一种基于羽流扰动的相对导航目标惯性参数辨识方法技术

技术编号:19213011 阅读:117 留言:0更新日期:2018-10-20 05:50
一种基于羽流扰动的相对导航目标惯性参数辨识方法,步骤如下:(1)对非合作目标的几何外形进行三维重建;(2)基于重建后的几何模型完成对非合作目标的相对位姿测量;(3)调整捕获飞行器的位置和姿态,推力器启动,施加羽流场;(4)计算得到目标所受羽流扰动力和力矩;(5)确定非合作目标惯性参数。本发明专利技术利用捕获飞行器所配备的推力器产生的羽流场作用在非合作目标上,估计目标受到的力和力矩,从而辨识目标的惯性参数。

【技术实现步骤摘要】
一种基于羽流扰动的相对导航目标惯性参数辨识方法
本专利技术涉及一种基于羽流扰动的相对导航目标惯性参数辨识方法,应用于在轨运动目标近距离相对导航时目标的惯性参数提取。
技术介绍
在轨相对导航目标可分为合作目标和非合作目标两类。目前针对合作目标的状态感知、测量和在轨操作相关技术已经非常成熟。对于失效卫星、空间碎片和小行星等为代表的空间非合作目标,其共同特征就是无特定标识、无应答装置、无法执行动作配合,而且往往处于失效滚动状态。对这类在轨非合作目标实施在轨捕获前,必须对目标的外形、转动速度、转动轴、质量、惯量等动力学特征有初步的估计,以设计合理的捕获控制参数,确保捕获过程的稳定性。因此,在捕获前完成非合作目标的动力学特性辨识是实施在轨服务的关键和前提,其中既包括非合作目标的外形轮廓、自旋轴方向,自旋角速度等运动参数;也包括目标的质量、惯量、质心位置等惯性参数。非合作目标的运动参数可以通过近距离感知测量手段获得,但获取准确可信的惯性参数比较困难。辨识目标的惯性参数一般需要改变对象的运动状态,对象运动状态的改变可以基于环境扰动力和力矩,也可以基于人为施加一个力和力矩。利用环境力和力矩需要长时间对目标进行持续观测,辨识周期较长;人为施加力和力矩可以在短时间内使目标运动状态发生明显改变,辨识周期较短。力矩的施加一般都是通过柔性机械臂等接触方式实现,要求操作距离近,控制精度高,实施难度很大。操作过程容易产生碰撞,导致捕获飞行器失稳。如果能在非接触的情况下对目标施加一个可估计的力和力矩,将大幅提升辨识过程的安全性和可实施性。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种基于羽流扰动的相对导航目标惯性参数辨识方法,利用捕获飞行器所配备的推力器产生的羽流场作用在非合作目标上,估计目标受到的力和力矩,从而辨识目标的惯性参数。本专利技术的技术方案是:一种基于羽流扰动的相对导航目标惯性参数辨识方法,步骤如下:(1)对非合作目标的几何外形进行三维重建;(2)基于重建后的几何模型完成对非合作目标的相对位姿测量;(3)调整捕获飞行器的位置和姿态,推力器启动,施加羽流场;(4)计算得到目标所受羽流扰动力和力矩;(5)确定非合作目标惯性参数。所述步骤(1)中三维重建采用立体视觉方法、基于主动距离获取方法、激光雷达扫描方法中的一种或多种手段相结合。所述步骤(2)中相对位姿测量包括目标的自旋轴、自旋角速度。所述步骤(4)中扰动力和力矩的具体计算方法为:根据羽流场施加时两个飞行器的运动状态,计算得到目标所受羽流扰动力和力矩:式中:表示扰动力;P表示法向应力;表示单元表面法向单位向量;σ表示切向的应力;表示单元切向单位向量;Ae表示单元表面积;表示扰动力矩;O表示力矩输出参考点;C表示单元中心点;和通过步骤二中获得的目标的自旋轴、自旋角速度确定,Ae通过步骤一中获得的目标的几何外形确定;其中,法向应力切应力σ=P∞(1-τ)AScosβ,ω=Ssinβ,式中:P∞表示远场气体压强;Tω表示航天器表面温度;T∞表示远场气体温度;S表示分子马赫数;β表示羽流入射方向与单元法向夹角;α表示漫反射系数;τ表示镜面反射系数。所述步骤(5)参数的具体确定方法为:对羽流场激励后的非合作目标的进行感知测量,完成非合作目标运动参数更新;根据非合作目标羽流场施加前后的运动参数以及羽流扰动力和力矩,计算非合作目标的惯性参数。所述非合作目标的惯性参数采用下列计算:φ=(ΠTΠ)-1ΠTΓ式中:φ=[m,Ixx,Iyy,Izz,Ixy,Ixz,Iyz,rcx,rcy,rcz]T,包含了目标的质量、惯量和质心位置信息;Π=[Φ1,Φ2,…,Φn]T,Γ=[f1,f2,…,fn]T,Φi=Φ(v(Ti),v(Ti+Δt),ω(Ti),ω(Ti+Δt))表示第i次激励的运动状态变化函数;fi=f(Fi,Mi)表示第i次激励的激励函数;v表示目标速度;ω表示目标角速度;Fi表示第第i次激励目标受到的力;Mi表示第i次激励目标受到的力矩。一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被执行时实现上所述方法的步骤。本专利技术与现有技术相比的有益效果是:本专利技术提出了一种利用推力器羽流力效应原理实现非接触式改变空间目标运动状态的方法,并进一步给出了羽流力和力矩评估方法以及空间目标运动参数估计方法。