一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统，包括模拟星、定位系统和上位机；所述定位系统通过安装在模拟星上方的摄像头对模拟星进行拍摄，相机利用图像识别估计模拟星的绝对位姿；上位机用于处理定位系统数据，与模拟星进行数据交互，实现控制数据下行与模拟星上行状态数据的接收；完成用户与模拟星的数据交互与控制，记录试验数据；气足与平台生成的气膜将模拟星浮起，在多个推进器的推力作用下能够在水平面平移和旋转，还能通过系绳控制装置进行侧移，模型卫星的运行状态。本发明专利技术能够确保模拟星能较好的模拟实际卫星在轨道平面内的运动状态，为绳系卫星的系绳收放算法提供良好的仿真条件。算法提供良好的仿真条件。算法提供良好的仿真条件。

【技术实现步骤摘要】
一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统及方法


[0001]本专利技术属于卫星
，具体涉及一种绳系卫星位置姿态试验系统及方法。

技术介绍

[0002]绳系卫星作为一种新型的航天器，在对地观测、空间碎片清除、空间载荷传输、卫星轨道转移等方面有巨大的应用潜力。绳系卫星具有强非线性、欠驱动、负阻尼振动等特点，研究其动力学特性与张力控制算法具有重要的理论意义和工程应用前景。虽然在轨实验是验证控制理论与方案可行性最可靠的方法，但是工程实践过于复杂且耗资巨大。因此人们将目光转向了地面等效实验，利用气浮台模拟卫星的在轨运行条件，通过地面模拟实验对绳系卫星进行研究。例如文浩等开发了一套气浮实验系统，可以模拟轨道平面内绳系编队系统的位置及姿态控制。Chung等为了论证“亚毫米级”空间结构探测计划的可行性，搭建了一个绳系卫星实验平台，用以实现绳系卫星编队的位置同步保持、接触及其重新定位实验。目前绳系卫星地面系统主要用于验证多绳系编队卫星的编队维持与位姿控制。但是对于单星的系绳张力控制算法与位姿控制算法还没有合适的验证平台。

