空间非合作目标抓捕与操控及组合体控制试验装置与方法

1.本发明涉及飞行器地面仿真领域，尤其涉及一种空间非合作目标抓捕与操控及组合体控制试验装置与方法。


背景技术：

2.随着空间技术的快速发展，人类对太空资源的利用也不断深化，空间轨道上的失效卫星需要维修或移除，由于这些实际的在轨服务需求，对空间非合作目标的抓捕和地面仿真验证的研究具有重要的实际意义。
3.以卫星为代表的飞行器由于其特殊的运行环境，通过样机实际飞行试验进行系统运行控制的调试优化成本高、周期长，甚至难以实现，因此必须开发相对容易实施的低成本高精度地面仿真系统来完成相关技术的测试、分析与验证。
4.张正元等发表的《基于视觉的卫星运动分析测量和目标检测研究》（哈尔滨工业大学，2019年6月）指出roger项目开发了基于多传感器融合的目标识别算法，以实现对目标卫星的运动状态预测，该项目致力于实现合作目标的抓捕对接、非合作翻滚目标智能抓捕和抓捕组合体的运动规划。但是，对于一般性的空间机器人抓捕任务而言，面对的对象为非合作目标，这也意味着卫星上没用专门用于抓捕和对接的机械装置和视觉靶标，因此空间机器人在抓捕卫星过程中必须具有更高的自主性和智能性。
5.肖洋洋等发表的《基于气浮台的航天器组合体运动控制》（哈尔滨工业大学，2021年6月），解决了对捕获之后组合体的单星控制问题，验证了常见的无模型和基于模型的控制方法在模型参数不确定、输入受限和慢采样情况下的仿真效果和实验效果。但是该方案也存在不足，其利用参数不确定性的模型分析不确定性，没有进行参数辨识，在实际系统中效果会变差。
6.陈超等发表的《高分七号卫星高精度控制技术与验证》（中国空间科学技术，2020年10月25日）介绍了高分七号卫星(gf-7)控制系统优化，一方面通过研制甚高精度星敏感器和高平稳度翼板驱动机构(sada)，提高部件性能指标；另一方面采用在轨参数标定、星地闭环补偿等控制技术，进一步提高系统性能。经飞行验证表明，控制系统实现了角秒级姿态测量精度。但该系统中星敏感器存在呈轨道周期性的低频噪声项，因而有待进一步提升或改进。
7.樊星星等发表的《空间绳系组合体地面模拟实验测量技术研究》（浙江大学，2018年1月）建立了空间绳系组合体系统在捕获目标后拖曳离轨过程中的动力学模型，针对组合体纵向振动问题进行了地面防冲击模拟实验，最后对空间绳系组合体拖曳离轨过程中面内摆动抑制进行了控制策略设计和仿真。但该方案给出的方法和系统的鲁棒性和实时性不高，也亟需改进。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供一种空间非合作目标抓捕与操控及组合体控制试验装置与
方法，能够实现对空间非合作目标的抓捕和操控的地面仿真验证，并具有较好的自主性、智能性、鲁棒性和实时性。
9.本技术首先提供了一种空间非合作目标抓捕与操控及组合体控制试验装置，包括仿真上位机、视觉定位系统、追踪星模拟系统和目标星模拟系统，其中：仿真上位机用于向追踪星模拟系统和/或目标星模拟系统发送控制指令；视觉定位系统用于获取追踪星模拟系统和/或目标星模拟系统的位姿信息，并将信息反馈给追踪星模拟系统和/或目标星模拟系统；追踪星模拟系统用于接收仿真上位机的控制指令，抓捕目标星模拟系统，并测算抓捕过程中的扰动特性。
10.进一步的，所述追踪星模拟系统包括追踪星二维平动机构、抓捕机构、视觉追踪机构以及追踪星动力学计算机，所述抓捕机构和视觉追踪机构安装在追踪星二维平动机构上，所述追踪星动力学计算机与仿真上位机、视觉定位系统、追踪星二维平动机构、抓捕机构和视觉追踪机构通信连接；所述目标星模拟系统包括目标星二维平动机构、卫星以及目标星动力学计算机，所述卫星安装在目标星二维平动机构上，所述目标星动力学计算机与仿真上位机、视觉定位系统、目标星二维平动机构通信连接。
11.所述追踪星模拟系统还包括质心调节机构，所述质心调节机构安装在追踪星二维平动机构上、并与追踪星动力学计算机通信连接。
12.所述二维平动机构为气浮机器人。
13.此外，本发明还提供了一种空间非合作目标抓捕与操控及组合体控制试验方法，使用上述的装置，并包括以下步骤：仿真上位机生成控制指令；追踪星模拟系统接收并执行所述控制指令，搜寻目标星模拟系统；当追踪星模拟系统搜寻到目标星模拟系统后，控制追踪星模拟系统抓捕目标星模拟系统，并测算抓捕过程中的扰动特性。
