平面氣浮式實驗系統的實驗時間不受限制，可靠性及魯棒性高，以及對實驗件的結構沒有太多限制，是目前使用最廣泛的空間操作地面模擬方式。
[0004]目前公開報導的平面氣浮式模擬服務星有的模擬服務星沒有集成機械臂，不能模擬空間機械臂的在軌操作;有的僅對機械臂進行重力消除，衛星本體仍然固定，不能模擬衛星和機械臂之間的耦合運動;有的模擬服務星集成了機械臂但是需要外接供電電纜，這會嚴重干擾模擬服務星的運動而影響實驗效果。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的不足，本發明提出了一種用于在軌服務技術驗證的模擬服務星。
[0006]本發明的技術方案是:
[0007]—種用于在軌服務技術驗證的模擬服務星，包括通訊子系統、姿軌控制子系統、操作機構子系統、推進子系統以及電源子系統。
[0008]所述通信子系統利用無線通信模塊通過無線路由器實現姿軌控制子系統和地面控制站之間的通信，用于模擬在軌天地無線通信鏈路。
[0009]所述操作機構子系統在中央處理單元的控制下用于完成模擬在軌操作任務。
[0010]所述推進子系統在中央處理單元的控制下實現控制模擬服務星的水平運動和旋轉運動，使模擬服務星按期望運動完成與目標航天器交會對接。
[0011]所述電源子系統為模擬服務星的各用電設備提供工作電源。
[0012]所述姿軌控制子系統包括相對位姿測量單元和中央處理單元，在模擬服務星逼近目標航天器的過程中，相對位姿測量單元對目標航天器的靶標進行檢測，檢測得到的圖像輸給中央處理單元，然后中央處理單元對檢測得到的圖像進行處理，并解算得到相對位姿，中央處理單元通過控制算法生成推進子系統的控制指令，控制模擬服務星按期望運動完成與目標航天器交會對接;模擬服務星與目標航天器完成交會對接后，中央處理單元控制操作機構子系統對目標航天器自主模擬在軌操作;在交會對接和操作過程中，模擬服務星的狀態信息通過無線通信模塊送到地面控制站進行顯示;地面控制站能夠實時發送控制指令，控制模擬服務星的運動以及控制操作機構子系統的運動來完成模擬在軌操作任務。其中模擬服務星的狀態信息包括模擬服務星相對目標星的位置、速度、姿態、角速度，以及機械臂的關節角等等。
[0013]進一步地，本發明還包括模擬服務星艙體，模擬服務星艙體用于安裝和承載模擬服務星的各組成設備。模擬服務星艙體內部采用兩層框架結構，可以充分利用內部空間。模擬服務星艙體內設置有儲氣裝置。本發明中儲氣裝置為多個相連通的用于儲存空氣的儲氣罐。儲氣裝置連接有兩條帶有減壓閥和截止閥的管路，其中一條管路通過氣足34將儲氣裝置內的壓縮空氣噴出進而將模擬服務星懸浮在氣浮平臺上，模擬微重力環境。模擬服務星艙體上設置有對接桿和電磁單元，模擬服務星與目標航天器交會對接過程中，對接桿插入目標航天器的對接錐中，然后電磁單元產生吸力和目標航天器的吸合裝置鎖緊，保證服務航天器和目標航天器有效連接。
[0014]進一步地，本發明所述推進子系統包括飛輪、電磁閥、電磁閥控制器、儲氣裝置和噴管，所述飛輪能夠提供力矩，用于控制模擬服務星的旋轉運動;所述儲氣裝置上連接的另一條管路連接噴管，且儲氣裝置與噴管之間的管路上連接有電磁閥，儲氣裝置中的氣體通過電磁閥從噴管噴出產生推力從而控制模擬服務星的水平運動，所述電磁閥控制器用于控制電磁閥的打開和關閉，噴管和飛輪協作完成模擬服務星的運動控制。
[0015]定義一個固連在模擬服務星上的本體坐標系，其中+X方向指向模擬服務星的前進方向，+Z方向豎直向上，+Y方向滿足右手法則。進一步地，本發明儲氣裝置上用于連接噴管的管路分為6條支路，6條支路上均連接有電磁閥和噴管組合，即本發明總共布置有6個電磁閥和噴管組合。在+/-X方向各分布有兩個電磁閥和噴管組合，在+/-Y方向各一個電磁閥和噴管組合，這個布局可以用最少的電磁閥和噴管組合提供推力和力矩。
