一种运载火箭加泄连接器自动对接轨迹规划方法技术

一种运载火箭加泄连接器自动对接轨迹规划方法，将自动对接过程分为三个阶段，分别为接近运动阶段、粗对接阶段、精对接阶段，然后将精对接阶段自动对接运动描述为随机可测目标的伺服跟踪运动，并采用线性叠加的方法，将自动对接运动分为两部分，对两部分运动量线性叠加后得出自动对接运动的位移量，最后实现自动对接运动。精对接阶段过程中，需要加泄连接器与箭体推进剂加注口接触，由于运载火箭在风载荷的影响下会出现随机晃动，因此对接过程中存在加泄连接器与箭体推进剂加注口对接时刻发生撞击的风险，本发明专利技术提出的轨迹规划方法可有效消除撞击风险，提升了自动对接安全性。

An automatic docking trajectory planning method for launch vehicle relief connector

A rocket and discharge connector automatic docking trajectory planning method, the automatic docking process is divided into three stages, respectively, close to the stage of exercise, coarse and fine stage docking docking stage, then precise docking stage automatic docking motion description for random measurable target tracking servo motion, and using the method of linear superposition. The automatic docking movement is divided into two parts, the two part displacement amount of linear superposition obtained after automatic docking movement, finally realize the automatic docking movement. Precise docking phase, need discharge connector and the rocket body propellant rocket in the mouth contact, because of the influence of wind load will appear under the random sway, so the butt and discharge connector and rocket propellant butt moment impact risk existing in the process of trajectory planning method proposed by the invention can effectively eliminate the impact the risk, enhance the safety of automatic docking.

