一种月球采样封装器地一体化操作方法技术

本发明专利技术公开了一种月球采样封装器地一体化操作方法，分析决策系统生成初步控制策略，并发送给操控台A；所述操控台A生成初步控制指令后发送给地面验证器；地面验证器根据初步控制指令进行采样封装整体任务的模拟，以验证初步控制策略的有效性和正确性；在验证结果确认初步控制策略有效、正确的前提下，分析决策系统生成采样封装任务的正式控制策略，并发送给操控台B；操控台B生成正式控制指令后发送给在轨航天器；在轨航天器根据正式控制指令执行预期的采样封装任务；本发明专利技术通过地面验证器对初步控制策略进行验证，确保上行至在轨航天器的指令内容和指令顺序的正确性、有效性，准确实现预定采样封装功能。现预定采样封装功能。现预定采样封装功能。

【技术实现步骤摘要】
一种月球采样封装器地一体化操作方法


[0001]本专利技术属于航天器
，具体涉及一种月球采样封装器地一体化操作方法。

技术介绍

[0002]月面采样封装工作过程中，将面临多种不确知环境，这些环境将影响采样封装的工作过程和工作结果，需要地面操作人员进行现场进行分析、验证和决策，对于这些不确知环境，应具有特殊的应对措施。
[0003](1)采样区域的地形和探测器着陆后高度
[0004]采样区域的月面起伏状态和探测器着陆后高度，将影响表取的可达范围大小。当采样区域内的月面地形相对于机械臂安装坐标系的高度差越小，表取可达面积越大，表取采样点的可选择区域越大。表取采样区域的地形起伏可能影响触月和采样状态下的机械臂工作安全性，地面人员需要结合地形起伏、地形坡度和着陆高度情况，分析制定合理的采样工作策略。
[0005]表取采样工作前，需要利用采样过程监视相机对采样区域进行成像，地面人员利用双目图像进行立体数字重构，并完成表取采样区的地形物理重构，根据物理重构后的地形信息，完成表取采样点的初选，并根据表取采样点的地形坡度和起伏情况确定采样器的姿态，经过表取采样物理验证后，确认为安全表取采样点，并将经物理验证后的采样策略确定为该采样点的采样策略。
[0006]表取采样区物理环境的重构一方面可以为地面操作人员提供身临其境的采样点环境及其周围环境信息，可以在“真实环境”中完成表取采样点的选择，另一方面，地面操作人员将直观建立表取机械臂与采样点及其周围环境的耦合关系，从而为安全、高效地操作机械臂建立良好基础。
[0007](2)采样区域的地质
[0008]采样区域的石块分布和土壤抗剪切能力等地质特性，将影响钻取和表取工作策略。
[0009]钻取采样工作前，需要根据采样区的地质状态选择合适的钻进取芯工作策略，在地面物理重构后的钻取模拟月壤和特定着陆姿态下，物理验证钻进取芯策略的正确性，验证有效后用于月面钻取钻进取芯的初始策略，并形成执行指令序列直接供在轨钻取采样实施。月面钻取采样工作过程中，需要实时监测回转速度、加载速度、提芯速度、加载力、提心力等重要特征参数，地面人员结合地面物理验证情况和以往的试验经验等信息，及时调整钻取工作策略。
