面向非合作目标抓捕的机械臂轨迹规划方法

文章针对非合作目标抓捕问题设计了基于误差反馈系数的机械臂轨迹规划算法.考虑到空间机械臂在轨服务要求,采用反作用零空间方法来规划机械臂运动轨迹以实现机械臂与航天器之间的协调运动.为避免在规划起始阶段位姿误差较大可能导致机械臂关节速度过大的问题,引入了位姿误差反馈系数.为对空间机械臂抓捕非合作目标的轨迹规划技术进行验证,搭建了地面半物理仿真系统.试验结果表明,通过合理选择位姿误差反馈系数,设计的轨迹规划算法能够使固定基座机械臂末端执行器以较为均匀的速度逼近非合作目标,并能以较高精度实现对非合作目标的抓捕.该试验可以为空间机械臂抓捕非合作目标的轨迹规划提供参考.     

在轨服务卫星GNC系统地面测试与在轨支持设计

针对在轨服务卫星GNC系统的任务特性,设计了一套地面测试系统,经过相应模块扩展即可用于在轨服务技术支持.该系统已应用于某型号GNC系统的地面测试和在轨运行,稳定性和可靠性良好.地面测试系统由动力学仿真器、星上产品模拟器、ATS测试系统、三维显示系统组成,该系统充分验证了星上软件算法逻辑和硬件电气接口.增加三维避障、图像显示分析等模块后,测试系统实时性更强,可视化程度更高,能适应卫星在轨服务等复杂工况.     

柔性空间机械臂在轨操作仿真与分析

针对挠性航天器利用柔性空间机械臂在轨操作目标进行分析.首先利用Kane方程和假设模态法对挠性航天器上安装有柔性空间机械臂的系统进行动力学建模.其次,采用修正的罗德里格斯参数描述机械臂末端相对服务航天器的姿态,利用五次多项式对机械臂末端的相对位置与姿态进行规划,并将目标航天器的相对运动进行补偿,基于雅克比矩阵的广义逆求解机械臂关节运动规律.然后,将反馈控制与扩张状态观测器结合,分别设计了航天器姿态稳定控制器和机械臂轨迹跟踪控制器.最后,对柔性空间机械臂捕获目标航天器以及安装模块的过程进行闭环数值仿真,结果表明,所设计的控制器能够使机械臂跟踪期望轨迹,同时使得航天器姿态趋于稳定,机械臂可以较高精度完成在轨操作.     

一种柔性空间双臂机器人的协同控制和避障方法

针对柔性空间机械臂在轨服务应用需求，提出一种基于刚体运动与柔性振动相耦合的空间双臂机器人协同控制方法.首先引入空间位姿变量的概念，构造出面向协同控制目标的Jacobian矩阵，建立柔性空间机器人系统的刚柔耦合动力学模型，基于指定的最小距离得到其运动学逆解，并根据系统动量矩守恒关系及系统的Jacobian矩阵，并根据机械臂末端的运动速度,然后采用阻尼最小二乘法得出关节角度，使柔性空间机器人能够有效完成协同控制和空间避障任务，并基于RecurDyn V7R5软件环境验证算法的正确性.最后，基于SolidWorks和ADAMS虚拟样机建立柔性空间机器人系统的立体CAD模型，并结合空间在轨搬运任务进行模拟仿真，柔性空间机器人关节操作和运动轨迹的仿真结果图验证了本文算法的有效性.     

天文观测卫星动中探测机动测试系统设计

天文观测卫星普遍采用动中探测模式开展空间探测任务。为了实现动中探测姿态机动模式的地面有效验证，设计了整星机动集成测试方案。设计惯性空间基准的地面动力学仿真，满足惯性空间扫描仿真；设计整星各分系统间高精度时间统一系统，为整星机动测试提供统一基准；基于STK与Matlab接口模块，设计基于实时遥测数据的可视化判读系统，可提高测试判读实时性与准确度。整星测试结果表明，该方案有效验证了动中探测任务中姿态机动功能的正确性和指标符合情况，为开展整星地面测试和在轨应用提供了参考。     

空间站机械臂末端执行器维修系统设计与验证

维修对空间站机械臂寿命延长意义重大。针对空间站机械臂末端执行器的维修问题，调研了国际空间站已完成的在轨维护维修任务，提出了一种空间站机械臂末端执行器维修系统方案，采用四方协同作业的方式，分3次出舱在特定的维修区域开展机械臂末端执行器的系统性维修，提出了末端执行器故障处置方案、维修策略、维修工具、维修流程和验证方法，搭建了一套虚拟维修仿真平台，针对末端执行器典型的操作动作进行了维修仿真验证，同时在地面搭建模拟维修场景对机械臂末端执行器维修进行了试验验证。结果表明机械臂末端执行器维修的可操作性、可达性、可视性、安全性均满足要求。可以为后续空间站机械臂维修工作提供设计指导。     

