[发明专利]卫星平台与机械臂协同仿真模拟器

说明书

技术领域

本发明属于卫星仿真测试技术领域，具体涉及一种卫星平台与机械臂协同仿真模拟器，实现卫星平台与机械臂协同仿真。

背景技术

空间机器人在未来空间任务中具有广阔的应用前景，是一种重要的空间飞行器。由于空间机器人技术复杂、工作环境特殊，地面测试验证是其系统设计中的必需环节，有效的空间机器人地面测试验证方法对于空间机器人系统至关重要。空间机器人主要由卫星平台和机械臂两部分组成，两部分之间的相互作用和影响对空间机器人的特性具有较大影响，是地面仿真测试必须考虑的因素。

目前，国内外在进行空间机器人地面测试验证时，一般有几种(1)全数字仿真方法。该方法的优点是简单、快速、成本低，但系统的接口无法与真实系统一致，无法接入真实系统样机进行仿真，系统的有效性难以充分验证；(2)独立模拟器仿真，针对卫星平台和模拟器分别开展仿真，只能从局部了解分系统的特性，无法考虑空间平台和机械臂之间的动力学耦合关系，不能反映系统的整体特性；(3)气浮台试验，虽然能较为真实的测试系统的有效性，但试验设计系统复杂，试验成本较高，且该方法适用范围较窄，仅能对特定条件下系统情况进行试验。

因此，需要一种能够模拟空间平台与机械臂相互作用影响的可信度高、容易实施和扩展、可接入真实星上计算机的地面验证测试的卫星平台与机械臂协同仿真模拟器。

目前国内外文献尚未有相关报道。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种卫星平台与机械臂协同仿真模拟器，可实现卫星平台与机械臂之间的耦合仿真，仿真具有更好的可信度；而且不仅可以验证系统算法的有效性，也可以验证系统设计的可靠性，具有可信度高、可扩展性好、灵活性强的优点。

本发明所采用的技术方案如下：一种卫星平台与机械臂协同仿真模拟器，包括：GNC模拟器、机械臂模拟器、动力学仿真机、星务遥测模拟器和综合接口箱；按照飞行任务流程，卫星平台设置了姿态捕获、对地定向、逼近停靠、机械臂操作和和快速稳定5个任务模式，GNC模拟器预存了每个任务模式的转入条件、姿态和轨道控制算法、每个任务模式下所使用的执行机构列表，执行机构包括飞轮、磁力矩计和推力器，同时也预存了所有执行机构的安装位置、控制力和控制力矩大小信息；

所述的GNC模拟器，用于模拟星载GNC系统的功能；GNC模拟器具体实现如下：

(1)GNC模拟器启动后，首先进入姿态捕获任务模式；在仿真过程中，GNC模拟器采用独立线程监控CAN总线，随时接收由星务遥测模拟器发送的GNC指令；收到GNC指令后，根据指令中包含的任务模式字获取预存的任务模式转入条件，并判断转入条件是否满足；如果满足转入条件，则在下一控制周期开始切换到对应的任务模式，并载入任务模式对应的姿态和轨道控制算法；如果不满足转入条件，则丢弃收到的遥控指令；

(2)GNC模拟器利用模拟器内部时间作为基准进行周期控制，等待时间达到预定控制时间时，开始一个控制周期的仿真；在GNC模拟器的每一控制周期内，首先通过CAN总线采集动力学仿真机发送的卫星状态信息，所述卫星状态信息包括姿态敏感器、交会测量敏感器、机械臂关节状态敏感器的测量信息；所述机械臂关节状态包括关节角度和角速度；

(3)根据当前控制周期的任务模式，确定姿态和轨道控制算法，以卫星状态信息为输入，进行卫星平台姿态和轨道控制计算，求解所需要的控制力和控制力矩；

(4)根据当前控制周期的任务模式，确定卫星执行机构列表，获得执行机构列表中包含的飞轮、磁力矩器和推力器的安装位置、控制力和控制力矩，进行执行机构分配求解，确定需要执行机构列表中各执行机构的开关时间及控制力和力矩大小，将步骤(3)产生的推力和力矩指令转化为飞轮、磁力矩器和推力器的开/关指令和动作电流，即形成执行机构指令，并发送至CAN总线；

(5)按照卫星遥测数据格式，生成GNC状态信息发送至CAN总线，完成本控制周期的仿真，等待内部始终到达下一控制周期预定的控制时间后，开始下一周期的仿真；

所述的机械臂模拟器，用于模拟机械臂任务规划系统的功能；按照飞行任务流程，实际系统设置了多个预先设定的机械臂关节期望动作序列，称为机械臂任务模式；机械臂模拟器预存了机械臂任务模式信息。机械臂模拟器具体实现如下：

(1)在机械臂模拟器每个控制周期，首先从任务模式列表读取下一模式开始时间和任务模式字，如果时间到达模式开始时间，则切换机械臂任务模式至对应的任务模式；