[0016]進一步地，本發明的操作機構子系統包括機械臂控制器、機械臂、機械手控制器和機械手，機械臂控制器控制機械臂的動作，機械臂控制器通過網口與中央處理單元進行信息交互;機械手控制器控制機械手的動作，機械手控制器通過RS232與中央處理單元進行信息交互。
[0017]進一步地，本發明的機械臂控制器采用220V交流供電，控制器內部運動控制卡采用DMC2143多軸獨立控制器，能夠同時支持8交流伺服電機;機械臂具有四個關節，每個關節有獨立的絕對編碼器測量當前位置以及有硬件和軟件兩種限位功能確保安全;機械手控制器采用12V直流供電；機械手為單自由度手爪，通過舵機控制手爪的張開和閉合運動，用于完成模擬在軌操作任務。
[0018]進一步地，本發明的電源子系統包括多功能結構電池、電源變換器和逆變器，多功能結構電池提供28V電源，電源變換器將多功能結構電池提供的28V電源變換為24V、12V和5V的電壓，給模擬服務星的各用電設備提供電源;逆變器是將多功能結構電池提供的28V電源轉換為220V交流電給機械臂提供電源。其中:多功能結構電池為是模擬服務星艙體的一個內嵌有鋰電池的艙板。
[0019]本發明的有益效果是:
[0020]一是在微重力模擬衛星平臺基礎上集成了操作機構子系統，在一個平面上模擬了在軌衛星本體和機械臂之間的耦合運動，可用于驗證微重力環境下在軌服務技術；
[0021]二是首次在微重力模擬衛星平臺上設計并使用了多功能結構技術，采用多功能結構電池獨立供電，克服了傳統的外接供電電纜對模擬服務星運動的干擾，更加真實的模擬了在軌環境下服務航天器的動力學特性。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明的結構示意圖。
[0023]圖1中:11、模擬服務星艙體；12、氣浮平臺；13、電磁單元；14、對接桿；15、機械臂；16、機械手;17、相對位姿測量單元;18、無線通信模塊;19、多功能結構電池；
[0024I圖2是艙體內部結構示意圖。
[0025]圖2中:21、中央處理單元;22、電源變換器;23、逆變器；
[0026]圖3是氣浮裝置結構示意圖。
[0027]圖3中:31、電磁閥；32、噴管;33、儲氣罐;34、氣足
[0028]圖4是本發明的工作流程示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖對本發明進行詳細說明。
[0030]參照圖1，為本發明一種用于在軌服務技術驗證的模擬服務星，包括結構和機構子系統、推進子系統、姿軌控制子系統、通信子系統、操作機構子系統和電源子系統;它用于在軌服務操作相關技術地面模擬和驗證，它通過測量模擬目標航天器之間的相對位姿，實現地面模擬自主逼近和交會對接，并可以自主或遙操作方式控制機械臂完成故障解除和模塊更換等在軌服務任務。
[0031 ]結構和機構子系統包括模擬服務星艙體11、氣浮平臺12、電磁單元13和對接桿14。如圖2所示，模擬服務星艙體11用于安裝和承載模擬服務星的各組成系統和設備，模擬服務星艙體內部采用兩層框架結構，可以充分利用內部空間。如圖3所示，模擬服務星艙體11內有兩個相互連通的儲氣罐33，用于儲存空氣。兩個儲氣罐33連接有兩條管道，其中一條管道將兩個儲氣罐33中的壓縮空氣通過氣足34噴氣將模擬服務星模擬衛星懸浮在氣浮平臺12上，模擬微重力環境。模擬服務星艙體11上設置有對接桿14和電磁單元13，模擬服務星與目標航天器交會對接過程中，對接桿14插入目標航天器的對接錐中，然后電磁單元13產生吸力和目標航天器的吸合裝置鎖緊，保證模擬服務星和模擬目標星的有效連接。