采用本专利技术提出的方法可以获取运动目标质量特性、质心位置等目标惯性参数,这些参数是开展空间运动目标近距离相对导航、目标在轨捕获必须获取的重要参数,是这类在轨任务顺利实施的前提和保障。相对于传统方法,本专利技术所提出方法优势在于快速性、安全性和精确性。相比通过环境力矩改变目标运动状态的惯性特性估计方法,本专利技术提出的方法可以大幅缩短目标观测时间,在短时间内迅速改变目标运动状态,从而快速估计出标惯性参数,具有快速性优势;相比利用机械臂触碰等接触式方法,本方法实施期间可以使服务航天器和目标保持一个安全距离,全程无接触,具有安全性优势;与传统的纯观测方式仅能获取目标的惯量比等相对值不同,本方法可以获取目标的质量和惯量实测值,具有精确性优势。附图说明图1为本专利技术方法的流程框图。图2为本专利技术方法的在轨实施示意图。图3为10N推力器羽流冲击压强分布。图4为空间运动目标坐标系示意图。具体实施方式如图1所示,为本专利技术方法的流程框图,主要包括如下步骤:(1)非合作目标几何外形三维重构三维重构在计算机视觉领域是一个非常经典且热门的研究领域,已经有大量成熟的方法可以利用,主要包括立体视觉方法、基于主动距离获取方法、基于模型的三维重构方法等。在实际使用中,为了获得比较精确的目标模型,可能需要将几种方法结合使用,例如DLR设计了一种手持式在线扫描三维重建设备,该设备由立体视觉、激光和纹理敏感器组成,可以安装在机械手上扫描重建三维物体。Kinect结合了主动距离获取和体积表达的方式来创建物体或场景较为精确的三维模型。该
有大量公开文献可以参考,为共知技术,最终的目的均为获取非合作目标的几何外形。(2)非合作目标初始运动参数估计非合作目标相对位姿测量与估计技术已广泛应用于交会对接、机器人捕获和卫星导航等领域,尤其在非合作目标的自主在轨服务方面,由于目标的未确定性,需要感知测量提供非合作目标的相对位置和姿态等信息,以引导服务航天器对目标进行精确的跟踪与逼近。非合作目标近距离相对位姿测量与估计方法目前主要可以分为两类:基于特征的相对位姿测量算法、基于模型的相对位姿测量算法。相比基于特征的相对位姿计算方法,基于模型的相对位姿测量算法更偏重目标整体的视觉特性,具有更好的辨识精度和更广泛适应性。但是在进行基于模型的相对位姿测量之前,需要对目标进行精确的三维模型重建,也就是第一步的工作。基于模型的相对位姿测量算法主要有ICP法、EKF法等,相关方法均可通过文献获得。(3)非合作目标羽流场施加明确了非合作目标的几何外形、运动参数后,接下来需要确定羽流场施加方向、施加距离、施加时刻、作用时长等关键信息,并对产生的效果进行评估。主要步骤包括:(a)对主推力器开展羽流分析,获取推力器的羽流冲击压力场分布,图3为卫星上广泛应用的10N推力器羽流冲击压强分布图;(b)根据羽流冲击压强分布图和非合作目标本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种基于羽流扰动的相对导航目标惯性参数辨识方法,其特征在于步骤如下:(1)对非合作目标的几何外形进行三维重建;(2)基于重建后的几何模型完成对非合作目标的相对位姿测量;(3)调整捕获飞行器的位置和姿态,推力器启动,施加羽流场;(4)计算得到目标所受羽流扰动力和力矩;(5)确定非合作目标惯性参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于羽流扰动的相对导航目标惯性参数辨识方法,其特征在于步骤如下:(1)对非合作目标的几何外形进行三维重建;(2)基于重建后的几何模型完成对非合作目标的相对位姿测量;(3)调整捕获飞行器的位置和姿态,推力器启动,施加羽流场;(4)计算得到目标所受羽流扰动力和力矩;(5)确定非合作目标惯性参数。2.根据权利要求1所述的一种基于羽流扰动的相对导航目标惯性参数辨识方法,其特征在于:所述步骤(1)中三维重建采用立体视觉方法、基于主动距离获取方法、激光雷达扫描方法中的一种或多种手段相结合。3.根据权利要求1所述的一种基于羽流扰动的相对导航目标惯性参数辨识方法,其特征在于:所述步骤(2)中相对位姿测量包括目标的自旋轴、自旋角速度。4.根据权利要求1所述的一种基于羽流扰动的相对导航目标惯性参数辨识方法,其特征在于:所述步骤(4)中扰动力和力矩的具体计算方法为:根据羽流场施加时两个飞行器的运动状态,计算得到目标所受羽流扰动力和力矩:式中:表示扰动力;P表示法向应力;表示单元表面法向单位向量;σ表示切向的应力;表示单元切向单位向量;Ae表示单元表面积;表示扰动力矩;O表示力矩输出参考点;C表示单元中心点;和通过步骤二中获得的目标的自旋轴、自旋角速度确定,Ae通过步骤一中获得的目标的几何外形确定;其中,法向应力切应力σ=P∞(1-τ)AScosβ,ω=Ssinβ,式中...

【专利技术属性】
技术研发人员:史纪鑫王大轶王黎珍郑世贵葛东明邓润然邹元杰
申请(专利权)人:北京空间飞行器总体设计部
类型:发明
国别省市:北京,11

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1