一种基于旋翼飞行器的航天器半物理仿真实验系统及方法

摘要

本发明涉及一种基于旋翼飞行器的航天器半物理仿真实验系统及方法，包括地面站系统和模拟飞行器；地面站系统包括：计算机仿真系统、无线通信设备、旋翼机手控操作器；模拟飞行器包括：旋翼飞行器、三自由度云台、力传感器和负载；旋翼飞行器下面固连一个三自由度的云台，在云台内轴挂载负载，在云台和负载之间安装力传感器；旋翼飞行器的三自由度质心运动模拟航天器三自由度质心运动，云台的三自由度转动模拟航天器三自由度姿态运动，负载模拟航天器的6自由度运动；力传感器测量云台与负载之间的受力，用于补偿负载重力矩的影响。本发明不但大大降低了实现难度，并具有研制费用低、简单易行等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于旋翼飞行器的航天器半物理仿真实验系统及方法，用 于在地面环境模拟空间失重环境下航天器进行各种操作的半物理仿真实验。

背景技术

在地面环境下如何搭建实验平台模拟航天器在失重环境下的各种行为是空 间技术地面仿真系统的关键问题。地面实验平台的一项关键技术就是微重力环 境的模拟，目前为止，在地面模拟空间微重力环境主要有以下几种方法：

表1.空间失重环境模拟技术

通过对以上方法的比较可以看出，在地面模拟微重力环境存在很大困难， 或者代价较高(如自由落体、抛物线和水浮法)或者模拟不充分(难以模拟6 自由度，如气浮法)或者系统结构复杂(如吊丝配重法，气浮法)。

为了克服以上困难，学者们又提出了一种混合仿真或称为 Hardware-in-the-loop(HIL)仿真的概念。利用计算机数学仿真和硬件设备物理 仿真相结合的方式共同搭建空间失重环境下的闭环控制回路。其中一种典型的 方式是利用固定基座的机械臂抓举模拟飞行器，在机械臂末端执行器和模拟飞 行器之间安装一个力传感器，利用机械臂的控制力矩来补偿模拟飞行器的重力 矩，从而为其模拟一个失重的飞行环境。计算机仿真系统通过数学仿真输出模 拟飞行器的运动轨迹，而机械臂末端时刻跟踪此轨迹。这种方式可以充分结合 数学仿真和物理仿真的优势，搭建一个更加灵活和尽量真实的仿真环境，已经 被美国、欧洲、日本和加拿大等国的航天科研机构所采用。但目前上述系统比 较复杂，成本较高。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于旋翼飞行器 的航天器半物理仿真实验系统及方法，不但大大降低了实现难度，并具有研制 费用低、简单易行等优点，可用于模拟空间环境6自由度运动的半物理仿真，以 模拟空间飞行器各种形式的相对运动、交会对接和空间操作等。

本发明技术解决方案：一种基于旋翼飞行器的航天器半物理仿真实验系统 包括地面站系统和模拟飞行器5；所述地面站系统包括：计算机仿真系统7、无 线通信设备6、旋翼机手控操作器8；所述模拟飞行器5包括：旋翼飞行器1、 三自由度云台2、力传感器3、负载4；旋翼飞行器1下面固连一个三自由度云 台，在云台内轴挂载负载，在云台和负载之间安装力传感器；旋翼飞行器1的 三自由度质心运动模拟航天器三自由度质心运动，云台2三自由度转动模拟航 天器三自由度姿态运动，负载4模拟航天器的6自由度运动；力传感器3测量 云台与负载之间的受力，用于补偿负载重力矩的影响；计算机仿真系统负责整 个实验系统的流程监控、动力学及控制系统仿真以及与用户交互、通过无线通 信设备6与旋翼飞行器进行通讯；旋翼机手控操作器8作为辅助控制设备实现 人工手动操控旋翼飞行器；计算机仿真系统有简单和复杂两种工作模式；在简 单工作模式下，计算机仿真系统对航天器运动学与动力学及控制系统进行数学 仿真，把相关的运动指令发送到旋翼飞行器和云台，旋翼飞行器和云台根据发 送的运动指令分别进行三自由度的质心运动和三自由度的姿态运动，使负载能 够模拟航天器6自由度运动，同时将旋翼飞行器自带传感器测量的飞行状态发 送到计算机仿真系统；在复杂工作模式下，为补偿负载的重力矩影响，旋翼飞 行器将力传感器测量的负载受力发送到计算机仿真系统，计算机仿真系统计算 所需要的云台三轴控制力矩，并把结果发送到旋翼飞行器，旋翼飞行器施加控 制力矩驱动云台的三轴运动从而补偿负载的重力矩影响。

