專利名稱：異體同構、剛度阻尼閉環(huán)反饋控制的弱撞擊式對接系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及航天飛行器裝置，涉及空間對接裝置，特別是本發(fā)明涉及到用于兩個航天器的具有剛度阻尼閉環(huán)反饋控制、弱撞擊對接系統(tǒng)。
背景技術：
·
空間對接系統(tǒng)可以使兩個航天器在空間軌道上結合并在結構上連接成一個整體。廣泛應用于空間站、空間實驗室、空間通信和遙感平臺等大型設施在軌裝配、回收、補給、維修以及空間救援等領域。例如神舟九號與天宮一號通過對接系統(tǒng)實現(xiàn)兩者之間的對接，神舟九號的航天員通過對接通道進入到天宮一號實驗艙內。大部分的對接系統(tǒng)都有一個機械結構，包括鎖、鎖鉤和其他的機構。一般情況下，實現(xiàn)兩航天器的連接有兩種方法對接或停靠。對接操作出現(xiàn)的情況是，當主動飛行器(如神舟飛船)在自主機動控制下進入捕獲包絡范圍，與目標飛行器對接系統(tǒng)接觸碰撞(如天宮一號)。停靠操作出現(xiàn)的情況是，一個航天器(如空間站)上安裝的外部的連接裝置(如遙操作系統(tǒng)，即RMS)，連接到另一個航天器(如日本貨運飛船)上，操縱其進入捕獲范圍，與空間站對接系統(tǒng)接觸。對接和停靠操作需要兩個航天器都有一個對接裝置，從而將兩個對接裝置連接起來。下面的論述描述了在任何對接過程中的主要階段。首先是接近段，主動飛行器運動到對接捕獲初始條件范圍內。對接捕獲初始條件是預先定義的一個圍繞對接裝置的區(qū)域，在對接和?？壳氨仨殞бw行器進入該區(qū)域。第二是導向對準階段，將兩個航天器柔性捕獲環(huán)相互導向并對準。這個階段通常驅動兩飛行器相互靠近，在對接操作時，迫使捕獲環(huán)利用被動導向實現(xiàn)對準，或者利用RMS視覺提示校準偏差實現(xiàn)重新對準。第三是捕獲階段，主要是相互靠近的兩航天器通過捕獲裝置(如捕獲鎖)實現(xiàn)柔性連接。第四是緩沖階段，兩航天器之間相對運動能量和剩余的相對運動通過對接系統(tǒng)進行吸收和消耗。第五是拉近階段，主動對接機構將兩飛行器拉近，通過對接框面的導向銷套實現(xiàn)精確對準。最后階段是剛性連接階段，當兩飛行器的對接框面處于接近位置時，對接鎖工作，完成剛性連接，為兩對接面提供剛性連接力和密封力，實現(xiàn)對接通道的密封。已有的機械式的對接系統(tǒng)在對接與捕獲過程中需要較大的力和相對速度，很難應用于小質量飛行器的對接；對接時產生的較大碰撞力可能會對飛行器或力敏感設備造成破壞，同時，破壞零重力環(huán)境，對重力敏感試驗造成影響，如晶體生長試驗。美國NASA提出了一種基于閉環(huán)力反饋控制的對接系統(tǒng)，可以實現(xiàn)弱撞擊對接，但該系統(tǒng)采用了高精度力傳感器，對實時控制系統(tǒng)要求高且復雜，而且力傳感器的漂移會對對接過程產生不利影響，甚至在緩沖過程中引起震蕩。因此，需要開發(fā)出一種對接系統(tǒng)，既能夠減小或消除傳統(tǒng)對接系統(tǒng)引起的潛在結構破壞和振動，又具有可靠的測量反饋控制系統(tǒng)。然而，目前沒有發(fā)現(xiàn)類似技術的說明或報道，也尚未收集到國內外類似的資料
發(fā)明內容
本發(fā)明旨在提供一種自適應對接環(huán)運動速度和位姿來調整對接環(huán)的捕獲和緩沖力的異體同構、剛度阻尼閉環(huán)反饋控制的弱撞擊式對接系統(tǒng)。本系統(tǒng)的一種實例還包括主動對接機構安裝在追蹤航天器上，被動對接機構安裝在目標航天器上，所述主動對接機構進一步包括主動對接環(huán)、捕獲裝置、對接框體、直線驅動裝置、剛性連接裝置和閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，其中，主動對接環(huán)用于該追蹤航天器和所述目標航天器的對接環(huán)的導向對準；捕獲裝置用于相互靠近的航天器實現(xiàn)柔性連接；若干個直線驅動裝置每個直線驅動裝置的一端活動連接于對接環(huán)，其另外一端活動連接于對接框體，其若干個直