[發(fā)明專利]衛(wèi)星平臺(tái)與機(jī)械臂協(xié)同仿真模擬器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410209200.8
• 申請(qǐng)日: 2014-05-16
• 公開（公告）號(hào): CN103970032A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李智;宋旭民;陳勇;林琪;劉海洋;樊鵬山
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍裝備學(xué)院
• 主分類號(hào): G05B17/02
• 分類號(hào): G05B17/02;G05B23/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;顧煒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于衛(wèi)星仿真測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種衛(wèi)星平臺(tái)與機(jī)械臂協(xié)同仿真模擬器，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺(tái)與機(jī)械臂協(xié)同仿真。

背景技術(shù)

空間機(jī)器人在未來空間任務(wù)中具有廣闊的應(yīng)用前景，是一種重要的空間飛行器。由于空間機(jī)器人技術(shù)復(fù)雜、工作環(huán)境特殊，地面測(cè)試驗(yàn)證是其系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的必需環(huán)節(jié)，有效的空間機(jī)器人地面測(cè)試驗(yàn)證方法對(duì)于空間機(jī)器人系統(tǒng)至關(guān)重要。空間機(jī)器人主要由衛(wèi)星平臺(tái)和機(jī)械臂兩部分組成，兩部分之間的相互作用和影響對(duì)空間機(jī)器人的特性具有較大影響，是地面仿真測(cè)試必須考慮的因素。

目前，國(guó)內(nèi)外在進(jìn)行空間機(jī)器人地面測(cè)試驗(yàn)證時(shí)，一般有幾種(1)全數(shù)字仿真方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快速、成本低，但系統(tǒng)的接口無法與真實(shí)系統(tǒng)一致，無法接入真實(shí)系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)的有效性難以充分驗(yàn)證；(2)獨(dú)立模擬器仿真，針對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)和模擬器分別開展仿真，只能從局部了解分系統(tǒng)的特性，無法考慮空間平臺(tái)和機(jī)械臂之間的動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系，不能反映系統(tǒng)的整體特性；(3)氣浮臺(tái)試驗(yàn)，雖然能較為真實(shí)的測(cè)試系統(tǒng)的有效性，但試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)復(fù)雜，試驗(yàn)成本較高，且該方法適用范圍較窄，僅能對(duì)特定條件下系統(tǒng)情況進(jìn)行試驗(yàn)。

因此，需要一種能夠模擬空間平臺(tái)與機(jī)械臂相互作用影響的可信度高、容易實(shí)施和擴(kuò)展、可接入真實(shí)星上計(jì)算機(jī)的地面驗(yàn)證測(cè)試的衛(wèi)星平臺(tái)與機(jī)械臂協(xié)同仿真模擬器。

目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)尚未有相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種衛(wèi)星平臺(tái)與機(jī)械臂協(xié)同仿真模擬器，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺(tái)與機(jī)械臂之間的耦合仿真，仿真具有更好的可信度；而且不僅可以驗(yàn)證系統(tǒng)算法的有效性，也可以驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，具有可信度高、可擴(kuò)展性好、靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：一種衛(wèi)星平臺(tái)與機(jī)械臂協(xié)同仿真模擬器，包括：GNC模擬器、機(jī)械臂模擬器、動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)、星務(wù)遙測(cè)模擬器和綜合接口箱；按照飛行任務(wù)流程，衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)置了姿態(tài)捕獲、對(duì)地定向、逼近停靠、機(jī)械臂操作和和快速穩(wěn)定5個(gè)任務(wù)模式，GNC模擬器預(yù)存了每個(gè)任務(wù)模式的轉(zhuǎn)入條件、姿態(tài)和軌道控制算法、每個(gè)任務(wù)模式下所使用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)列表，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括飛輪、磁力矩計(jì)和推力器，同時(shí)也預(yù)存了所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝位置、控制力和控制力矩大小信息；

所述的GNC模擬器，用于模擬星載GNC系統(tǒng)的功能；GNC模擬器具體實(shí)現(xiàn)如下：

(1)GNC模擬器啟動(dòng)后，首先進(jìn)入姿態(tài)捕獲任務(wù)模式；在仿真過程中，GNC模擬器采用獨(dú)立線程監(jiān)控CAN總線，隨時(shí)接收由星務(wù)遙測(cè)模擬器發(fā)送的GNC指令；收到GNC指令后，根據(jù)指令中包含的任務(wù)模式字獲取預(yù)存的任務(wù)模式轉(zhuǎn)入條件，并判斷轉(zhuǎn)入條件是否滿足；如果滿足轉(zhuǎn)入條件，則在下一控制周期開始切換到對(duì)應(yīng)的任務(wù)模式，并載入任務(wù)模式對(duì)應(yīng)的姿態(tài)和軌道控制算法；如果不滿足轉(zhuǎn)入條件，則丟棄收到的遙控指令；

(2)GNC模擬器利用模擬器內(nèi)部時(shí)間作為基準(zhǔn)進(jìn)行周期控制，等待時(shí)間達(dá)到預(yù)定控制時(shí)間時(shí)，開始一個(gè)控制周期的仿真；在GNC模擬器的每一控制周期內(nèi)，首先通過CAN總線采集動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)發(fā)送的衛(wèi)星狀態(tài)信息，所述衛(wèi)星狀態(tài)信息包括姿態(tài)敏感器、交會(huì)測(cè)量敏感器、機(jī)械臂關(guān)節(jié)狀態(tài)敏感器的測(cè)量信息；所述機(jī)械臂關(guān)節(jié)狀態(tài)包括關(guān)節(jié)角度和角速度；

(3)根據(jù)當(dāng)前控制周期的任務(wù)模式，確定姿態(tài)和軌道控制算法，以衛(wèi)星狀態(tài)信息為輸入，進(jìn)行衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)和軌道控制計(jì)算，求解所需要的控制力和控制力矩；

(4)根據(jù)當(dāng)前控制周期的任務(wù)模式，確定衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)列表，獲得執(zhí)行機(jī)構(gòu)列表中包含的飛輪、磁力矩器和推力器的安裝位置、控制力和控制力矩，進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)分配求解，確定需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)列表中各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)時(shí)間及控制力和力矩大小，將步驟(3)產(chǎn)生的推力和力矩指令轉(zhuǎn)化為飛輪、磁力矩器和推力器的開/關(guān)指令和動(dòng)作電流，即形成執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令，并發(fā)送至CAN總線；

(5)按照衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)格式，生成GNC狀態(tài)信息發(fā)送至CAN總線，完成本控制周期的仿真，等待內(nèi)部始終到達(dá)下一控制周期預(yù)定的控制時(shí)間后，開始下一周期的仿真；

所述的機(jī)械臂模擬器，用于模擬機(jī)械臂任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的功能；按照飛行任務(wù)流程，實(shí)際系統(tǒng)設(shè)置了多個(gè)預(yù)先設(shè)定的機(jī)械臂關(guān)節(jié)期望動(dòng)作序列，稱為機(jī)械臂任務(wù)模式；機(jī)械臂模擬器預(yù)存了機(jī)械臂任務(wù)模式信息。機(jī)械臂模擬器具體實(shí)現(xiàn)如下：

(1)在機(jī)械臂模擬器每個(gè)控制周期，首先從任務(wù)模式列表讀取下一模式開始時(shí)間和任務(wù)模式字，如果時(shí)間到達(dá)模式開始時(shí)間，則切換機(jī)械臂任務(wù)模式至對(duì)應(yīng)的任務(wù)模式；