基于多传感器测量的航天器舱段自动 对接位姿调整方法

针对航天器舱段对接通常采用的手工操作方式效率低、精度差和可靠性难以保证的问题,研发了一种基于多传感器测量的舱段自动对接装置,其中舱体位姿的测量和调整是保证对接质量和效率的关键因素。提出了一种基于激光轮廓传感器和CCD图像传感器等多传感器协同测量的舱段六自由度位姿估计和调整方法。首先,采用激光轮廓传感器对舱体进行扫描,获取位姿三维点云信息,并采用改进的最小二乘法对被测舱段位姿进行求解;然后,通过CCD图像传感器获取舱段对接孔位置,通过圆拟合计算角度偏差,求解和拟合的结果将反馈至控制系统进行调姿和对接。采用Gocator 2350激光轮廓传感器及大恒MER-1810-21U3C工业相机进行舱体测量和对接实验,结果表明,舱体位姿调整精度和效率均达到对接要求。该方法结合了激光轮廓传感器的可靠性和机器视觉的灵活性,有效提高了自动对接系统的效率、稳定性和一致性,足以满足未来军用以及民用的需求。      

基于位姿测量不确定度的飞机对接质量评估

针对基于位姿的数字化测量辅助飞机大部件对接技术的发展与应用,对位姿测量不确定度以及基于不确定度的质量评价方法进行了研究.给出了数字化对接环境下大部件位姿的数学表达形式及意义.提出了基于协方差矩阵的位姿测量不确定度解析算法,并通过仿真算例与蒙特卡洛仿真法进行了对比,验证了该算法的有效性.给出了飞机大部件对接过程数字化测量工艺能力指数的概念,用于对测量结果的可信性进行评价;通过构建位姿测量不确定度与对接质量评估指标间的映射关系,提出了一种基于位姿测量不确定度的大部件对接质量评估方法,并以机翼-机身对接过程为案例,对方法的可行性、算法的有效性进行了验证.     

对卫星柔性对接补加一体化机构建模与设计

阐述了一种弱撞击交会条件的对接补加一体化机构.在机构设计上采用柔性杆实现软连接,刚性周边杆实现纠偏和刚性锁紧,阻尼装置吸收对接碰撞能量,并采用可浮动的气/液耦合和电气接口进一步实现高精度的气/液/电路连接.采用拉格朗日分析力学建立飞行器多体动力学模型,利用模态叠加法对碰撞过程柔性部件的变形进行描述,从而建立飞行器柔性对接动力学模型.多工况动力学仿真试验表面所设计的对接补加一体化机构可在0.25 m/s弱撞击速度范围,20 mm横向对接容差以及±5°角度容差范围内实现可靠对接.对接补加一体化装置完成样机研制,并在直线运动平台上完成对接性能和电路连接的多次试验,在专用补加系统上完成接口密封性和模拟推进剂传输试验.     

全自动快换装置精准对接技术

当抢险救援机器人腕部的全自动快换装置(full-AQHCD)自动锁紧属具接口即下耦合件(LCP)时,要同步精准对接和自动接通下耦合件的液压管路,为此,分别提出了数字量测量条件下和模拟量测量条件下精准对接理论(PDT),分别用于指导产品阶段和样机阶段的生产。产品阶段的精准对接理论是:把全自动快换装置视为被动目标,把下耦合件视为主动目标;通过4个耦合点实现全自动快换装置与下耦合件的连接;通过测量分别建立被动目标坐标系(X_1O_1Y_1)、主动目标坐标系(X_2O_2Y_2)与精准对接坐标系(XOY)之间的位姿关系;将被动目标对接点X_1O_1Y_1坐标变换到XOY坐标,再变换到主动目标对接点X_2O_2Y_2坐标;根据主动目标对接点X_2O_2Y_2坐标对主动目标对接点进行调姿以实现精准对接被动目标对接点;最后固定主动目标对接点。样机阶段的精准对接理论是:把全自动快换装置视为被动目标,把下耦合件视为主动目标;不完工被动目标布线舱,从而暴露出工作舱类似扳手空间的操作空间;通过4个耦合点实现全自动快换装置与下耦合件的连接;另外布置油源,在操作空间中先"对接"液压管路,再"测量、调姿和最后固定"主动目标的液压管路;完工被动目标布线舱。对上述2种条件下理论进行了仿真验证。     