線驅動裝置進一步至少包括伸縮機構、光電編碼器和電機，伸縮機構與電機同步連動，每個直線驅動裝置通過各自的光電編碼器測量其長度信·息；閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)所述對接環(huán)在初始條件下接觸產生相互作用，追蹤航天器的對接環(huán)上產生位置和姿態(tài)偏差，閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的采集器通過采集到該些光電編碼器中的信號，計算出直線驅動機構的長度，后計算出對接環(huán)位姿和運動速度，以確定主動對接環(huán)所需要的緩沖阻尼數(shù)據(jù)，再通過安裝在直線驅動機構上的電機產生相應反作用力，以驅動對接環(huán)進行捕獲和緩沖；剛性連接裝置用于兩航天器剛性連接和對接通道的形成。較佳地，所述捕獲裝置為安裝在對接環(huán)上的電磁吸合盤?；蛘撸霾东@裝置采用對接環(huán)三個導向板上的捕獲裝置來實現(xiàn)捕獲。另外，伸縮機構進一步包括內伸縮筒和滾珠絲杠，滾珠絲杠與電機的輸出輸相連，并且，滾珠絲杠與電動同步轉動，絲杠與內伸縮筒呈同軸延伸。若干個直線驅動裝置還包括滾珠驅動機構，其具有多個軸承滾珠，并位于絲杠和絲杠螺母上的螺旋狀凹槽內，而內伸縮筒與外筒之間的轉動通過限位塊進行限制，當絲杠轉動的時候，絲杠螺母則在絲杠的帶動下，以絲杠為基準進行運動，同時，絲杠螺母帶動內伸縮筒以外筒為基準做直線伸縮運動，而內伸縮筒相對外筒的運動方向取決于絲杠的旋轉方向。較佳地，電機為雙向驅動電機，或者，電機為兩個，并在絲杠與電機這間設置一個行星減速機構。其中，閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)還包括微分器模塊用于接收采集器根據(jù)各個光電編碼器的信號轉換出來對應直線驅動機構的長度信息，生成每個直線驅動機構的運動速度；對接環(huán)位姿處理模塊用于接收直線驅動機構的長度和速度信號，計算對接環(huán)質心C的位置、姿態(tài)和速率，并生成表示這些位置、姿態(tài)和速率的各種輸出信號，并將這些信號傳送給等效阻尼運算模塊；等效阻尼運算模塊連接對接環(huán)位姿處理模塊，用于根據(jù)預置的緩沖控制率來計算對接環(huán)所需要的6個力和力矩^1、？7、？2、1\^;、]\^、]\^)；反解模塊用于進行矩陣運算，求解對接環(huán)的阻力和阻力矩，轉化為該些個直線驅動機構的軸向力；供電解算模塊根據(jù)該些個直線驅動機構的軸向力，計算輸出每個電機所需的供電電壓和電流。
較佳地，所述直線驅動裝置為6個或8個。一種異體同構、剛度阻尼閉環(huán)反饋控制的弱撞擊式對接方法，包括以下步驟第一，對接環(huán)從收攏狀態(tài)推出到準備對接位置，根據(jù)對接環(huán)預定位置，閉環(huán)控制系統(tǒng)和控制器按照軌跡算法驅動直線驅動機構推出；第二，主動飛行器運動到對接捕獲初始條件范圍內，進入對接裝置的導向對準階段，兩個航天器導向板相互接觸，在相互作用力下，主動對接裝置的對接環(huán)偏轉并實現(xiàn)導向并對準；第三，對接裝置的捕獲是相互靠近的兩對接裝置通過電磁鐵與電磁吸合盤之間吸合到一起，實現(xiàn)柔性連接，之后對接環(huán)上的捕獲傳感裝置觸發(fā)，并給出捕獲信號； 第四，兩航天器之間相對運動能量和剩余的相對運動通過對接環(huán)提供的反力進行吸收和消耗；對接環(huán)在初始條件下接觸產生相互作用，追蹤航天器的對接環(huán)上產生位置和姿態(tài)偏差，閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的采集器通過采集到該些光電編碼器中的信號，計算出直線驅動機構上的位置，后計算出對接環(huán)運動速度和位置，以確定主動對接環(huán)所需要的緩沖阻尼數(shù)據(jù)，再通過安裝在直線驅動機構上的電機產生相應反作用力，以驅動對接環(huán)進行捕獲和緩沖；第五，主動飛行器的對接裝置將兩飛行器拉近，通過對接框體上表面的導向銷套實現(xiàn)精確對準；第六，當兩飛行器的對接框體處于接近位置時，對接鎖系工作，完成剛性連接，為兩對接面提供剛性連接力和密封力，實現(xiàn)對接通道的密封。