所述计算机仿真系统7包括：半物理仿真实验系统总控模块、航天器运动学 与动力学模块、控制系统模块、云台三轴控制力矩重力补偿模块、无线通讯及 数据采集模块、用户界面及数据显示模块；半物理仿真实验系统总控模块，负 责整个实验系统的流程监控，对模拟飞行器、无线通讯设备等各子系统进行控 制；航天器运动学与动力学模块负责航天器轨道动力学、姿态动力学数学仿真； 控制系统模块负责控制系统的数学仿真；云台三轴控制力矩重力补偿模块，负 责在复杂模式下计算云台三轴控制力矩来补偿负载的重力矩影响；无线通讯及 数据采集模块，负责通过无线通讯设备传输数据并进行数据采集；用户界面及 数据显示模块，负责与用户交互，并把实验系统的相关数据通过图形方式进行 显示；在简单模式下，计算机仿真系统通过无线通讯及数据采集模块获得当前 模拟飞行器状态数据，然后通过控制系统模块计算当前的控制输入，航天器运 动与动力学模块根据当前的控制输入和航天器质心和姿态动力学方程计算航天 器下一时刻的飞行状态，并把新的飞行状态(主要包括位置、速度和加速度以及 角度、角速度和角加速度)通过无线通讯及数据采集模块发送到模拟飞行器；在 复杂模式下，航天器运动学与动力学模块仅仅通过航天器质心动力学方程模拟 航天器的质心运动，航天器姿态运动完全由负载实际的姿态运动实现，即通过 云台三轴控制力矩重力补偿模块，根据力传感器测量值计算负载需要补偿的重 力矩，并经过控制系统模块得到总的云台三轴控制力矩作为驱动云台三轴运动 的控制输入通过无线通讯及数据采集模块发送到模拟飞行器。

所述负载4根据实验任务的不同可以搭载不同的负载，包括用于交会对接的 对接接口，用于空间操作的机械臂。

一种基于旋翼飞行器的航天器半物理仿真实验方法，包括简单模式和复杂模 式；

(1)简单模式：负载模拟一个具有6自由度运动的航天器。利用旋翼飞行 器的质心运动来模拟航天器的质心运动，质心运动模拟包括：轨道运动模拟和 碰撞运动模拟；其中在轨道运动模拟中，旋翼飞行器利用旋翼机的升力来抵消 重力，当忽略气动阻力时，负载处于失重状态；计算机仿真系统通过航天器质 心动力学和运动学产生航天器的轨道运动，旋翼飞行器通过自身的控制在准确 抵消重力的情况下，跟踪计算机仿真系统输出的位置、速度、加速度信号来模 拟航天器的轨道运动；碰撞运动模拟是指模拟空间失重环境下的碰撞及碰撞后 航天器的质心运动，实验系统通过旋翼飞行器的升力抵消负载的重力，用负载 处于合力为零的失重状态下发生碰撞来模拟空间环境下的航天器碰撞运动；实 验系统通过计算机仿真系统中航天器姿态动力学的数学仿真产生航天器的运动 姿态，通过云台力矩控制使负载跟踪计算机仿真系统输出的角度、角速度、角 加速度信号来模拟航天器的姿态运动，此时，云台控制力矩不抵消负载重力矩 的影响，仅作为伺服机构；在此过程中，云台控制力矩会传递到旋翼飞行器本 体，通过旋翼飞行器的控制给出外部反作用力矩来抵消云台控制力矩对旋翼飞 行器姿态的影响，保证抵消负载重力；