14.进一步的，所述追踪星模拟系统搜寻到目标星模拟系统后，先控制追踪星模拟系统向目标星模拟系统运动；当目标星模拟系统到达追踪星模拟系统可抓捕范围后，控制追踪星模拟系统与目标星模拟系统保持相对静止的状态；之后再控制追踪星模拟系统抓捕目标星模拟系统。
15.当抓捕过程完成，追踪星模拟系统与目标星模拟系统成为组合体后，调节组合体的质心。
16.所述控制指令包括发送给所述目标星模拟系统的初始状态控制指令以及发送给所述追踪星模拟系统开始仿真控制指令，所述目标星模拟系统在被抓捕前，根据所述初始状态控制指令控制目标星模拟系统沿既定轨迹运动。
17.所述追踪星模拟系统包括气浮机器人，所述测算抓捕过程中的扰动特性包括：控制所述追踪星模拟系统的气浮机器人的外力和/或外力矩输入；获取所述追踪星模拟系统的气浮机器人的位姿信息；基于获取的追踪星模拟系统的气浮机器人的位姿信息，计算速度及加速度；基于得到的速度信息，根据气浮机器人动力学模型建立差分方程，辨识所述追踪星模拟系统的气浮机器人的质量、转动惯量、摩擦阻力和摩擦力矩，并计算扰动特性。
18.所述速度及加速度的计算采用位置差分法，并对计算得到的速度信息进行滤波处理。
19.综上，本技术提供的空间非合作目标抓捕与操控及组合体控制试验装置与方法，原理简单，工程实现性强，由追踪星模拟系统、目标星模拟系统、视觉定位系统等组成，利用
气浮式微重力环境下的模拟航天器，搭建起高精度空间非合作目标抓捕、操控及组合体的控制试验装置，可以计算抓捕过程的扰动特性，实现对组合体的控制，实现空间非合作目标抓捕、操控及组合体控制的地面仿真验证，具有较好的自主性、智能性、鲁棒性和实时性，并可以发现方案设计中的问题，对算法性能进行分析、验证。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
21.图1为本技术空间非合作目标抓捕与操控及组合体控制试验装置的构成示意图；图2为利用本技术进行仿真试验得到的质量与转动惯量辨识结果示意图；图3为利用本技术进行仿真试验追踪星模拟系统的受到的扰动力示意图；图4为利用本技术进行仿真试验得到的追踪星模拟系统扰动特性辨识结果示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
23.需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
24.需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
25.请参阅图1所示，本发明空间非合作目标抓捕与操控及组合体控制试验装置主要由仿真上位机、视觉定位系统、追踪星模拟系统和目标星模拟系统构成。
26.其中，仿真上位机用于生成初始状态控制指令和开始仿真控制指令，并发送给追踪星模拟系统和目标星模拟系统。视觉定位系统可由一台或多台相机等摄影摄像设备构成，用于获取追踪星模拟系统和/或目标星模拟系统的位姿信息，并反馈给追踪星模拟系统和目标星模拟系统。仿真上位机、视觉定位系统、追踪星模拟系统和目标星模拟系统形成整个装置的大闭环。
27.追踪星模拟系统主要包括追踪星二维平动机构、安装在追踪星二维平动机构上的抓捕机构和视觉追踪机构以及与仿真上位机、视觉定位系统、追踪星二维平动机构、抓捕机构和视觉追踪机构有线和/或无线通信连接的追踪星动力学计算机。
28.追踪星动力学计算机的功能包括：对仿真上位机发出的开始仿真控制指令进行解算，向视觉追踪机构发出指令，搜寻获得目标星模拟系统位置，并在目标星模拟系统在追踪
星模拟系统抓捕范围之外时，向追踪星二维平动机构发送指令，控制追踪星模拟系统向目标星模拟系统运动；在目标星模拟系统进入追踪星模拟系统可抓捕范围后，控制追踪星模拟系统与目标星模拟系统保持相对静止，并向抓捕机构发送指令，对目标星模拟系统进行抓捕；以及接收视觉定位系统测得的追踪星模拟系统和/或目标星模拟系统的位姿信息数据，可根据需求自行选取，并计算抓捕过程中的扰动特性。
29.此外，追踪星模拟系统还可以进一步包括安装在追踪星二维平动机构上、并与追踪星动力学计算机通信连接的质心调节机构，以调节追踪星模拟系统以及追踪星模拟系统抓捕目标星模拟系统后形成的组合体的质心。