第四步驟還包括接收采集器根據(jù)各個光電編碼器的信號轉換出來對應直線驅動機構的長度信息，生成每個直線驅動機構的運動速度；接收直線驅動機構的長度和速度信號，計算對接環(huán)質心C的位置、姿態(tài)和速率，并生成表示這些位置、姿態(tài)和速率的各種輸出信號，并將這些信號傳送給等效阻尼運算模塊；根據(jù)預置的緩沖控制率來計算對接環(huán)所需要的6個力和力矩^1、？7、？2、]\^;、]\^、Mz)；進行矩陣運算，求解對接環(huán)的阻力和阻力矩，轉化為該些個直線驅動機構的軸向力；該些個直線驅動機構的軸向力，計算輸出每個電機所需的供電電壓和電流；控制器利用D/Α電路將轉換為模擬信號，采用驅動電路對電機的輸出進行控制。結合附圖，根據(jù)下文的通過示例說明本發(fā)明主旨的描述可清楚本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點。利用本發(fā)明，不但將對接過程中碰撞載荷控制在很小的范圍內，實現(xiàn)弱撞擊對接，減小對失重環(huán)境的破壞，還可以通過改變控制規(guī)律實現(xiàn)與不同對接質量目標的對接與分離，并還可以實現(xiàn)與現(xiàn)有載人航天器之間的對接。且其構型簡單、工作可靠、質量輕，并具有通用性。


結合附圖，通過下文的述詳細說明，可更清楚地理解本發(fā)明的上述及其他特征和優(yōu)點，其中圖I是本發(fā)明異體同構閉環(huán)反饋控制的弱撞擊對接系統(tǒng)中主動部分結構示意圖；圖中1 一對接裝置、2 —對接導向板、3 —對接環(huán)、4 —電磁鐵、5 —電磁接觸盤、6 一直線驅動機構、7 —密封圈、8 —支撐結構、9 一對接框體、10 —對接鎖系、11 一熱控襯板；圖2是直線驅動機構的剖視圖；圖3是緩沖系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制工作原理圖； 圖4是對接環(huán)Θ方向的等效剛度特性曲線；圖5為本發(fā)明異體同構閉環(huán)反饋控制的弱撞擊對接系統(tǒng)原理圖。
具體實施例方式參見示出本發(fā)明實施例的附圖，下文將更詳細地描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以以許多不同形式實現(xiàn)，并且不應解釋為受在此提出之實施例的限制。相反，提出這些實施例是為了達成充分及完整公開，并且使本技術領域的技術人員完全了解本發(fā)明的范圍。本發(fā)明提供一種異體同構、剛度阻尼閉環(huán)反饋控制的對接系統(tǒng)，該系統(tǒng)由2個對接裝置I構成(請參閱圖5)。主動對接機構安裝在追蹤飛行器上，主動對接機構包括主動對接環(huán)、捕獲裝置、直線驅動裝置、剛性連接裝置和閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)等。被動對接機構安裝在目標飛行器上，被動對接機構的構成在主動對接機構的基礎上簡化，保留對接環(huán)、剛性連接裝置和控制設備等。主動對接機構與被動對接機構在規(guī)定的初始條件下接觸碰撞，主動對接機構對接環(huán)產生位置和姿態(tài)偏差，適應兩對接機構的相對偏差；主動對接機構通過測量與對接環(huán)相連的6根直線驅動裝置(在本實例中都采用6根為例，但并非局限于6根)位移，計算出對接環(huán)運動速度和位姿。根據(jù)預置的控制規(guī)律，確定主動對接機構對接環(huán)所需要的緩沖阻尼數(shù)據(jù)。通過安裝在6根直線驅動裝置上的電機，產生反作用力，直接驅動直線驅動裝置進行對接過程的捕獲和緩沖。通過直線驅動裝置提供的反向作用力，把對接載荷限制至規(guī)定范圍的同時，阻止兩個對接航天器的相對運動，最后，將兩個航天器校正，以便實現(xiàn)最終剛性連接和形成對接通道。