(2)复杂模式：简单模式只是利用航天器姿态动力学的数学仿真来产生姿 态运动，而复杂模式利用负载自身在失重环境下的三自由度姿态运动模拟航天 器的姿态运动，需要抵消其重力矩的影响；复杂模式在简单模式的基础上，由 计算机仿真系统根据力传感器的反馈信号实时计算负载的重力补偿力矩，通过 云台控制力矩对负载的重力矩进行主动补偿，保证负载在整体上受到的合力和 合力矩为零；此种模式下，云台控制力矩会传递到旋翼飞行器本体，通过旋翼 飞行器的控制给出外部反作用力矩来抵消云台控制力矩对旋翼飞行器姿态的影 响，保证抵消负载重力矩的影响。

本发明相比于上述机械臂抓举模拟航天器的实验方法的优点在于：

(1)本发明结构简单，造价便宜；

(2)本发明不受固连机械臂的影响可以在更大空间内运动，并可以模拟多个 航天器之间的交互作用；

(3)本发明可以模拟交会对接、编队飞行、空间碰撞、抓捕以及各种形式的 空间操作等多种形式的空间任务，并可作为空间领域新技术的验证平台；

(4)本实验系统配置灵活，不受仿真时间、区域等限制。

附图说明

图1为本发明中模拟飞行器结构示意图；

图2为本发明实验系统总体结构示意图；

图3为本发明中计算机仿真系统组成图；

图4为本发明中实验系统简单模式工作示意图；

图5为本发明中实验系统复杂模式工作示意图。

具体实施方式

本发明提供一种模拟空间环境6自由度运动的半物理仿真系统及方法，以 模拟航天器各种形式的相对运动、交会对接和空间操作等各种空间技术。本发 明的基本原理类似于上述机械臂抓举模拟飞行器的实验方法，不同之处在于利 用旋翼飞行器来代替固定基座的机械臂。本发明所涉及的半物理仿真系统由旋 翼飞行器1、三自由度的云台2、力传感器3、负载4(用于模拟航天器)、计算 机仿真8系统、无线通信设备6、旋翼机手控操作器7组成。其中，旋翼飞行器1 下面固连一个三自由度的云台2，在云台2内轴挂载负载4，在云台2和负载4之 间安装力传感器3，整个系统在本发明中称为模拟飞行器，如图1所示。由于旋 翼飞行器1和云台2分别具有三自由度的质心运动和姿态运动，因此负载4可模 拟一个具有6自由度运动的航天器。力传感器3用于云台2的三自由度姿态控制 和力矩补偿。计算机仿真系统8主要运行仿真实验系统总控软件并进行航天器相 关动力学和控制的数学仿真，可运行于一台移动计算机上；旋翼机手控操作器8 用于操作员用手直接操作旋翼飞行器；无线通讯设备6一般为一个无线调制解调 器，用于计算仿真系统8和手控操作器7与旋翼飞行器1通信。上述系统可总称 为地面站系统。如果需要模拟多个航天器之间的相对运动与各种形式的空间操 作，整个仿真系统可由多个模拟飞行器1和一套计算机仿真系统7组成，如图2 所示。

下面对相关部件进行详细说明。

一、关键部件具体设计与实施

(1)旋翼飞行器1

旋翼飞行器1可采用四旋翼、六旋翼等各种符合实验需求的具有较高稳定 控制精度的飞行器，需配备加速度计、陀螺仪、GPS接收器、压力传感器、3D 磁力计等用于导航制导和控制的传感器，本发明称为系统传感器，如图4、5 所示。