导弹数字化对接系统动态测量算法设计及对接试验研究

针对我国导弹生产过程中舱段对接精度差、效率低且一致性差的问题,提出了一种结合激光跟踪仪及Steward平台的导弹数字化对接系统。在基于激光跟踪仪的动态测量方面,提出采用阵列靶球和T-Probe相结合的测量方式,通过对阵列靶球的测量获得高精度基准,通过对T-Probe的测量实现动态测量,从而实现对导弹舱段的高精度且高动态测量。基于所提出的导弹数字化对接系统,进行了导弹舱段数字化对接试验。试验结果表明,导弹舱段间导向销的径向峰值偏差为0.26mm,姿态峰值偏差为0.015°,能够满足导弹对接导向销的安全对接条件,对接时间小于25秒,提高了导弹舱段对接的精度及效率。     

四柱式焊缝跟踪涡流传感器及其应用

研制了一种新型的四柱式焊缝自动跟踪用涡流传感器.传感器激励线圈在工件中感应出涡电流,利用测量线圈检测涡流的大小以获得焊缝位置信息,可以检测出薄板对接焊缝横向和纵向位置信息.它具有非接触、尺寸小、灵敏度高、响应速度快、并可以用于非铁磁性材料的特点,已成功地应用于焊接自动跟踪系统.对其原理、传感器探头、信号处理方法、传感器特性等进行了详细的介绍.      

非合作目标拖拉式对接机构设计与分析

针对非合作目标对接技术的要求和特点,提出了一种以卫星远地点喷管为对接接口的非合作目标拖拉式对接机构方案。设计了拖拉式对接机构的具体结构并建立其三维CAD模型,根据此模型,对机构进行了包络范围的求解;使用ADAMS软件对机构进行了动力学仿真,分析了对接过程中目标星与机械臂的动态特性,分析了对接过程中捕获力与关节受力情况。计算与仿真结果表明,提出的对接机构能够对目标进行有效、可靠的对接捕获,碰撞接触力小于280N,不会造成本体及目标的破坏。与以往对接机构相比,此拖拉式对接机构具有结构简单、可靠性高、捕获范围大、控制方法简单等优点,且机构受力合理,适合作为空间非合作目标对接的捕获装置。     

空间机械臂抓捕动态目标快速稳定跟踪方法

面向空间机械臂对在轨飞行器、对接舱段等目标进行抓捕的应用需求,对近距离交会对接中的动态目标跟踪问题展开研究,提出了一种基于反向投影模板自适应更新的快速跟踪方法。该方法在分析发光目标灰度特性的基础上,计了一种能够充分表征目标差异的特征选取算法,有效消除了随变性较小的信息对跟踪过程的影响。利用该特征,设计了目标在不同帧之间的相似性比较方法,并制定了目标特征模版更新策略,解决了由于目标姿态和光线的变化而导致的跟踪错误问题。对跟踪过程中可能出现的目标移入移出相机视场问题提出了一种临界目标抛弃、找回策略,避免了目标的局部跟丢问题。最后通过跟踪试验,有效验证了该算法的实时性和鲁棒性,实现了10帧/s以上的稳定跟踪。     

高速摄像三维图像分析技术与应用

高速摄像是光学测量的重要手段。分析了高速摄像三维图像分析技术的处理过程,重点讨论了像机标定、自动目标检测与跟踪技术、多目标匹配技术和三维姿态测量技术等关键环节所面临的问题及解决方法,并以无人机回收测量系统为例说明了高速摄像三维图像分析技术在无人机位姿参数测量中的应用,对构建高速摄像测量系统提供了参考。     

基于LabVIEW的单光子探测器量子效率测控软件设计CSCD

介绍了利用相关光子法测量单光子探测器量子效率的原理和测量系统,开发了一套用于该系统的测控软件。软件采用Lab VIEW的标准状态机结构,使用VISA串口程序库、Active X控件和报表生成器,编写了激光器控制、符合光子测量、测试报告生成等分支程序,实现控制状态机分支的切换,和其他各项功能的调用。实际应用表明,该软件测控系统运行可靠、界面友好,满足单光子探测器量子效率测量的要求。     

可见光/激光组合的相对位姿测量研究

针对可重构航天器模块超近距离对接场景下特征点消失问题,提出一种可见光/激光的高精度相对位姿测量方法。该方法先通过可见光/激光组合对初始相对横滚角误差进行校零,完成粗校准环节;然后通过激光二维双镜反射法进行精确的相对位姿解算,获得高精度相对位姿数据。仿真结果表明,在现有技术条件下,该方法在模块相对距离在100cm内可不依赖视觉特征点,实现±1.2mm和±0.03°的相对位姿测量精度,为模块航天器对接后续的超近距离高精度位姿控制奠定基础。     