空间多体系统轨道姿态及机械臂一体化控制

针对在轨服务等新型任务对航天器快速机动能力的大幅提高，研究了卫星基座和机械臂构成的空间多体系统的轨道、姿态和机械臂的一体化控制设计问题。首先，建立了空间多体系统的动力学模型；然后，基于退步控制思想，设计了卫星基座、姿态与机械臂一体化控制器，并证明了系统的稳定性，由于利用了空间多体系统的所有自由度，相比传统的基座停控或只控制基座姿态而轨道停轨的方法，极大地提高了系统的适应能力，可同时实现空间大范围的轨道转移、姿态机动，同时利用机械臂对目标进行精确操作控制。通过建立完整的空间多体系统仿真模型，对控制器进行仿真，达到了同时进行轨道、姿态及机械臂末端机动的控制目的，并验证了所提方法的有效性。      

基于Kinova机械臂RGBD相机的目标抓取

在轨服务与维护是未来航天技术的重要发展方向.在轨服务如燃料加注、剪切与操作电线、旋拧盖子和拆装阀门等任务,具有负载轻、近距离感知及精准定位和抓取等特点.针对这些应用场景,采用轻量化机械臂Kinova及自带彩色和深度(red, green, blue and depth, RGBD)相机进行感知、定位和抓取,完成地面验证实验,为在轨服务提供理论支持.介绍了机械臂抓取系统的研究背景并描述开发平台及其特点,以及相机标定、彩色相机与深度相机配准原理.利用机器人操作系统(robot operating system, ROS)的坐标变换树得到彩色图像目标像素在世界坐标系的坐标位置.针对特定的抓取对象提出基于色调、饱和度和亮度(hue, saturation and value, HSV)颜色空间图像分割方法,进行目标检测、分割以及空间定位,实验环节机械臂根据视觉定位结果完成目标抓取过程,证明了颜色空间图像分割方法和深度图结合定位的有效性,为在轨服务提供了理论验证.     

空间机械臂系统总体技术指标确定方法

总体技术指标的确定是空间机械臂总体设计中的关键,基于此,文章提出了一种空间机械臂总体技术指标确定方法,并进行动力学仿真研究。首先从任务目标出发,结合总体约束条件,对空间机械臂的长度、末端位姿精度、末端最大运动速度、关节驱动力矩等技术指标进行论证;然后建立系统的多体动力学模型,对常规工况和极限工况下空间机械臂的带载操作过程进行动力学仿真,以验证所确定的总体技术指标。仿真结果表明,所提出的思路和方法对于空间机械臂的设计和研制具有一定参考作用。     

人控交会对接九自由度半物理仿真试验系统设计及验证

以人控交会对接半物理仿真试验需求为背景,提出了可对人控交会对接控制系统单机敏感器性能和控制律设计方案进行仿真验证的人控交会对接九自由度半物理仿真试验系统的设计方法,给出了利用该设计方法对神舟九号飞船人控交会对接控制系统的仿真验证结果.神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器首次在轨人控交会对接的工程实践结果表明,人控交会对接九自由度半物理仿真试验系统的设计方法正确.     

基于BM3803的1553B总线通信软件设计

在某卫星地面检测设备中使用BM3803处理器来模拟卫星中的总线控制端对远程终端进行检测,构建了比传统的Windows+1553B_PCI板卡方案实时性更强的卫星数据仿真平台。首先向BM3803移植了实时操作系统μC/OS II,设计了适用于BM3803的板级支持包,保证了软件的可在轨更新和任务的实时性,确定了用户任务与硬件高度分离的软件结构。在设计μC/OS II的用户任务时,充分利用BM3803和B61580的校验功能,提高了软件的可靠性。最后令本设计和Windows+1553B_PCI板卡方案完成相同的用户任务,对比可得本设计有更好的实时性,可满足卫星高层通信协议对实时性的要求。     

星载相机地面电性能测试系统的设计与实现

根据新型相机结构复杂、载荷多的特点，针对性地设计并实现了一种新型星载相机的电性能地面测试系统。分析并总结了地面测试系统的设计需求，并且针对新型相机测试的全面性要求，设计并实现了整星和多种载荷的模拟接口；针对新型相机测试的可靠性要求，提出了冗余网络切换的测试系统设计方法并解决了数据库访问冲突的问题；针对新型相机测试的安全性要求，提出了针对冗余链路的测试方法和错误注入的测试方法。该系统已经成功配合完成了某高轨型号星载相机的研制，并交付使用。试验证明测试系统功能全面稳定，连续测试72h误码率为0，能够满足新型相机全面性、可靠性、安全性的测试需求。     