[0010]表取采样工作前，地面人员利用物理重构后的表取采样区域，避开可能产生采样干涉的大石块区域，针对不同的石块凸起高度区域，分别制定不同的采样策略。表取采样工作过程中，需要实时监测关节运动速度、关节运动位置、采样器电机运动速度、采样器电机运动位置等重要特征参数，地面人员分析触地传感器和采样器与月面相互作用状态，结合地面物理验证情况和以往的试验经验等信息，及时调整表取工作策略。
[0011]为了提高在轨表取采样期间的安全性和工作效率，应提前在地面重构的物理环境中，验证首次表取触月和表取采样的工作策略，并形成执行指令序列直接供在轨表取采样实施。目前全世界的数字模型中，还没有能够准确描述地质特性、机械力学特性和采样器耦合关系的模型，不能通过数字仿真方式实现不同地质状态对采样过程的影响分析，通过构建“真实地质”环境，为地面操作人员提供其他采样策略正确性的验证基础，为在轨可能发生的非标称状态，建立物理验证条件。
[0012](3)航天器的倾斜姿态
[0013]在月球重力场作用下，航天器的月面倾斜姿态，将影响表取采样机械臂的末端定位精度。不同的倾斜姿态将对表取采样机械臂产生不同的定位误差，这些定位误差不能满足放样等精准操作要求。需要地面人员针对这些过程开展精调操作，通过精调，最终将机械臂调整至放样等精准位置。为了确保不确知环境下的产品安全，放样等精调过程都分别分为三个过程实施：起调、细调、微调。
[0014]表取采样工作前，利用同姿态下的物理验证结果，向在轨航天器提供放样等精调策略。表取采样工作过程中，需要实时监测关节运动位置，地面人员利用采样过程监视相机、近摄相机图像等图像信息，精确调整表取采样机械臂的采样点、放样点等位置。
[0015]为了提高在轨表取采样机械臂关键过程精调期间的安全性和工作效率，应提前在地面重构真实的着路上升组合体倾斜姿态和1/6g重力补偿环境，通过地面验证器构建的“真实着陆姿态”和“真实重力”等物理环境，提前验证表取采样机械臂在放样等精调过程中的精调策略，并形成起调过程的执行指令序列直接供在轨精调中实施，形成细调和微调过程的参考执行序列供在轨精调参考实施，在轨航天器的精调工作主要集中解决微调阶段的精调实施。由于数字模型不能准确构建表取采样机械臂的动力学特性，不能通过数学模型方式准确分析机械臂在月球重力、不同负载状态的形变关系，通过构建“真实工作姿态”环境，结合物理重构的表取采样环境，为地面操作人员提供表取采样机械臂工作策略正确性的验证基础，为在轨可能发生的非标称状态，建立物理验证条件。
[0016]一般航天器的操作任务过程中，地面操作人员分析在轨航天器的工作状态，依据设计方案，形成控制策略和控制指令，在部分情况下，在轨航天器的控制策略会进行数字仿真分析，或者对控制指令进行半物理验证，确认控制指令正确后，上行至在轨航天器。
[0017]随着航天技术的发展，航天器的在轨操作任务越来越复杂。由于非结构化环境特征及其与航天器的相互耦合关系不能通过数字化模型进行准确描述，地面试验过程中也不能完全遍历所有工作策略与工作环境之间的耦合状态，为了确保在轨航天器动作执行的正确性和有效性，需要提前上行指令或指令串进行物理验证，因此，复杂环境下的复杂操作任务需要有高准确度的物理系统支持。