Motion-planning and pose-tracking based rendezvous and docking with a tumbling target

Rendezvous and docking (RVD) with a tumbling target is challenging. In this paper, a novel control scheme based on motion planning and pose (position and attitude) tracking is proposed to solve the pose control of a chaser docking with a tumbling target in the phase of close range rendezvous. Firstly, the current desired motion of the chaser is planned according to the motion of the target. In planning the desired motion, the “approach path constraint” is considered to avoid collisions between the chaser and the target, and the “field-of-view constraint” is considered to make sure the vision sensors on the chaser to obtain tight relative pose knowledge of the target with respect to the chaser. Then, the difference between the chaser’s motion and the desired motion is gradually reduced by a pose tracking controller. This controller is based on the non-singular terminal sliding mode (NTSM) method to make the tracking error converge to zero in finite time. Since the chaser nearly moves along the desired motion and the motion is reasonable, (1) it could safely arrive at the docking port of the target with a suitable relative attitude, (2) it will be always suitably oriented to observe the target well, and (3) the magnitude of the needed control inputs are less than that in existing literatures. The numerical results demonstrate the above three advantages of the proposed method.     

非冗余舵面与RCS复合故障的自愈控制方法

临近空间飞行器在稀-稠大气过渡阶段且反推力矢量装置(Reaction Control System, RCS)有剩余燃料的情况下,RCS对于非冗余舵面的故障补偿与在线重构具有重要意义。基于此,本文研究了针对非冗余舵面与RCS复合故障的自愈控制方法,以实现飞行器的安全可靠控制。首先,建立了执行机构故障等不确定影响下的姿态控制模型;其次,针对舵面故障给出了基于残差观测的故障检测与自诊断方法,设计了RCS与舵面复合故障的分离诊断策略;然后,基于非线性比例-微分控制及故障诊断信息,设计了舵面故障补偿的自愈控制器;同时,基于RCS故障喷管序列判定,设计了复合故障下RCS在线重构的自愈控制器。最后,通过某典型全弹道姿态跟踪数值仿真,验证了该方法的有效性及可靠性。     

软式自主空中加油控制策略仿真

软式自主空中加油（AAR）技术因其对加油设备的改装需求少且可应用于多种加油场景而受到广泛研究,但对于从起飞到加油结束脱离这一整套飞行控制流程的研究较少。针对软式AAR技术中的会合、编队、对接、加油、脱离5个阶段的控制策略进行研究。首先,分别设计了所对应的飞行指令回路控制律及导引律,通过对国内外空中加油试飞经验和试飞流程的研究,建立了“有人-无人”、“无人-无人”2种不同模式下软式AAR各阶段的控制机制,并分析了2个控制策略的差别。其次,以K8飞机和某飞机为加受油平台,建立完善的多模态控制策略,采用传统的PID控制方法,并通过极点配置法得到各模态的反馈增益和前向增益,使加受油机在多模态综合控制下达到期望的速度、角度等。同时,基于试飞经验数据设计软式AAR各阶段的全过程控制律。最后,对所设计控制律进行仿真验证,结果表明:所设计的控制策略合理可行,控制方法具有较强的抗干扰能力和较高的跟踪精度。      

基于激光扫描的火箭对接装配测量及调整技术

针对某型运载火箭水平和垂直对接高精度、高效率的装配需求,提出采用大尺寸非合作目标三维形貌测量仪辅助对接的方法。通过激光扫描测量运载火箭部段点云数据,拟合火箭对接面的形貌,反馈给对接执行机构调整位姿参数。理论分析和试验验证表明,该方法可有效提高对接装配精度和效率。     

电静液作动器自调节积分鲁棒运动控制

针对电静液作动器系统中存在的匹配干扰及不匹配干扰,基于扩张状态观测器,设计了一种自调节积分鲁棒控制方法。首先设计扩张状态观测器估计系统的匹配不确定性并且进行前馈补偿;然后设计自调节积分鲁棒控制器分别处理系统的不匹配干扰和状态估计误差,实现了电静液作动器的渐近跟踪控制;最后通过仿真验证了该控制方案的有效性。结果表明：相较于传统的PID控制器,该控制器的跟踪误差约为0.2mm,控制精度达到0.4%左右。