專利名稱：人控交會對接半物理仿真試驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天控制領(lǐng)域，涉及
程進行驗證的半物理仿真試驗系統(tǒng)。
種可用于對人控交會對接控制律和相關(guān)操作過
背景技術(shù)：
航天器的空間交會對接(Rendezvous and Docking, RVD)技術(shù)是載人航天中的一 項關(guān)鍵技術(shù)，分為自動控制和人工控制兩種。美國和前蘇聯(lián)都在1967年首次實現(xiàn)了航天器 的交會對接，并在其后進行了一系列的空間交會對接活動。雖然美國和前蘇聯(lián)都發(fā)展了交 會與對接的人控和自控技術(shù)，但是美國更比較重視采用人控技術(shù)，而前蘇聯(lián)則比較重視采 用自控技術(shù)。 美國在"雙子星座"和"阿波羅"飛船計劃中都使用了人控來進行航天器的空間交 會與對接。美國研究人員在"雙子星座"飛船計劃經(jīng)驗總結(jié)中寫道"經(jīng)驗表明，航天員能 夠指導(dǎo)制導(dǎo)系統(tǒng)完成主要操作，而且在制導(dǎo)系統(tǒng)失靈時也能完成各飛行階段的任務(wù)。他們 認(rèn)為，用人控來完成空間交會與對接任務(wù)具有以下優(yōu)點人具有分析、判斷和決策能力，可 以提高交會與對接任務(wù)的成功率，因為可以及時修正交會系統(tǒng)中的錯誤；可以排除交會與 對接系統(tǒng)中的故障，保證交會與對接任務(wù)的完成；人控比自控更節(jié)省燃料和時間。因此美國 專家認(rèn)為，如果航天器上有人，用人控來完成交會與對接任務(wù)顯然比自控有利得多。特別是 當(dāng)航天器上的傳感器、計算機或其他交會與對接所必需的設(shè)備發(fā)生故障時，人控是唯一的 選擇。 與美國相反，前蘇聯(lián)比較側(cè)重于采用自控。他們認(rèn)為，航天器交會與對接過程中的 自動化是未來空間飛行所必需的。自控交會與對接的優(yōu)點是不需要生命保障系統(tǒng)，可靠性 高，無需考慮人的救生問題。前蘇聯(lián)雖然大力發(fā)展自控交會與對接技術(shù)，但也沒有放棄采用 人控交會與對接。1969年1月16日，"聯(lián)盟"4號和5號飛船首次成功地進行了人控交會與 對接。1969年10月，"聯(lián)盟"6、7、8號3艘載人飛船分別進行了人控交會與對接。而"聯(lián)盟" 號、"聯(lián)盟T"和"聯(lián)盟TM"飛船與"禮炮"號空間站的交會與對接，第一次對接失敗，放寬對 接區(qū)域，也未成功；第二次，調(diào)整姿態(tài)控制系統(tǒng)又出故障；第三次，轉(zhuǎn)到航天員手控對接，才 最后成功。特別是當(dāng)自控系統(tǒng)失靈時，采用人控才能保證完成交會與對接任務(wù)。
隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，以神舟5號和神舟7號為標(biāo)志的載人航天一期工程取 得了巨大的成功。為順利實現(xiàn)以交會對接為主要目標(biāo)的載人航天二期工程任務(wù)，迫切需要 對人控交會對接技術(shù)進行研究并進行試驗驗證，為順利實現(xiàn)以交會對接為主要目標(biāo)的載人 航天二期工程任務(wù)奠定牢固的基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一套可真實驗證人控交 會對接控制律及相關(guān)操作過程的半物理仿真試驗系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是人控交會對接半物理仿真試驗系統(tǒng)，包括動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元、六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺、三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺、激光雷達(dá)、人控電視攝像機、被測 人控交會對接控制單元、人控電視攝像機圖像顯示器、人控指令單元、人控姿態(tài)手柄、人控 位置手柄、人控電視攝像機靶標(biāo)、激光雷達(dá)合作目標(biāo)；人控電視攝像機靶標(biāo)、激光雷達(dá)合作 目標(biāo)安裝在三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺上，激光雷達(dá)、人控電視攝像機安裝在六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn) 臺上；其中， 動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元接收被測人控交會對接控制單元發(fā)出的執(zhí)行機構(gòu)指令， 根據(jù)所述指令進行目標(biāo)飛行器和追蹤飛船姿態(tài)和軌道動力學(xué)仿真，得到目標(biāo)飛行器與追蹤 