(2)三自由度的云台2

云台2可采用具有较高控制精度，并可进行力控制的三自由度云台。云台 2固连于旋翼飞行器1下方，质心与旋翼飞行器1质心在一条垂线上。

(3)力传感器3

力传感器3可根据实验需求选取具体型号，安装于云台2与负载4之间， 用于测量负载的受力。

(4)负载4

负载用于模拟实际的航天器，根据实验任务的不同可以搭载不同的负载， 包括交会对接的对接接口，用于空间操作的机械臂等。

(5)模拟飞行器5

模拟飞行器由上述旋翼飞行器1，三自由度云台2，力传感器3，负载4 组成.

(6)无线通讯设备6

可以采用各种符合实验需求的无线通讯设备，典型的可以选取无线调制解 调器XBee－PRO。

(7)旋翼机手控操作器7

旋翼机手控操作器用于手动控制旋翼飞行器，其指令通过无线通信设备发 送到旋翼飞行器。

(8)计算机仿真系统8

计算机仿真系统运行于一台移动计算机上，包括如下几个部分：

●半物理仿真实验系统总控模块

主要负责整个实验系统的流程监控，对模拟飞行器、无线通讯设备等各子 系统进行控制；

●航天器运动学与动力学仿真模块

主要负责航天器轨道动力学、姿态动力学模拟仿真；

●控制系统仿真模块

主要负责航天器控制系统数学仿真；

●云台三轴控制力矩重力补偿模块

主要负责在复杂模式下计算云台三轴控制力矩来补偿负载的重力影响；

●无线通讯及数据采集模块

主要负责通过无线通讯设备传输数据和数据采集；

●用户界面及数据显示模块

主要负责与用户交互，并把实验系统的相关数据通过图形等方式进行显示。

二、空间失重环境6自由度运动模拟

对于单个模拟飞行器来说，其位置与姿态模拟仿真可通过如下方式实现：

(1)三自由度质心运动模拟

本发明利用旋翼飞行器的质心运动来模拟航天器的质心运动。从空间运动 形式来说主要有两种：

●轨道运动模拟

模拟飞行器利用旋翼机的升力来抵消重力，当忽略气动阻力时，负载处于 合力为零状态。计算机仿真系统通过航天器运动学与动力学仿真模块中的质心 动力学产生航天器的轨道运动，通过无线通讯及数据采集模块把航天器的位置、 速度、和加速度经过无线通讯设备发送到旋翼飞行器，旋翼飞行器根据当前运 动数据进行控制跟踪当前运动状态。模拟飞行器上的系统传感器把当前的旋翼 飞行器运动状态经过无线通讯设备发送到计算机仿真系统，计算机仿真系统通 过无线通讯及数据采集模块把接收到的运动数据传给控制系统模块从而得到控 制输入，航天器运动学与动力学仿真模块根据控制输入得到下一时刻的航天器 运动状态从而完成一个循环过程。在此过程中，旋翼飞行器通过自身的控制在 准确抵消重力的情况下，跟踪计算机仿真系统输出的位置、速度、加速度信号 来模拟航天器的轨道运动。

●碰撞运动模拟

是指模拟空间失重环境下的碰撞及碰撞后航天器的质心运动，实验系统通 过旋翼飞行器的升力抵消负载的重力，用负载处于合力为零的失重状态下发生 碰撞来模拟空间环境下的航天器碰撞运动。基本过程与轨道运动模拟类似。

(2)三自由度姿态运动模拟

本发明利用云台的转动模拟航天器的三自由度姿态运动。可利用云台的三 自由度控制力矩来控制负载的姿态，此时控制力矩会传递到旋翼机本体上，进 而通过旋翼机的控制给出外部反作用力矩来抵消云台控制力矩对旋翼机姿态的 影响，保证模拟飞行器整体上处于失重状态。根据模拟姿态动力学的不同方式 分为两种工作模式，如图4、5所示。