技术实现思路

[0003]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统，包括模拟星、定位系统和上位机；所述定位系统通过安装在模拟星上方的摄像头对模拟星进行拍摄，相机利用图像识别估计模拟星的绝对位姿；上位机用于处理定位系统数据，与模拟星进行数据交互，实现控制数据下行与模拟星上行状态数据的接收；完成用户与模拟星的数据交互与控制，记录试验数据；气足与平台生成的气膜将模拟星浮起，在多个推进器的推力作用下能够在水平面平移和旋转，还能通过系绳控制装置进行侧移，模型卫星的运行状态。本专利技术能够确保模拟星能较好的模拟实际卫星在轨道平面内的运动状态，为绳系卫星的系绳收放算法提供良好的仿真条件。
[0004]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0005]一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统，包括模拟星、定位系统和上位机；
[0006]所述定位系统采用视觉定位，通过安装在模拟星上方的摄像头对模拟星进行拍摄，将图像通过有线方式传送给上位机，上位机利用图像识别估计模拟星的绝对位姿；
[0007]所述上位机用于处理定位系统数据，并通过无线方式与模拟星进行数据交互，实现控制数据下行与接收模拟星状态数据上传；上位机完成用户与模拟星的数据交互与控制，记录试验数据；
[0008]所述模拟星包括推进装置、气浮装置、主控系统、电源系统、姿态控制系统、IMU、系绳收放装置和储气装置；
[0009]所述储气装置中存储高压气体；
[0010]所述气浮装置包括多个气足，所述气足安装在模拟星底部；所述储气装置的高压气体通过减压阀后从气足释放，每个气足释放气体的压力相同，使模拟星水平悬浮；
[0011]所述推进装置包括N个高压冷气推进器，N≥6；所述N个高压冷气推进器均匀分布安装在模拟星中部同一水平面上，高压冷气推进器的喷气口均向外；所述储气装置的高压气体通过减压阀后从高压冷气推进器的喷气口释放产生推力，每个高压冷气推进器产生的推力大小相同，通过开关控制不同位置的高压冷气推进器，使模拟星能够在水平方向平移和旋转；
[0012]所述姿态控制系统包括一个单轴动量轮，所述单轴动量轮与模拟星进行角动量交换，与高压冷气推进器协同控制模拟星的旋转运动；
[0013]所述主控系统包括星载计算机和底层控制器；
[0014]所述星载计算机搭载ROS系统，运行卫星控制算法，并将控制指令下传给底层控制器；所述星载计算机与上位机进行无线通信，实现模拟星状态量上传与模拟星绝对位姿数据的接收；
[0015]所述底层控制器通过控制电磁阀的通断，实现对高压冷气推进器的开关控制；所述底层控制器通过串口CAN总线对单轴动量轮进行控制；所述底层控制器与IMU相连，IMU测量模拟星的相对位姿，将模拟星的相对位姿传送给底层控制器；
[0016]所述系绳收放装置包括电机和张力测量装置；所述系绳一端与电机连接，另一端与模拟星外部的装置连接，电机工作时，系绳收紧，模拟星在系绳的拉力下移动；所述张力测量装置测量系绳的张力，将张力传送给星载计算机，星载计算机通过闭环控制方式控制系绳的收放长度、收放速度和张力；
[0017]所述电源系统为模拟星供电；
[0018]用户在上位机输入模拟星的期望位姿，所述上位机将期望位姿下发给星载计算机，星载计算机运行控制算法，生成控制指令到底层控制器，底层控制器控制高压冷气推进器和单轴动量轮实现模拟星的平移和旋转；IMU测量模拟星的相对位姿，传送到底层控制器，底层控制器再传送回星载计算机；定位系统将拍摄的模拟星传送给上位机，上位机利用图像识别估计模拟星的绝对位姿并下发到星载计算机；星载计算机对模拟星的相对位姿和绝对位姿进行融合，作为反馈量与期望位姿进行比较，形成模拟器位姿的闭环控制。
[0019]优选地，所述定位系统的摄像头为CMOS摄像头。
[0020]优选地，所述高压气体为CO2。
[0021]优选地，所述星载计算机为Intel的NUC11PAH。
[0022]优选地，所述底层控制器采用STM32F407作为主控芯片。
[0023]优选地，所述电源系统采用6S锂电池为模拟星供电。
[0024]优选地，所述N＝8。
[0025]一种微重力环境下绳系卫星位置姿态控制方法，包括如下步骤：
[0026]步骤1：设计目标函数如下：
[0027][0028]其中T为控制周期；F
xerr
(.)，F
yerr
(.)分别表示高压冷气推进器在x轴方向和y轴方向实际推力与期望推力的差值，表示高压冷气推进器实际转矩与期望转矩的差值；F
xnorm
，F
ynorm
，为归一化因子；
[0029]步骤2：将模拟星向x轴的正向和负向运动或向y轴的正向和负向运动，以及模拟星顺时针旋转和逆时针旋转进行组合，从而把模拟星的运动分为8种类型；
[0030]通过开关各个高压冷气推进器，能够得到M
i
种高压冷气推进器的开关组合，实现模拟星的第i种类型运动；i＝1,2,
…
,8；
[0031]将模拟星的第i种类型运动的M
i
种高压冷气推进器的开关组合分别计算目标函数值，选择目标函数最小的作为模拟星的第i种类型运动的最优高压冷气推进器开关组合。
[0032]本专利技术的有益效果如下：
[0033]1、本专利技术参考实际卫星的动力系统进行推进装置与姿态控制系统设计，确保模拟星能较好的模拟实际卫星在轨道平面内的运动状态，为绳系卫星的系绳收放算法提供良好的仿真条件。
[0034]2、本专利技术提出了一种推进器推力分配算法。通过建立目标函数，利用推进器分组和对称性原则，建立切实可行的推力分配算法。通过采用推进器分组方法，减少了每个控制周期的计算量，使其可以工作于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微重力环境下绳系卫星位置姿态试验系统，其特征在于，包括模拟星、定位系统和上位机；所述定位系统采用视觉定位，通过安装在模拟星上方的摄像头对模拟星进行拍摄，将图像通过有线方式传送给上位机，上位机利用图像识别估计模拟星的绝对位姿；所述上位机用于处理定位系统数据，并通过无线方式与模拟星进行数据交互，实现控制数据下行与接收模拟星状态数据上传；上位机完成用户与模拟星的数据交互与控制，记录试验数据；所述模拟星包括推进装置、气浮装置、主控系统、电源系统、姿态控制系统、IMU、系绳收放装置和储气装置；所述储气装置中存储高压气体；所述气浮装置包括多个气足，所述气足安装在模拟星底部；所述储气装置的高压气体通过减压阀后从气足释放，每个气足释放气体的压力相同，使模拟星水平悬浮；所述推进装置包括N个高压冷气推进器，N≥6；所述N个高压冷气推进器均匀分布安装在模拟星中部同一水平面上，高压冷气推进器的喷气口均向外；所述储气装置的高压气体通过减压阀后从高压冷气推进器的喷气口释放产生推力，每个高压冷气推进器产生的推力大小相同，通过开关控制不同位置的高压冷气推进器，使模拟星能够在水平方向平移和旋转；所述姿态控制系统包括一个单轴动量轮，所述单轴动量轮与模拟星进行角动量交换，与高压冷气推进器协同控制模拟星的旋转运动；所述主控系统包括星载计算机和底层控制器；所述星载计算机搭载ROS系统，运行卫星控制算法，并将控制指令下传给底层控制器；所述星载计算机与上位机进行无线通信，实现模拟星状态量上传与模拟星绝对位姿数据的接收；所述底层控制器通过控制电磁阀的通断，实现对高压冷气推进器的开关控制；所述底层控制器通过串口CAN总线对单轴动量轮进行控制；所述底层控制器与IMU相连，IMU测量模拟星的相对位姿，将模拟星的相对位姿传送给底层控制器；所述系绳收放装置包括电机和张力测量装置；所述系绳一端与电机连接，另一端与模拟星外部的装置连接，电机工作时，系绳收紧，模拟星在系绳的拉力下移动；所述张力测量装置测量系绳的张力，将张力传送给星载计算机，星载计算机通过闭环控制方式控制系绳的收放长度、收放速度和张力；所述电源系统为模拟星供电；用户在上位机输入模拟星的期望位姿，所述上位机将期望位姿下发给星载计算机，星载计算机运行控制算法，生成控制指令到底层控制器，底层...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄攀峰，文思捷，张帆，金澳，沈刚辉，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：