飛船之間的相對位置、相對姿態(tài)、相對位置速度和相對姿態(tài)角速度，將目標(biāo)飛行器的姿態(tài)和 姿態(tài)角速度通過指令送至三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺，將追蹤飛船的姿態(tài)、姿態(tài)角速度、位置和位置 速度通過指令送至六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺，同時獲取六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺和三自由度姿 態(tài)轉(zhuǎn)臺實時返回的運動狀態(tài)信息； 六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺根據(jù)動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元發(fā)出的姿態(tài)、姿態(tài)角速度、位 置和位置速度指令進行運動，模擬追蹤飛船的在軌運行狀態(tài)； 三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺根據(jù)動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元發(fā)出的姿態(tài)和姿態(tài)角速度指令進 行運動，模擬目標(biāo)飛行器的在軌運行狀態(tài)； 人控電視攝像機實時對人控電視攝像機靶標(biāo)進行攝像，并將圖像實時傳送給人 控電視攝像機圖像顯示器，供試驗人員觀察使用； 激光雷達(dá)實時對激光雷達(dá)合作目標(biāo)進行跟蹤測量，并將測量數(shù)據(jù)送至被測人控 交會對接控制單元； 被測人控交會對接控制單元從動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元接收常規(guī)敏感器測量數(shù) 據(jù)，接收試驗人員對人控姿態(tài)手柄的操作產(chǎn)生的電壓，接收試驗人員對人控位置手柄的操 作產(chǎn)生的電壓，接收激光雷達(dá)的測量數(shù)據(jù)，接收試驗人員通過人控指令單元發(fā)送的人控指 令，利用被測的人控交會對接控制律計算得到執(zhí)行機構(gòu)指令和人控電視攝像機圖像的疊加 信息；將執(zhí)行機構(gòu)指令送至動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元，將人控電視攝像機圖像的疊加信息送 至人控電視攝像機圖像顯示器。 試驗總控單元(l)，用于向動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元(2)發(fā)出指令，控制試驗的開始 和結(jié)束。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點是本發(fā)明系統(tǒng)將最為關(guān)鍵的外部導(dǎo)航敏感器一激 光雷達(dá)、激光雷達(dá)合作目標(biāo)、人控電視攝像機和人控電視攝像機靶標(biāo)作為真實部件置于控 制系統(tǒng)回路中，而其它的常規(guī)敏感器、執(zhí)行機構(gòu)以及目標(biāo)飛行器和追蹤飛船的姿態(tài)軌道動 力學(xué)則采用成熟的數(shù)學(xué)模型代替，在降低研制費用的同時可對不同的被測人控交會對接控 制律和相關(guān)操作過程進行大量、多方位的地面試驗驗證。同數(shù)學(xué)仿真相比，該系統(tǒng)可使被測 人控交會對接控制律和相關(guān)操作過程得到更真實有效地驗證，而與全實物仿真系統(tǒng)相比又 具有研制費用低、簡單易行等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的組成原理框圖。 圖2為三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺工作示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)由試驗總控單元1、三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4、六自由度姿態(tài)位 置轉(zhuǎn)臺3、動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2、人控電視攝像機6、人控電視攝像機靶標(biāo)12、激光雷達(dá) 5、激光雷達(dá)合作目標(biāo)13、人控位置手柄11、人控姿態(tài)手柄10、人控電視攝像機圖像顯示器 8、人控指令單元9和被測人控交會對接控制單元7組成。 試驗總控單元1負(fù)責(zé)向動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2發(fā)出試驗開始和試驗結(jié)束指令， 控制整個系統(tǒng)的運行。 