技术实现思路

[0018]有鉴于此，本专利技术提供了一种月球采样封装器地一体化操作方法，通过采用与在轨航天器具有相同的物理功能的地面验证器，先在地面验证控制策略和控制指令，进而操作控制在轨航天器的采样封装动作。
[0019]本专利技术是通过下述技术方案实现的：
[0020]一种月球采样封装器地一体化操作方法，具体步骤如下：
[0021]第一步，在轨航天器进入在轨执行状态后，采集在轨航天器所在工作环境的图像数据及其采样机构的状态数据，并通过遥测传输给分析决策系统；
[0022]第二步，所述分析决策系统根据接收到的图像数据和状态数据，对在轨航天器的工作环境进行三维建模，形成数字模型后，将所述数字模型发送给地面验证器；地面验证器将所述数字模型转换为物理模型，使地面验证器与在轨航天器具有相同的工作环境和采样机构的状态；
[0023]第三步，所述分析决策系统根据接收到的图像数据和状态数据将在轨航天器的月面采样封装整体任务分解为若干个子任务，生成初步控制策略后，将所述初步控制策略发送给操控台A；
[0024]第四步，所述操控台A将所述初步控制策略转化为初步控制指令后发送给地面验证器；
[0025]第五步，所述地面验证器根据所述初步控制指令进行采样封装整体任务的模拟，以验证初步控制策略的有效性和正确性；若验证结果确认初步控制策略有效、正确，则通过遥测将验证结果传输给分析决策系统；若验证结果确认初本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种月球采样封装器地一体化操作方法，其特征在于，具体步骤如下：第一步，在轨航天器进入在轨执行状态后，采集在轨航天器所在工作环境的图像数据及其采样机构的状态数据，并通过遥测传输给分析决策系统；第二步，所述分析决策系统根据接收到的图像数据和状态数据，对在轨航天器的工作环境进行三维建模，形成数字模型后，将所述数字模型发送给地面验证器；地面验证器将所述数字模型转换为物理模型，使地面验证器与在轨航天器具有相同的工作环境和采样机构的状态；第三步，所述分析决策系统根据接收到的图像数据和状态数据将在轨航天器的月面采样封装整体任务分解为若干个子任务，生成初步控制策略后，将所述初步控制策略发送给操控台A；第四步，所述操控台A将所述初步控制策略转化为初步控制指令后发送给地面验证器；第五步，所述地面验证器根据所述初步控制指令进行采样封装整体任务的模拟，以验证初步控制策略的有效性和正确性；若验证结果确认初步控制策略有效、正确，则通过遥测将验证结果传输给分析决策系统；若验证结果确认初步控制策略未有效、正确，则通过遥测将验证结果传输给分析决策系统，分析决策系统重新生成初步控制策略，再次进行验证，直到验证结果确认初步控制策略有效、正确；第六步，在验证结果确认初步控制策略有效、正确的前提下，分析决策系统生成采样封装任务的正式控制策略，并将所述正式控制策略发送给操控台B；第七步，所述操控台B将接收到的正式控制策略转化为正式控制指令后发送给在轨航天器；第八步，在轨航天器根据正式控制指令执行预期的采样封装任务。2.如权利要求1所述的一种月球采样封装器地一体化操作方法，其特征在于，所述物理模型包括：地形、采样对象、光照环境及采样机构的状态。3.如权利要求1所述的一种月球采样封装器地一体化操作方法，其特征在于，第三步中，生成初步控制策略的具体方法如下：分析决策系统根据在轨航天器的工作环境和采样机构的状态，制定月面采样封装任务的初步控制策略CS
m
，初步控制策略表达如下：CS
m
＝{S
Ini
,[G
p
,I,M],G
E
,ES,}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，S
Ini
为采样机构的起始状态要求，ES为采样机构的结束状态预期，G
E
为采样机构的应急状态处置点，[G
p
,I,M]为采样机构进行采样的目标点，其中，G
p
为目标点的位置坐标，I为必须经过的目标点的坐标和动作，M为采样机构的工作模式。4.如权利要求3所述的一种月球采样封装器地一体化操作方法，其特征在于，在初步控制策略CS
m
确定的过程中，设有控制驻点，控制驻点的状态集合表示为Sa，Sa中相邻成员之间的转换具有对称性，即：假设第i个和第i+1个控制驻点分别为Sa
i
和Sa
i+1
，则当时，其中，与互为逆变换；公式(1)中的S
Ini
∈Sa，ES∈Sa。5.如权利要求3所述的一种月球采样封装器地一体化操作方法，其特征在于，第四步中，操控台A将所述初步控制策略转化为初步控制指令的具体方法如下：
步骤4
‑
1，操控台A将初步控制策略CS
m
分解，形成由单个动作规划组成的控制规划集CP
m
＝<CP1,CP2,....,CP
i
,,.....,CP
n
>，其中，单个动作规划表示如下：式中，s
p
为动作的初始状态，a为该动作的控制方法，e
a
为该动作执行完成后的预期状态；因此，所述控制规划集CP
m
表示为：在控制规划集CP
m
内，相邻两个动作规划应满足并应满足并应满足步骤4
‑
2，操控台A根据控制规划集C...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓湘金，张高，金晟毅，郑燕红，赵志晖，姚猛，李青，苏若曦，贺晓洋，
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：