多维构架式天线展开机构的展开力学性能测试系统设计

卫星天线是卫星通信的关键部件. 为保证天线在轨可靠展开, 必须在地面对天 线展开机构的力学性能进行测试. 针对该问题, 提出一种多维构架式天线展开 机构力学性能测试系统, 模拟空间微重力和高低温环境下天线的展开过程并在 展开过程中对其进行加载测试. 根据测试系统方案及工作原理, 设 计了三自由度的重力补偿机械臂和加载装置, 并对展开机构的加载系统进行了 建模和仿真. 分析表明, 该测试系统重力平衡误差小于2% FS (Full Scale), 力矩加载误差小于2%, 满足展开机构测试要求. 该系统的提出使得展开机构测试从理论仿真提 升为全物理仿真, 对于保证卫星在轨可靠通信具有重要意义.      

基于覆盖圆的太阳同步回归轨道卫星目标轨迹调整方法

遥感卫星星座在环境监测、地理测绘等领域运用中,需要考虑目标轨迹分布的优化问题.轨迹分布与星座的重访能力和进出站间隔保持等应用需求密切相关.目前对星下点轨迹分布的优化和调整还缺乏准确实用的方法,存在卫星数目增多带来的计算量增加问题和对多种需求综合考虑不够的问题.为了克服现有技术的不足,解决太阳同步回归轨道遥感卫星星座的目...     

Downsizing an orbital space robot: A dynamic system based evaluation

Small space robots have the potential to revolutionise space exploration by facilitating the on-orbit assembly of infrastructure, in shorter time scales, at reduced costs. Their commercial appeal will be further improved if such a system is also capable of performing on-orbit servicing missions, in line with the current drive to limit space debris and prolong the lifetime of satellites already in orbit. Whilst there have been a limited number of successful demonstrations of technologies capable of these on-orbit operations, the systems remain large and bespoke. The recent surge in small satellite technologies is changing the economics of space and in the near future, downsizing a space robot might become be a viable option with a host of benefits. This industry wide shift means some of the technologies for use with a downsized space robot, such as power and communication subsystems, now exist. However, there are still dynamic and control issues that need to be overcome before a downsized space robot can be capable of undertaking useful missions. This paper first outlines these issues, before analyzing the effect of downsizing a system on its operational capability. Therefore presenting the smallest controllable system such that the benefits of a small space robot can be achieved with current technologies. The sizing of the base spacecraft and manipulator are addressed here. The design presented consists of a 3 link, 6 degrees of freedom robotic manipulator mounted on a 12U form factor satellite. The feasibility of this 12U space robot was evaluated in simulation and the in-depth results presented here support the hypothesis that a small space robot is a viable solution for in-orbit operations.     

低轨航天器天基测控方法研究

我国的航天器测控主要依赖地基测控系统实施,随着民用和军用需求的不断增加,太空运行的低轨航天器数量越来越多.仅依赖地基测控系统满足这些航天器的测控需求越来越困难,费用也越来越高.探索新的、有效且经济的测控模式势在必行.天基测控技术是航天器测控发展的方向,研究和应用天基测控技术具有重要的实用价值,可以解决困扰我国航天领域多年的测控资源紧张问题.在分析美国NASA数据与中继卫星系统相关技术的基础上,提出了我国低轨航天器天地基测控模式,讨论了该模式的运行原理,设计了该模式的仿真系统,分析了应用该模式需解决的关键技术问题,通过基于设计的仿真系统对提出的测控模式进行了验证.验证结果表明了提出的天地基测控模式可行,可以满足低轨航天器的测控需求.      

天基通信与太空射电望远镜功能一体系统

摘要： 针对现有地基深空通信系统存在深空通信距离不够远、数传速率不够高等缺点,提出一种基于分布式协同控制的天基主动深空通信与太空射电望远镜功能一体系统.该系统部署在地球静止轨道上,由1颗馈源星、1颗中心星和4294颗小卫星（单元星）通过精密编队和在轨自主组装的方式构成,一体化集成天基主动深空通信功能和射电天文望远镜功能.该系统可以为深空探测器提供一个星地高速中转站,由于其部署在地球静止轨道,几乎不受大气云层影响,可以大幅度提升深空探测通信支持距离和数传速率,且能使射电天文望远镜的分辨率和灵敏度提升1~2个数量级.