主動對接機構與被動對接機構之間的捕獲可以通過安裝在對接環(huán)上的電磁吸合盤實現(xiàn)，也可以通過對接環(huán)三個導向板上的捕獲裝置實現(xiàn)捕獲。兩對接機構的剛性連接和對接通道的形成可以通過帶驅動機構的對接鎖實現(xiàn)。實施例圖I是本發(fā)明的對接裝置I首選實施例的示意圖。對接裝置I由I個對接環(huán)3、1個或多個電磁鐵4、I個或多個電磁接觸盤5、多個直線驅動機構6、3個對準導向板2、對接框體9、對接鎖系10 (未顯示)和I個主動的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)21 (未顯示)等組成。對接環(huán)3有一個環(huán)形的上表面，電磁鐵4和電磁接觸盤5安裝于對接環(huán)3的上表面。每個導向板2也安裝在對接環(huán)3表面上。對接鎖系10安裝于對接框體9外部法蘭上，并處于熱控襯板11包覆內部。對接鎖系10可采用現(xiàn)有的神舟八號對接機構所用的對接鎖系，與密封圈7一同用于實現(xiàn)最后的剛性連接及密封。直線驅動機構6的一端利用球鉸或鉸鏈組與對接環(huán)3連接，而其另外一端也采用球鉸或鉸鏈的方式與對接框體9相連，在本實施例中，總共采用了 6個直線驅動機構6，形成一個六桿的Stewart平臺。當然，直線驅動機構6也可以選擇8個或其他數(shù)量。圖2是直線驅動機構的剖視圖。直線驅動機構6由外筒12、內伸縮筒13、光電編碼器17和電機18等構成，本實施例直線驅動機構6采用的是傳統(tǒng)滾珠絲杠類型。滾珠絲杠14與電機18的輸出軸相連，滾珠絲杠14與電機18可同步轉動，電機18采用的是雙向驅動電機。電機18的輸出軸與滾珠絲杠14是一體化設計，當然，此處的傳動原理不局限于本實施例，也可以采用2個電機驅動，并在絲杠14與電機18之間加入一個行星減速機構。在本實施例中，絲杠14與內伸縮筒13呈同軸延伸。滾珠驅動機構一般具有多個軸承滾珠15，它們位于絲杠14和絲杠螺母16上的螺旋狀凹槽內，而通過內伸縮筒13與外筒12之間的轉動通過限位塊進行限制，當絲杠14轉動的時候，絲杠螺母16則在絲杠14的帶動下，以絲杠14為基準進行運動，同時，絲杠螺母16帶動內伸縮筒13以外筒12為基準做直線伸縮運動，而內伸縮筒13相對外筒12的運動方向取決于絲杠14的旋轉方向。通過合理設計滾珠絲杠14的導程，直線驅動機構6的滾珠絲杠14具有很好的運動流暢性，可以實現(xiàn)正向傳動和逆向傳動。即，可以通過電機18的轉動將運動輸出帶動絲·杠14的伸縮，也可以在直線驅動機構6的兩端固定鉸鏈19施加軸向運動，通過滾珠絲杠14反向帶動電機18轉動。在對接裝置的捕獲和緩沖階段，根據(jù)控制要求，電機18提供一定的阻尼轉矩，用于抵消直線驅動機構6兩端軸向作用力，這樣直線驅動機構6可以作為阻尼器來使用。在對接環(huán)3推出和拉回階段，通過電機18的轉動可以實現(xiàn)直線驅動機構6的伸長或縮短，以此來動態(tài)調整對接環(huán)3的位置和姿態(tài)。直線驅動機構6中設置一個光電編碼器17,用來測量外筒12、內伸縮筒13的相對位置以及直線驅動機構6的運動行程?？刂破?0 (未顯示)與電機18和閉環(huán)控制系統(tǒng)21相連，閉環(huán)控制系統(tǒng)21和控制器20都安裝在對接裝置I對接框體9下部支撐結構8空間內。根據(jù)使用需求，也可以安裝到飛船艙體內部。在首選的實例中，為了節(jié)約空間和重量，一個單獨的控制器20控制所有的電機7。在沒有犧牲本發(fā)明優(yōu)點的情況下，也可以選擇使用兩個或更多的控制器20，這樣控制器20具有冗余備份功能。下面對本發(fā)明的閉環(huán)反饋控制的工作原理和工作過程進行描述。圖3是緩沖系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制工作原理圖。在捕獲和緩沖階段，對接環(huán)3處于伸出狀態(tài)。對接時，每個直線驅動機構6通過各自的光電編碼器17測量其位置信息Si (i表示每個光電編碼器17的編號)，閉環(huán)控制系統(tǒng)21的采集模塊22采集每個光電編碼器17的信號，并轉換為直線驅動機構6的長度Ls (s表不每個直線驅動機構6的編號)。