●简单模式，如图4所示。

在此模式下实验系统通过计算机仿真系统中航天器运动学与动力学仿真 模块中的姿态动力学模拟航天器的运动姿态，通过无线通讯及数据采集模块把 航天器的角度、角速度和角加速度经过无线通讯设备发送到旋翼飞行器和云台， 云台根据当前运动姿态数据对负载施加控制力矩，使负载姿态跟踪当前运动姿 态。模拟飞行器上的系统传感器把当前的负载姿态经过无线通讯设备发送到计 算机仿真系统，计算机仿真系统通过无线通讯及数据采集模块把接收到的负载 姿态数据传给控制系统模块从而得到控制输入，航天器运动学与动力学仿真模 块根据控制输入得到下一时刻的航天器姿态，从而完成一个循环过程。在此过 程中，云台力矩控制负载跟踪计算机仿真系统输出的角度、角速度、角加速度 信号来模拟航天器的姿态运动，此时，云台控制力矩不抵消负载重力矩的影响， 仅作为伺服机构。

●复杂模式，如图5所示。

在此模式下航天器的运动姿态不是通过计算机仿真系统中航天器运动学与 动力学仿真模块来模拟，而是利用云台控制力矩抵消负载的重力影响，使负载 处于一种失重状态下，利用负载自身来模拟航天器的姿态运动。首先，模拟飞 行器上的系统传感器把当前的负载姿态经过无线通讯设备发送到计算机仿真系 统，计算机仿真系统通过无线通讯及数据采集模块把接收到的负载姿态数据和 力传感器数据传给云台三轴控制力矩补偿模块，该模块计算需要补偿的负载重 力矩，并把计算结果发送给控制系统模块，控制系统模块根据负载的运动姿态 和补偿的重力矩得到总的控制力矩，并经过计算机仿真系统得到航天器的质心 运动，通过无线通讯及数据采集模块把航天器的质心运动数据和云台控制力矩 发送给模拟飞行器，云台直接根据接收的控制力矩控制负载，从而完成一个循 环过程。在此过程中，通过云台控制力矩对负载的重力矩进行主动补偿，保证 负载在整体上受到的合力和合力矩为零。

三、工作流程

本发明的工作流程如下：

(1)试验准备阶段，根据任务需求配置计算机仿真系统，加载航天器轨道 动力学，姿态动力学，如果应用复杂模式则设置云台的重力矩补偿模块；模拟 飞行器根据不同的任务需求配置相应的负载；

(2)试验准备阶段，对半物理仿真试验系统各个组成部分在确认安全的前 提下进行加电操作，根据实验需求释放旋翼飞行器使其悬停于某一确定位置。 启动计算机仿真系统的总控程序，检查各子系统工作是否正常，如模拟飞行器 的无线通讯模块工作是否正常，检查旋翼飞行器及云台的控制是否正常。

(3)试验过程阶段，根据实验需求运行数学仿真系统。在一个控制周期内， 各子模块分别执行以下动作：

计算机仿真系统分别运行航天器质心动力学与姿态动力学方程，输出位 置、速度、加速度和角度、角速度、角加速度等信息；

无线传输模块把上述数据传输到模拟飞行器上；

旋翼机和云台的控制器驱动飞行器和云台跟踪输入的运动轨迹；

通过无线传输模块把模拟飞行器传感器采集的相关运动学数据传输到 地面计算机仿真系统；

计算机仿真系统运行航天器控制模块，根据反馈量得到控制输入；

图形显示模块把采集的系统数据显示在显示屏上。

(3)试验结束阶段

试验完成后，由试验总控单元向数学仿真系统及模拟飞行器发出试验结束指 令。数学仿真及模拟飞行器控制单元接收到结束指令后停止计算和飞行，模拟 飞行器处于静止悬停状态。此时试验停止，等待试验总控软件向数学仿真系统 及模拟飞行器控制单元再次发出试验开始指令。