30.目标星模拟系统主要包括目标星二维平动机构、安装在目标星二维平动机构上的卫星以及与仿真上位机、视觉定位系统、目标星二维平动机构有线和/或无线通信连接的目标星动力学计算机。
31.目标星动力计算机的功能包括：对仿真上位机发出的初始条件控制指令进行解算；向目标星二维平动机构发送指令，控制目标星模拟系统沿既定轨迹运动；以及接收视觉定位系统测得追踪星模拟系统和/或目标星模拟系统的位姿信息数据可根据需求自行选取。
32.较佳的，追踪星二维平动机构和/或目标星二维平动机构可采用气浮机器人来模拟并实现微重力环境下的星体或航空器及其运动，而以上所述的位姿信息包括二维平动机构例如气浮机器人的位置信息和角度信息。
33.本发明空间非合作目标抓捕与操控及组合体控制试验方法的实验过程如下：仿真上位机生成初始条件控制指令和开始仿真控制指令；目标星模拟系统接收并执行初始条件控制指令，控制目标星模拟系统沿既定轨迹运动；追踪星模拟系统接收并执行开始仿真控制指令，利用视觉追踪机构搜寻目标星模拟系统，实现对目标星模拟系统的定位；当追踪星模拟系统搜寻到目标星模拟系统后，判断目标星模拟系统是否在追踪星模拟系统抓捕范围内，如不在，控制追踪星模拟系统向目标星模拟系统运动；当目标星模拟系统到达追踪星模拟系统可抓捕范围后，控制追踪星模拟系统与目标星模拟系统保持相对静止的状态；追踪星模拟系统利用抓捕机构对目标星模拟系统进行抓捕，同时测量抓捕过程中的扰动特性；当抓捕过程完成，追踪星模拟系统与目标星模拟系统成为组合体后，还可利用追踪星模拟系统的质心调节机构调节组合体的质心，实现组合体的质心的实时精确调整，通过追踪星模拟系统自带的执行机构控制组合体实现预期的姿态和位置运动。
34.其中，以追踪星二维平动机构和目标星二维平动机构均采用气浮机器人为例，本发明的扰动特性测量原理如下：首先，气浮机器人的动力学方程为：其中，f为控制力，ff为摩擦阻力，fd为扰动力，m为质量，α为加速度，m为控制力矩，
mf为摩擦力矩，md为扰动力矩，j为转动惯量，β为角加速度。
35.其次，进行质量及转动惯量辨识。
36.速度及角速度计算采用位置差分的方法，具体如下所示：其中，k为第k时刻，为第k时刻追踪星模拟系统的速度及角速度计算结果，x为追踪星模拟系统的气浮机器人的位姿信息，δt为采样时间此处定为0.1。
37.将差分得到的速度信息利用均滤波进行处理，消除部分高频噪声的干扰：其中，为滤波后的第k时刻追踪星模拟系统的速度及加速度信息。
38.根据气浮机器人动力学模型建立差分方程：其中，为第k时刻追踪星模拟系统在s轴方向的速度，为第k-1时刻追踪星模拟系统在s轴方向的速度，为第k时刻在s轴方向输入追踪星模拟系统的外力，为第k时刻追踪星模拟系统在t轴方向的速度，为第k-1时刻追踪星模拟系统在t轴方向的速度，为第k时刻在t轴方向输入追踪星模拟系统的外力，为第k时刻追踪星模拟系统的角速度，为第k-1时刻追踪星模拟系统的角速度，为第k时刻输入追踪星模拟系统的外力矩。
39.第一步，控制追踪星模拟系统的气浮机器人的外力和/或外力矩输入，此时追踪星模拟系统的气浮机器人进行小范围移动和/或转动，利用视觉定位系统获得追踪星模拟系统的气浮机器人的位姿信息。
40.第二步，利用递推最小二乘算法辨识追踪星模拟系统的气浮机器人的质量/转动惯量特性以及摩擦阻力/摩擦力矩等信息。
41.追踪星模拟系统的气浮机器人的质量及转动惯量辨识结果请参见图2所示。
42.之后，进行扰动特性辨识。
43.加速度及角加速度计算：其中，为辨识得到的追踪星模拟系统的加速度及角加速度信息。
44.计算扰动特性：
给追踪星模拟系统的气浮机器人加入正弦扰动，扰动力如图3所示，扰动辨识结果如图4所示。
45.本发明利用气浮式微重力环境下的模拟航天器，搭建高精度空间非合作目标抓捕、操控及组合体控制试验装置，该装置可以实现空间非合作目标抓捕、操控及组合体控制的地面仿真验证，可以计算抓捕过程的扰动特性，实现组合体的控制，还可以发现方案设计中的问题，对算法性能进行分析、验证。
46.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。