比如,每一個光電編碼器的編號對應一個長度，此時獲得對應的編號就可以其長度信息。將實時長度信息傳遞給微分器模塊23，經(jīng)微分器23運算后，對實時測試得到的長度測量值進行差分運算，得到運動速度值，并生成輸出信號Ss (s表示每個直線驅動機構6的編號)來表示直線驅動機構6的運動速度。對接環(huán)位姿處理模塊24接收直線驅動機構6的長度Ls和速度S s信號，這樣，對接環(huán)位姿處理模塊24總共收到12個傳輸信號。對接環(huán)位姿處理模塊24采用現(xiàn)有的成熟的stewart并聯(lián)機構位姿正解和運動學正解算法計算對接環(huán)質心C的位置、姿態(tài)和速率，并生成表示這些位置、姿態(tài)和速率的各種輸出信號，并將這些信號傳送給等效阻尼運算模塊25。等效阻尼運算模塊25預先設置了緩沖控制率(即對接環(huán)等效剛度阻尼特性曲線)，各方向的緩沖控制率為分段函數(shù)，可以表示為Fx =KxiX(I) + Cvii(/) + (i=l., 2, 3 …Hi)Fy =Kyij(^) + CyiPit) + Zyi (i=l, 2, 3 …112)F7=K71Z(Z) + C71 z(/) + f7i ( 1=1, 2，3...1 )
M=K^(t) + C^(t) + mpi (i=l, 2，3…D4)·My=Kmw(0 + C￥lw(t) + mvn (i=l, 2, 3...ii5)M7=Km0(t) + Cm6(t) + mm (i=l，2, 3 …lie)其中，F(xiàn)x表示對接環(huán)3所需要的X方向上的力，為分段函數(shù)；X (t)表示對接環(huán)3在X方向的位移中)表示對接環(huán)3在X方向的速度，均與時間t相關；x(t)、雄)的取值分為Ii1個區(qū)間段，當自變量x(t)、雄諏值屬于第i區(qū)間段時，x(t)、i(l)的系數(shù)分別為Kxi、Cxi，函數(shù)常數(shù)項為fxi。同理，y⑴、z⑴、φ( )、Ψ (t)、Θ (t)分別表示Y、Z方向位移和繞X、Y、Z軸的轉角；j(/) ^(O、φ(τ) #(r)和知)表示相應的速度和角速度；Fy、Fz、Mx、My和Mz分別表示對接環(huán)3上力和力矩，其函數(shù)表達式與Fx類似，n2 n6表示各函數(shù)的分段數(shù)量。等效阻尼運算模塊25根據(jù)控制率計算對接環(huán)3所需要的6個力和力矩(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)。控制率是對接環(huán)質心C在自由空間中的位置、姿態(tài)和速率的函數(shù)。圖4是對接環(huán)Θ方向的等效剛度特性曲線(此時角速度 為某一恒定值)，圖4中曲線箭頭方向表示對接環(huán)的運動方向。對接環(huán)Θ方向的等效阻尼系數(shù)為常數(shù)值，Θ方向的阻尼力矩與角速度§成正比。因此，對接環(huán)所需的阻力矩Mz與對接環(huán)所處的姿態(tài)角Θ和角速度 有關，且為這兩部分阻力矩的疊加。其他方向的特性曲線類似。當然，本實施例所示曲線也可以為其他類型曲線，這主要與對接任務需求有關。對接環(huán)的運動共有6個自由度，每個自由度都有一個控制率方程，在三維坐標中生成表示Fx、Fy、Fz和Mx、My、Mz力矩的6個控制信號，作為等效剛度阻尼運算模塊25的輸出。接著，反解模塊26進行矩陣運算，求解對接環(huán)3的阻力和阻力矩，轉化為6個直線驅動機構6的軸向力FfF6。對接環(huán)上端面受到六維外力與6個直線驅動機構6所受軸向力F1I6組成的向量的關系表達式為[Fx Fy Fz Mx My MZ]T=[G] · [F1 F2 F3 F4 F5 F6]τ其中，式中[G]為6X6矩陣，稱為力雅克比矩陣。然后，供電解算模塊27根據(jù)F1I6計算輸出每個電機18所需的供電電壓和電流等。按照功率電機考慮，則有如下關系表達式V1 = V(F1J1)= I η + Ιτι( )式中，i表不直線驅動機構6編號！Vi表不第i個電機18的供電電壓；Π為傳遞系數(shù)；《(/,)表示電機轉速，且與直線驅動機構6的運動速度/,有關。之后，控制器20按照控制要求利用D/Α電路將轉換為模擬信號，采用驅動電路對電機18的輸出進行控制。當然，電機18所產生的力矩是與對接環(huán)3所要維持的6個阻尼力(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)是成正比的。
