配置空间机械臂的空间飞行器的地面模拟系统的制作方法

本发明涉及对故障卫星在轨维修的空间飞行器技术领域，具体涉及配置空间机械臂的空间飞行器的地面模拟系统。

背景技术：

在轨卫星的故障会影响其工作性能，因此需要研制一类配置有多个可执行在轨维修任务的操控机械臂的空间操控飞行器，开展在轨卫星抢修工作。这已经成为目前航天大国开展智能卫星系统研制的主要方向。

受到地面重力、空气阻力、空间六自由度大范围运动等约束条件，实际的空间操控飞行器通常较难在地面实现操控任务的全状态测试，而是采用数学仿真的方法进行数值模拟。但操控飞行器对目标的探测识别能力、抓捕能力、遥操作能力都无法通过数学仿真准确有效反映其测量误差、控制误差、执行误差等。因此，仍然需要研制一种可反映其动态性能的地面试验模拟装置，用于空间操控飞行器的全过程测试和性能评估。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

技术实现要素：

本申请提供一种配置空间机械臂的空间飞行器的地面模块系统，包括直线运动基座、卫星本体运动模拟器、电缆随动系统、卫星相对测量系统、空间机械臂系统和控制器；

卫星本体运动模拟器安装于直线运动基座上，卫星相对测量系统安装于卫星本体运动模拟器上，空间机械臂安装于卫星相对测量系统上，电缆随动系统安装于卫星本体运动模拟器上，并随卫星本体运动模拟器和空间机械臂系统的空间运动随动；

直线运动基座用于模拟空间飞行器的运动轨道；

卫星本体运动模拟器用于模拟卫星空间六自由度运动；

卫星相对测量系统用于模拟空间飞行器对目标卫星的相对测量；

空间机械臂系统用于模拟运动目标的动态跟踪、抓捕；

控制器用于对卫星本体运动模拟器、卫星相对测量系统和空间机械臂系统进行状态管理、数据采集、处理及不同控制模型的建立和下载。

一种实施例中，直线运动基座包括：基座、直线导轨、传动直齿、直线光栅、平动滑台和平动电机；

基座通过多个三轴可调螺杆支撑安装地基上，直线导轨、传动直齿和直线光栅分别安装于基座上，平动滑台和平动电机安装于直线导轨上。

一种实施例中，直线导轨的两端分别安装有限位块。

一种实施例中，卫星本体运动模拟器安装于平动滑台上。

一种实施例中，卫星相对测量系统包括安装板、激光成像雷达和双目视觉装置；

安装板安装于卫星本体运动模拟器上，激光成像雷达和双目视觉装置分别安装于安装板上。

一种实施例中，空间机械臂系统包括轻质六自由度机械臂、六维力传感器、手眼视觉装置和抓捕工具；

轻质六自由度机械臂安装于安装板上，六维力传感器、手眼视觉装置和抓捕工具分别安装于轻质六自由度机械臂末端。

依据上述实施例的地面模拟系统，由于采用大型工业机械臂作为空间飞行器六自由度运动模拟装置；工业机械臂末端按空间飞行器布局，布置相对测量传感器、空间机械臂、抓捕装置；飞行器动力学与控制解算作为控制器的控制算法，来驱动空间飞行器模拟运动，通过实体模拟空间飞行器识别能力、抓捕能力，能有效反映空间飞行器的测量误差、控制误差和执行误差，能对空间飞行器进行有效的全过程测试和性能评估。

附图说明

图1为地面模拟系统结构图；

图2为直线运动基座结构图；

图3为卫星相对测量系统结构图；

图4为空间机械臂系统结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本例提供一种配置空间机械臂的空间飞行器的地面模拟系统，其结构图如图1所示，包括直线运动基座1、卫星本体运动模拟器2、电缆随动系统3、卫星相对测量系统4、空间机械臂系统5和控制器，其中，卫星本体运动模拟器2安装于直线运动基座1上，卫星相对测量系统4安装于卫星本体运动模拟器2上，空间机械臂系统5安装于卫星相对测量系统4上，电缆随动系统3安装于卫星本体运动模拟器2上，并随卫星本体运动模拟器2和空间机械臂系统5的空间运动随动。

为了能实现空间飞行器的地面模拟，其中，直线运动基座1用于模拟空间飞行器的运动轨道；卫星本体运动模拟器2用于模拟卫星空间六自由度运动；卫星相对测量系统4用于模拟测量空间飞行器对目标卫星的相对测量；空间机械臂系统5用于模拟运动目标的动态跟踪、抓捕；控制器用于对卫星本体运动模拟器2、卫星相对测量系统4和空间机械臂系统5进行状态管理、数据采集、处理及不同控制模型的建立和下载。

具体的，如图2所示，直线运动基座1包括：基座11、直线导轨12、传动直齿13、直线光栅14、平动滑台15和平动电机16，进一步，本例的基座11是由多块花岗岩拼接组成，且，基座11通过多个三轴可调螺杆支撑安装地基上，在外部三坐标定位仪的标定下确保基座11上平面处于同一水平基准；直线导轨12、传动直齿13和直线光栅14分别安装于基座11上，以构成空间飞行器的模拟运动轨道，并具有绝对位置测量能力；平动滑台15和平动电机16安装于直线导轨12上，且，在直线导轨12上安装有随动电缆拖链17，通过平动滑台15和平动电机16以确保地面模拟系统可以平稳直线运动。

进一步，在直线导轨12的两端安装有限位块18，通过限位块18以确保平动滑台15的运动不会超出行程边界。

本例的卫星本体运动模拟器2采用具有较大负载能力的高精度、高控制带宽的成熟工业机器人，用于模拟卫星空间六自由度运动。

为确保卫星本体运动模拟器2和空间机械系统5在空间做大范围运动时，其中，卫星相对测量系统4和空间机械系统5上的大量功率电缆、信号线、光纤等需要一起收放随动，本例的电缆随动系统3设计了一套自适应的传送机构。

本例的卫星相对测量系统4是将空间飞行器对目标卫星的相对测量单机移植到地面模拟系统上，卫星相对测量系统4用于测试目标探测识别和相对导航方案，同时也是地面模拟系统所需要的对目标的动态测量设备，因此，也可以根据需要布置工业传感器件用于相对测量，如图3所示，卫星相对测量系统4包括安装板41、激光成像雷达42和双目视觉装置43；安装板41安装于卫星本体运动模拟器2上，具体的，安装板41通过卫星本体六维力传感器21和高刚度转接工装固定卫星本体运动模拟器2上，激光成像雷达42和双目视觉43装置分别安装于安装板41上。

空间机械臂系统5是模拟空间飞行器抓捕目标的有效栽荷，如图4所示，空间机械臂系统5包括轻质六自由度机械臂51、六维力传感器52、手眼视觉装置53和抓捕工具54，轻质六自由度机械臂51安装于安装板41上，六维力传感器52、手眼视觉装置53和抓捕工具54分别安装于轻质六自由度机械臂51末端；其中，轻质六自由度机械臂51具备在手眼视觉装置53做闭环控制下，对运动目标的动态跟踪能力，也具备在六维力传感器52的闭环控制下实施对抓捕后的目标进行柔顺控制能力。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。