【技术实现步骤摘要】
一种运载火箭加泄连接器自动对接轨迹规划方法
本专利技术涉及一种运载火箭加泄连接器自动对接轨迹规划方法，属于运载火箭地面设备加注

技术介绍
运载火箭或导弹与地面设备之间的气、液接口设备一般称为连接器，液体运载火箭箭体推进剂加注口和地面加注设备的接口设备成为加泄连接器。在发射之前，运载火箭一直通过加泄连接器与加注管路连接在一起，完成推进剂的加注工作。而加泄连接器和箭体推进剂加注口的连接，需要进行对接操作。现有技术条件下，加泄连接器和箭体推进剂加注口的连接均通过人员手动操作完成，而运载火箭的推进剂一般为肼类燃料或低温燃料，人员手动操作存在较大的安全风险，因此加泄连接器与箭体推进剂加注口的自动对接应运而生。运载火箭在加注时，会受到风载荷的影响而导致未知的随机晃动，这给自动对接的控制增加了难度。另外，箭体活门与连接器相对速度、相对加速度均有严格的要求，因此在精对接阶段需要对连接器进行轨迹规划，使对接瞬间运载火箭加泄连接器和箭体推进剂加注口的相对速度和相对加速度在安全范围内，即使对接瞬间二者受力和冲击均处于安全范围内，以保证连接器与箭体推进剂加注口在对接瞬间不会损坏。
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，提供一种易于实现、安全性高的运载火箭加泄连接器自动对接轨迹规划方法，消除运载火箭加泄连接器和运载火箭箭体推进剂加注口对接时的撞击风险，实现安全可靠对接。本专利技术的技术解决方案是：一种运载火箭加泄连接器自动对接轨迹规划方法，步骤如下：(1)根据已知的运载火箭在地面与加泄连接器自动对接过程中的晃动和局部变形的最大包络范围，通过实时测量加泄连接器和运载火箭箭体推进剂加注口的距离，控制六自由度运动机构沿着轴向运动至最大包络范围的边缘，使加泄连接器位于最大包络范围之外一定距离，完成接近运动；(2)除加泄连接器沿至运载火箭箭体推进剂加注口的方向运动的运动自由度以外，调整加泄连接器的其余五个自由度后，使加泄连接器与运载火箭箭体推进剂加注口在其余五个自由度的位置和姿态一致，完成粗对接；(3)根据步骤(1)加泄连接器位于最大包络范围之外的距离以及最大包络范围，使用轨迹规划算法进行精对接运动的轨迹规划，即确定加泄连接器的轨迹方程；(4)保持其余五个自由度的位置和姿态调整，使加泄连接器与运载火箭箭体推进剂加注口在其余五个自由度的位置和姿态始终实时保持一致，根据接近运动的轨迹规划驱动加泄连接器沿加泄连接器与运载火箭箭体推进剂加注口的直线连接线，向运载火箭箭体推进剂加注口运动，直至加泄连接器沿加泄连接器与运载火箭箭体推进剂加注口接触上后完成对接，使加泄连接器与运载火箭箭体推进剂加注口接触时刻的速度一致。所述的步骤(3)中的轨迹规划算法为：定义约束条件如下：①位置约束：z(t0)＝z0，z(t0+Δt)＝0②速度约束：v(t0)＝0，v(t0+Δt)＝0③加速度约束：a(t0)＝0，a(t0+Δt)＝0其中，t0为算法起始时间即轨迹规划运动的开始时刻，Δt为算法运行时间即从粗对接完成时刻至完成对接时刻的时间，z0为运载火箭箭体推进剂加注口与连接器的已知距离即完成接近运动后加泄连接器和运载火箭箭体推进剂加注口的距离，z(t0)表示t0时刻加泄连接器和运载火箭箭体推进剂加注口的距离；v(t0)是指t0时刻加泄连接器和运载火箭箭体推进剂加注口的相对速度；a(t0)是指t0时刻加泄连接器和运载火箭箭体推进剂加注口的相对加速度；采用五次多项式插值方法来得到满足约束要求的加泄连接器的轨迹方程为：z(t)表示t时刻加泄连接器和运载火箭箭体推进剂加注口的实时距离；根据除加泄连接器沿至运载火箭箭体推进剂加注口的方向运动的运动自由度以外加泄连接器的其余五个自由度与加泄连接器的轨迹方程z(t)表示的自由度线性叠加，得到加泄连接器的六自由度变化量。空间六自由度运动的机械结构包括驱动机构，根据空间六自由度运动的机械结构的几何关系，通过逆运动学计算得出机械结构中的驱动机构即作动器的线位移或者角位移，并驱动作动器动作。Δt的求取方法为：根据精对接运动中空间六自由度运动的机械结构的极限速度及z0进行确定。加泄连接器位于最大包络范围之外一定距离中的一定距离为5mm～10mm。所述的加泄连接器指运载火箭与推进剂加注设备之间的连接装置，加泄连接器为包括加注管路和外围设备，呈圆柱型，加泄连接器自动对接过程为将加泄连接器安装于一个具备空间六自由度运动的机械结构上，即三个平动自由度、三个转动自由度运动，机械结构中能够主动进行直线运动或转动的机构为作动器，通过控制算法驱动此机械结构完成加泄连接器与运载火箭箭体的连接；本专利技术与现有技术相比具有如下优点：(1)本专利技术将自动对接过程分为三个阶段，并在精对接阶段进行轨迹规划，工程上可实现，填补了国内运载火箭加泄连接器自动对接控制领域的空白。(2)本专利技术的轨迹规划方法不同于现有轨迹规划算法，现有轨迹规划算法主要是针对静止固定目标与运动规律已知的移动目标设计，本专利技术的轨迹规划算法专门为随机可测运动目标进行轨迹规划设计，算法对随机可测运动目标的跟踪而言，稳定性好。(3)本专利技术兼顾自动对接的快速性、安全性要求，仅在精对接阶段引入轨迹规划方法以提升对接运动的安全性，其余阶段不考虑轨迹规划问题，保证对接运动的快速性。(4)本专利技术的轨迹规划方法将精对接运动阶段分离为向箭体推进剂加注口的接近运动和以一已知距离的跟踪运动，在理论上实现对接瞬间箭体推进剂加注口和加泄连接器的相对速度、相对加速度为零，理论上杜绝了撞击风险。(5)本专利技术的轨迹规划方法不同于现有轨迹规划算法预先设定轨迹，而是按照约束条件实时地调整规划轨迹，以适应箭体推进剂加注口的随机晃动。附图说明图1为本专利技术轨迹规划方法的流程图；图2为本专利技术自动对接各阶段的流程图；图3为本专利技术的坐标定义和位姿空间示意图；具体实施方式本专利技术一种运载火箭加泄连接器自动对接轨迹规划方法，将自动对接过程分为三个阶段，分别为接近运动阶段、粗对接阶段、精对接阶段，然后将精对接阶段自动对接运动描述为随机可测目标的伺服跟踪运动，并采用线性叠加的方法，将自动对接运动分为两部分：一是加泄连接器和箭体推进剂加注口以一已知距离进行伺服跟踪运动，二是加泄连接器和箭体推进剂加注口基于轨迹规划算法的接近运动，分别对两部分运动进行控制算法设计，对两部分运动量线性叠加后得出自动对接运动的位移量，最后实现自动对接运动。精对接阶段过程中，需要加泄连接器与箭体推进剂加注口接触，由于运载火箭在风载荷的影响下会出现随机晃动，因此对接过程中存在加泄连接器与箭体推进剂加注口对接时刻发生撞击的风险，本专利技术提出的轨迹规划方法可有效消除撞击风险，提升了自动对接安全性。如图2所示，，本专利技术的基本思路为：一种运载火箭加泄连接器自动对接轨迹规划方法，其特征在于步骤如下：(1)根据已知的火箭在地面与加泄连接器自动对接过程中的晃动和局部变形的最大包络范围，通过实时测量加泄连接器和运载火箭箭体推进剂加注口的距离，控制六自由度运动机构沿着轴向运动至最大包络范围的边缘，使加泄连接器位于最大包络范围之外一定距离，完成接近运动；(2)除加泄连接器沿至运载火箭箭体推进剂加注口的方向运动的运动自由度以外，调整加泄连接器的其余五个自由度后，使加泄连接器与运载火箭本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种运载火箭加泄连接器自动对接轨迹规划方法，其特征在于步骤如下：(1)根据已知的火箭在地面与加泄连接器自动对接过程中的晃动和局部变形的最大包络范围，通过实时测量加泄连接器和运载火箭箭体推进剂加注口的距离，控制六自由度运动机构沿着轴向运动至最大包络范围的边缘，使加泄连接器位于最大包络范围之外一定距离，完成接近运动；(2)除加泄连接器沿至运载火箭箭体推进剂加注口的方向运动的运动自由度以外，调整加泄连接器的其余五个自由度后，使加泄连接器与运载火箭箭体推进剂加注口在其余五个自由度的位置和姿态一致，完成粗对接；(3)根据步骤(1)加泄连接器位于最大包络范围之外的距离以及最大包络范围，使用轨迹规划算法进行精对接运动的轨迹规划，即确定加泄连接器的轨迹方程；(4)保持其余五个自由度的位置和姿态调整，使加泄连接器与运载火箭箭体推进剂加注口在其余五个自由度的位置和姿态始终实时保持一致，根据接近运动的轨迹规划驱动加泄连接器沿加泄连接器与运载火箭箭体推进剂加注口的直线连接线，向运载火箭箭体推进剂加注口运动，直至加泄连接器沿加泄连接器与运载火箭箭体推进剂加注口接触上后完成对接，使加泄连接器与运载火箭箭体推进剂加注口接触时刻的速度一致。...