當然，本實施例中的所提到的各種處理模塊22 2 可以利用硬件運算電路或嵌入式軟件來實現(xiàn)。閉環(huán)控制系統(tǒng)21的緩沖控制率參數(shù)在不同的對接階段具有可調性，可根據(jù)對接環(huán)剛度阻尼需求對控制率進行設置，以此來調整緩沖系統(tǒng)的剛度阻尼參數(shù)。為保證對接捕獲過程中兩飛行器的對接環(huán)3相互接近，這要求對接裝置I的對接環(huán)需要自動適應初始偏差，在適應偏差過程中盡量減少能量消耗和減小對接力，這要求對接裝置的緩沖系統(tǒng)剛度阻尼小。在捕獲前，將對接環(huán)3的阻力設置為較小的水平，這樣，捕獲階段的緩沖系統(tǒng)具有“軟”的特性。當捕獲信號給出后，在對接環(huán)3規(guī)定的運動行程內，緩沖系統(tǒng)需要具有足夠的阻尼來緩沖相對運動，此時緩沖系統(tǒng)具有與捕獲階段不同的相對“硬”的特性。這些特性都可以通過設置閉環(huán)控制系統(tǒng)21的緩沖控制率參數(shù)(即特性曲線)來實現(xiàn)。另外，在對接操作中，對接飛行器的特性參數(shù)(如質量特性、對接初始條件)不同，會對對接機構緩沖阻尼特性(即上述的控制率)的要求也會存在差異。在對接裝置I的實例 中，閉環(huán)控制系統(tǒng)21參數(shù)具有可配置的功能。因此，通過參數(shù)配置來確保對接裝置I可以適應特定的飛行器特性(如質量、質心偏移，飛行器的對接接近速度和角速度)。因此，本發(fā)明的對接裝置具備很寬對接適應性和對接能力。下面對本發(fā)明的對接工作狀態(tài)和過程進行描述。首先，對接環(huán)3從收攏狀態(tài)推出到準備對接位置(即伸出狀態(tài))。根據(jù)對接環(huán)3預定位置，閉環(huán)控制系統(tǒng)21和控制器20按照軌跡算法驅動直線驅動機構6推出。第二，主動飛行器運動到對接捕獲初始條件范圍內。對接捕獲初始條件是預先定義的一個圍繞對接裝置的區(qū)域。第三，對接裝置I的導向對準階段。兩個航天器導向板2相互接觸，在相互作用力下，主動對接裝置I的對接環(huán)3偏轉并實現(xiàn)導向并對準。此時對接裝置I的緩沖系統(tǒng)具有“軟”特性。第四，對接裝置I的捕獲。主要是相互靠近的兩對接裝置I通過電磁鐵4與電磁吸合盤5之間吸合到一起，實現(xiàn)柔性連接。之后對接環(huán)3上的捕獲傳感裝置觸發(fā)，并給出捕
獲信號。第五，緩沖階段，兩航天器之間相對運動能量和剩余的相對運動通過對接環(huán)3提供的反力進行吸收和消耗。第六，拉近階段，主動飛行器的對接裝置I將兩飛行器拉近，通過對接框體9上表面的導向銷套實現(xiàn)精確對準。最后階段是剛性連接階段，當兩飛行器的對接框體9處于接近位置時，對接鎖系工作，完成剛性連接，為兩對接面提供剛性連接力和密封力，實現(xiàn)對接通道的密封。這部分的工作原理與神舟八號對接機構是相同的。雖然本發(fā)明采用一個優(yōu)選實施例進行說明，但是應當理解，這并不意味著本發(fā)明將局限于該實施例。相反，本發(fā)明將包括可以包含在由所附的權利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內的所有替代，變更和等同方案。以上雖然描述了本發(fā)明的具體實施方式
，但是本領域的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，本發(fā)明的保護范圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背離本發(fā)明的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發(fā)明的 保護范圍。