[0032]推進子系統包括飛輪25、電磁閥31、電磁閥控制器24和噴管32;飛輪25可以提供力矩，用于控制服務星的旋轉運動。兩個儲氣罐33連接的另一條管道將儲氣罐33中的氣體通過電磁閥31，從噴管32噴出可以產生推力，噴管32直接安裝在電磁閥31上，電磁閥控制器24可以控制電磁閥的打開和關閉。定義一個固連在模擬服務星上的本體坐標系，其中+X方向指向模擬服務星的前進方向，+Z方向豎直向上，+Y方向滿足右手法則。儲氣罐33上用于連接噴管32的管路分為6條支路，6條支路上均連接有電磁閥和噴管組合，即本發明總共布置有6個電磁閥和噴管組合，在+/-X方向各兩個，在+/-Y方向各一個，這個布局可以用最少的電磁閥和噴管組合提供推力和力矩，從而控制模擬服務星的水平運動和旋轉運動，噴管和飛輪協作完成模擬服務星的運動控制。
[0033]姿軌控制子系統包括相對位姿測量單元17和中央處理單元21，相對位姿測量單元采用單目工業相機，對目標航天器的靶標進行檢測，檢測得到的圖像輸給中央處理單元21，然后中央處理單元21對圖像進行處理，并解算得到相對位姿。
[0034]通信子系統利用無線通信模塊18通過無線路由器和地面監控設備通信，用于模擬在軌天地無線通信鏈路。
[0035]操作機構子系統包括機械臂控制器27、機械臂15、機械手控制器26和機械手16;機械臂控制器采用220V交流供電，控制器內部運動控制卡采用DMC2143多軸獨立控制器，可以同時支持8交流伺服電機，通過網口與中央處理單元21進行信息交互;機械臂具有四個關節，每個關節有獨立的絕對編碼器測量當前位置，以及有硬件和軟件兩種限位功能確保安全;機械手控制器采用12V直流供電，通過RS232與中央處理單元21進行信息交互;機械手為單自由度手爪，通過舵機控制手爪的張開和閉合運動，用于完成模擬在軌操作任務。
[0036]電源子系統包括了多功能結構電池19、電源變換器22和逆變器23，多功能結構電池19是模擬服務星艙體的一個內嵌鋰電池的艙板，而且內嵌鋰電池可以提供28V電源(根據電量不同電壓在26V至30V之間變化)，電源變換器22是將鋰電池28V變換為24V、12V和5V的電壓，給不同類型設備提供電源，逆變器是將鋰電池28V轉換為220V給機械臂提供電源，避免機械臂外接市電電纜而影響實驗效果。
[0037]如4所示，本發明用于在軌服務技術驗證的模擬服務星的工作流程如下:
[0038]在模擬服務星逼近操作對象即目標航天器的過程中，通過相對位姿測量單元17得到靶標的圖像，然后中央處理單元21通過解算得到模擬服務星和操作對象之間的相對位置，然后中央處理單元21通過控制算法給生成飛輪和電磁閥控制控制指令，控制模擬服務星按期望運動完成與目標航天器交會對接。
[0039]模擬服務星與目標航天器完成交會對接后，中央處理單元21控制機械臂和機械手對目標航天器自主模擬在軌操作。
[0040]在交會對接和操作過程中，狀態信息可以通過無線通信模塊送到地面控制站進行顯示;地面控制站也可以實時發送控制指令，控制模擬服務星的運動，以及控制機械臂和機械手的運動來完成模擬在軌操作任務。
[0041]以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種用于在軌服務技術驗證的模擬服務星，其特征在于，包括通訊子系統、姿軌控制子系統、操作機構子系統、推進子系統以及電源子系統， 所述通信子系統利用無線通信模塊通過無線路由器實現姿軌控制子系統和地面控制站之間的通信，用于模擬實際在軌衛星系統的天地無線通信鏈路； 所述操作機構子系統在中央處理單元的控制下用于完成模擬在軌操作任務； 所述推進子系統在中央處理單元的控制下實現控制模擬服務星的水平運動和旋轉運動，使模擬服務星按期望運動完成與目標航天器交會對接； 所述電源子系統為模擬服務星的各用電設備提供工作電源； 所述姿軌控制子系統包括相對位姿測量單元和中央處理單元，在模擬服務星逼近目標航天器的過程中，相對位姿測量單元對目標航天器的靶標進行檢測，檢測得到的圖像輸給中央處理單元，然后中央處理單元對檢測得到的圖像進行處理，并解算得到相對位姿，中央處理單元通過控制算法生成推進子系統的控制指令，控制模擬服務星按期望運動完成與目標航天器交會對接;模擬服務星與目標航天器完成交會對接后，中央處理單元控制操作機構子系統對目標航天器自主模擬在軌操作;在交會對接和操作過程中，模擬服務星的狀態信息通過無線通信模塊送到地面控制站進行顯示;地面控制站能夠實時發送控制指令，控制模擬服務星的運動以及控制操作機構子系統的運動來完成模擬在軌操作任務。