【技术特征摘要】
1.一种运载火箭加泄连接器自动对接轨迹规划方法，其特征在于步骤如下：(1)根据已知的火箭在地面与加泄连接器自动对接过程中的晃动和局部变形的最大包络范围，通过实时测量加泄连接器和运载火箭箭体推进剂加注口的距离，控制六自由度运动机构沿着轴向运动至最大包络范围的边缘，使加泄连接器位于最大包络范围之外一定距离，完成接近运动；(2)除加泄连接器沿至运载火箭箭体推进剂加注口的方向运动的运动自由度以外，调整加泄连接器的其余五个自由度后，使加泄连接器与运载火箭箭体推进剂加注口在其余五个自由度的位置和姿态一致，完成粗对接；(3)根据步骤(1)加泄连接器位于最大包络范围之外的距离以及最大包络范围，使用轨迹规划算法进行精对接运动的轨迹规划，即确定加泄连接器的轨迹方程；(4)保持其余五个自由度的位置和姿态调整，使加泄连接器与运载火箭箭体推进剂加注口在其余五个自由度的位置和姿态始终实时保持一致，根据接近运动的轨迹规划驱动加泄连接器沿加泄连接器与运载火箭箭体推进剂加注口的直线连接线，向运载火箭箭体推进剂加注口运动，直至加泄连接器沿加泄连接器与运载火箭箭体推进剂加注口接触上后完成对接，使加泄连接器与运载火箭箭体推进剂加注口接触时刻的速度一致。2.根据权利要求1所述的一种运载火箭加泄连接器自动对接轨迹规划方法，其特征在于：所述的步骤(3)中的轨迹规划算法为：定义约束条件如下：①位置约束：z(t0)＝z0，z(t0+Δt)＝0②速度约束：v(t0)＝0，v(t0+Δt)＝0③加速度约束：a(t0)＝0，a(t0+Δt)＝0其中，t0为算法起始时间即轨迹规划运动的开始时刻，Δt为算法运行时间即从粗对接完成时刻至完成对接时刻的时间，z0为运载火箭箭体推进剂加注口与连接器的已知距离即完成接近运动后加泄连接器和运载火箭箭体推进剂加注口的距离，z(t0)表示t0时刻加泄...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑国昆，李道平，王小军，刘毅，白文龙，杨之江，
申请(专利权)人：北京航天发射技术研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11