權利要求
1.一種異體同構、剛度阻尼閉環(huán)反饋控制的弱撞擊式對接系統(tǒng)，其特征在于，主動對接機構安裝在追蹤航天器上，被動對接機構安裝在目標航天器上，所述主動對接機構進一步包括主動對接環(huán)、捕獲裝置、對接框體、直線驅動裝置、剛性連接裝置和閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，其中， 主動對接環(huán)用于該追蹤航天器和所述目標航天器的對接環(huán)的導向對準； 捕獲裝置用于相互靠近的航天器實現(xiàn)柔性連接； 若干個直線驅動裝置每個直線驅動裝置的一端活動連接于對接環(huán)，其另外一端活動連接于對接框體，其若干個直線驅動裝置進一步至少包括伸縮機構、光電編碼器和電機，伸縮機構與電機同步連動，每個直線驅動裝置通過各自的光電編碼器測量其位置信息； 閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)所述對接環(huán)在初始條件下接觸產生相互作用，追蹤航天器的對接環(huán)上產生位置和姿態(tài)偏差，閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的采集器通過采集到該些光電編碼器中的信號，計算出直線驅動機構的長度，后計算出對接環(huán)位姿和運動速度，以確定主動對接環(huán)所需要的緩沖阻尼數(shù)據(jù)，再通過安裝在直線驅動機構上的電機產生相應反作用力，以驅動對接環(huán)進行捕獲和緩沖； 剛性連接裝置用于兩航天器剛性連接和對接通道的形成。
2.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述捕獲裝置為安裝在對接環(huán)上的電磁吸合盤。
3.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述捕獲裝置采用對接環(huán)三個導向板上的捕獲裝置來實現(xiàn)捕獲。
4.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，伸縮機構進一步包括內伸縮筒筒和滾珠絲杠，滾珠絲杠與電機的輸出輸相連，并且，滾珠絲杠與電動同步轉動，絲杠與內伸縮筒呈同軸延伸。
5.如權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括滾珠驅動機構，其具有多個軸承滾珠，并位于絲杠和絲杠螺母上的螺旋狀凹槽內，而內伸縮筒與外筒之間的轉動通過限位塊進行限制，當絲杠轉動的時候，絲杠螺母則在絲杠的帶動下，以絲杠為基準進行運動，同時，絲杠螺母帶動內伸縮筒以外筒為基準做直線伸縮運動，而內伸縮筒相對外筒的運動方向取決于絲杠的旋轉方向。
6.如權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，電機為雙向驅動電機，或者，電機為兩個，并在絲杠與電機之間設置一個行星減速機構。
7.如權利要求I或4所述的系統(tǒng)，其特征在于，閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)還包括 微分器模塊用于接收采集器根據(jù)各個光電編碼器的信號轉換出來對應直線驅動機構的長度信息，生成每個直線驅動機構的運動速度； 對接環(huán)位姿處理模塊用于接收直線驅動機構的長度和速度信號，計算對接環(huán)質心C的位置、姿態(tài)和速率，并生成表示這些位置、姿態(tài)和速率的各種輸出信號，并將這些信號傳送給等效阻尼運算模塊； 等效阻尼運算模塊連接對接環(huán)位姿處理模塊，用于根據(jù)預置的緩沖控制率來計算對接環(huán)所需要的6個力和力矩(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)； 反解模塊用于進行矩陣運算，求解對接環(huán)的阻力和阻力矩，轉化為該些個直線驅動機構的軸向力；供電解算模塊根據(jù)該些個直線驅動機構的軸向力，計算輸出每個電機所需的供電電壓和電流。