2.根據權利要求1所述的用于在軌服務技術驗證的模擬服務星，其特征在于，還包括模擬服務星艙體，模擬服務星艙體用于安裝和承載模擬服務星的各組成設備，模擬服務星艙體內設置有儲氣裝置，儲氣裝置為多個相連通的用于儲存空氣的儲氣罐，儲氣裝置連接有兩條帶有減壓閥和截止閥的管路，其中一條管路通過氣足將儲氣裝置內的壓縮空氣噴出進而將模擬服務星懸浮在氣浮平臺上，模擬微重力環境。3.根據權利要求2所述的用于在軌服務技術驗證的模擬服務星，其特征在于，所述模擬服務星艙體內部采用兩層框架結構。4.根據權利要求2所述的用于在軌服務技術驗證的模擬服務星，其特征在于，所述模擬服務星艙體上設置有對接桿和電磁單元，模擬服務星與目標航天器交會對接過程中，對接桿插入目標航天器的對接錐中，然后電磁單元產生吸力和目標航天器的吸合裝置鎖緊，保證服務航天器和目標航天器有效連接。5.根據權利要求4所述的用于在軌服務技術驗證的模擬服務星，其特征在于，所述推進子系統包括飛輪、電磁閥、電磁閥控制器、儲氣裝置和噴管，所述飛輪能夠提供力矩，用于控制模擬服務星的旋轉運動;所述儲氣裝置上連接的另一條管路連接噴管且儲氣裝置與噴管之間的管路上連接有電磁閥，儲氣裝置中的氣體通過電磁閥從噴管噴出產生推力從而控制模擬服務星的水平運動，所述電磁閥控制器用于控制電磁閥的打開和關閉，噴管和飛輪協作完成模擬服務星的運動控制。6.根據權利要求5所述的用于在軌服務技術驗證的模擬服務星，其特征在于，儲氣裝置上用于連接噴管的管路分為6條支路，6條支路上均連接有電磁閥和噴管組合;定義一個固連在模擬服務星上的本體坐標系，其中+X方向指向模擬服務星的前進方向，+Z方向豎直向上，+Y方向滿足右手法則;在+/-X方向各分布有兩個電磁閥和噴管組合，在+/-Y方向各一個電磁閥和噴管組合。7.根據權利要求4所述的用于在軌服務技術驗證的模擬服務星，其特征在于，操作機構子系統包括機械臂控制器、機械臂、機械手控制器和機械手，機械臂控制器控制機械臂的動作，機械臂控制器通過網口與中央處理單元進行信息交互;機械手控制器控制機械手的動作，機械手控制器通過RS232與中央處理單元進行信息交互。8.根據權利要求7所述的用于在軌服務技術驗證的模擬服務星，其特征在于，機械臂控制器采用220V交流供電，控制器內部運動控制卡采用DMC2143多軸獨立控制器，能夠同時支持8交流伺服電機;機械臂具有四個關節，每個關節有獨立的絕對編碼器測量當前位置以及有硬件和軟件兩種限位功能確保安全;機械手控制器采用12V直流供電；機械手為單自由度手爪，通過舵機控制手爪的張開和閉合運動，用于完成模擬在軌操作任務。9.根據權利要求4所述的用于在軌服務技術驗證的模擬服務星，其特征在于，電源子系統包括多功能結構電池、電源變換器和逆變器，多功能結構電池提供28V電源，電源變換器將多功能結構電池提供的28V電源變換為24V、12V和5￥的電壓，給模擬服務星的各用電設備提供電源;逆變器是將多功能結構電池提供的28V電源轉換為220V交流電給機械臂提供電源。10.根據權利要求9所述的用于在軌服務技術驗證的模擬服務星，其特征在于，所述多功能結構電池為是模擬服務星艙體的一個內嵌有鋰電池的艙板。
【文檔編號】B64G7/00GK105966644SQ201610396813
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月7日
【發明人】李東旭, 范才智, 劉望, 孟云鶴, 李思侃, 郝瑞
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術大學