8.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述直線驅動裝置為6個或8個。
9.一種異體同構、剛度阻尼閉環(huán)反饋控制的弱撞擊式對接方法，其特征在于包括以下步驟 第一，對接環(huán)從收攏狀態(tài)推出到準備對接位置，根據(jù)對接環(huán)預定位置，閉環(huán)控制系統(tǒng)和控制器按照軌跡算法驅動直線驅動機構推出； 第二，主動飛行器運動到對接捕獲初始條件范圍內，進入對接裝置的導向對準階段，兩個航天器導向板相互接觸，在相互作用力下，主動對接裝置的對接環(huán)偏轉并實現(xiàn)導向并對準； 第三，對接裝置的捕獲是相互靠近的兩對接裝置通過電磁鐵與電磁吸合盤之間吸合到··一起，實現(xiàn)柔性連接，之后對接環(huán)上的捕獲傳感裝置觸發(fā)，并給出捕獲信號； 第四，兩航天器之間相對運動能量和剩余的相對運動通過對接環(huán)提供的反力進行吸收和消耗；對接環(huán)在初始條件下接觸產生相互作用，追蹤航天器的對接環(huán)上產生位置和姿態(tài)偏差，閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的采集器通過采集到該些光電編碼器中的信號，計算出直線驅動機構的長度，后計算出對接環(huán)位姿和運動速度，以確定主動對接環(huán)所需要的緩沖阻尼數(shù)據(jù)，再通過安裝在直線驅動機構上的電機產生相應反作用力，以驅動對接環(huán)進行捕獲和緩沖；第五，主動飛行器的對接裝置將兩飛行器拉近，通過對接框體上表面的導向銷套實現(xiàn)精確對準； 第六，當兩飛行器的對接框體處于接近位置時，對接鎖系工作，完成剛性連接，為兩對接面提供剛性連接力和密封力，實現(xiàn)對接通道的密封。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，第四步驟還包括 接收采集器根據(jù)各個光電編碼器的信號轉換出來對應直線驅動機構的長度信息，生成每個直線驅動機構的運動速度； 接收直線驅動機構的長度和速度信號，計算對接環(huán)質心C的位置、姿態(tài)和速率，并生成表示這些位置、姿態(tài)和速率的各種輸出信號，并將這些信號傳送給等效阻尼運算模塊； 根據(jù)預置的緩沖控制率來計算對接環(huán)所需要的6個力和力矩^1、？7、？2、1\^;、]\^、]\^)； 進行矩陣運算，求解對接環(huán)的阻力和阻力矩，轉化為該些個直線驅動機構的軸向力； 該些個直線驅動機構的軸向力，計算輸出每個電機所需的供電電壓和電流； 控制器利用D/A電路將轉換為模擬信號，采用驅動電路對電機的輸出進行控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種異體同構、剛度阻尼閉環(huán)反饋控制的弱撞擊式對接系統(tǒng)，兩航天器的對接機構在規(guī)定的初始條件下接觸產生相互作用，主動飛行器的對接機構對接環(huán)產生位置和姿態(tài)偏差，適應兩對接機構的相對偏差；主動對接機構通過測量與對接環(huán)相連的6根直線驅動機構的位移，計算出對接環(huán)運動速度和位姿。根據(jù)預置的控制規(guī)律，確定主動對接機構對接環(huán)所需要的緩沖阻尼數(shù)據(jù)。通過安裝在6根直線驅動裝置上的電機，產生反作用力，直接驅動直線驅動裝置進行對接過程的捕獲和緩沖。本發(fā)明可將對接過程中碰撞載荷控制在很小的范圍內，實現(xiàn)弱撞擊對接，還可以通過改變控制規(guī)律實現(xiàn)與不同對接質量目標的對接與分離，并還可以實現(xiàn)與現(xiàn)有載人航天器之間的對接。
文檔編號B64G1/64GK102923318SQ20121048937
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月26日 優(yōu)先權日2012年11月26日
發(fā)明者劉志, 張崇峰, 邵濟明, 鄭云青, 王衛(wèi)軍, 鄒懷武 申請人:上海宇航系統(tǒng)工程研究所