動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2包括目標(biāo)飛行器軌道姿態(tài)動力學(xué)、追蹤飛船軌道姿態(tài)動 力學(xué)、常規(guī)敏感器測量模型、執(zhí)行機構(gòu)數(shù)學(xué)模型和轉(zhuǎn)臺控制器。其接收試驗總控單元1發(fā)出 的試驗開始和試驗結(jié)束指令，接收被測人控交會對接控制單元7發(fā)出的執(zhí)行機構(gòu)指令，接 收三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3實時返回的運動狀態(tài)信息；完成目標(biāo)飛 行器和追蹤飛船姿態(tài)和軌道動力學(xué)仿真計算，完成目標(biāo)飛行器和追蹤飛船相對位置、相對 姿態(tài)、相對位置速度和相對姿態(tài)角速度的計算，向被測人控交會對接控制單元7發(fā)出常規(guī) 敏感器測量數(shù)據(jù)，向三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4發(fā)出姿態(tài)和姿態(tài)角速度指令，同時向六自由度姿 態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3發(fā)出姿態(tài)、姿態(tài)角速度、位置和位置速度指令。其中，執(zhí)行機構(gòu)數(shù)學(xué)模型接收 被測人控交會對接控制單元7發(fā)出的執(zhí)行機構(gòu)指令；目標(biāo)飛行器軌道姿態(tài)動力學(xué)和追蹤飛 船軌道姿態(tài)動力學(xué)依據(jù)執(zhí)行機構(gòu)數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果得到目標(biāo)飛行器與追蹤飛船在軌運行 的相對姿態(tài)、相對位置、相對姿態(tài)角速度和相對位置速度數(shù)據(jù)；常規(guī)敏感器測量模型依據(jù)目 標(biāo)飛行器與追蹤飛船在軌運行的相對姿態(tài)、相對位置、相對姿態(tài)角速度和相對位置速度數(shù) 據(jù)計算得到常規(guī)敏感器的理論測量輸出數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)臺控制器依據(jù)目標(biāo)飛行器與追蹤飛船在軌 運行的相對姿態(tài)、相對位置、相對姿態(tài)角速度和相對位置速度數(shù)據(jù)，計算得到三自由度姿態(tài) 轉(zhuǎn)臺4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3各自的控制指令并對其進行驅(qū)動控制。
三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4依據(jù)接收到的動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2發(fā)出的姿態(tài)和姿態(tài)角 速度進行運動，模擬目標(biāo)飛行器在軌運行狀態(tài)。三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4的負(fù)載面上安裝有人 控電視攝像機靶標(biāo)12和激光雷達(dá)合作目標(biāo)13，人控電視攝像機靶標(biāo)12具有正交十字交叉 機械結(jié)構(gòu)，激光雷達(dá)合作目標(biāo)13為激光光束反射裝置。 六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3依據(jù)接收到的動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2發(fā)出的姿態(tài)、姿
態(tài)角速度、位置和位置速度進行運動，模擬追蹤飛船在軌運行狀態(tài)。六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺
3的負(fù)載面上安裝有人控電視攝像機6和激光雷達(dá)5，人控電視攝像機6拍攝的圖像畫面上
具有正交十字刻線，激光雷達(dá)5可向空間一定角度限制范圍內(nèi)發(fā)射激光光束。 在動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2發(fā)出的控制指令作用下，當(dāng)三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4模擬
的目標(biāo)飛行器與六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3模擬的追蹤飛船之間左右位置相對偏差和相對
姿態(tài)偏差均為零時，人控電視攝像機6拍攝圖像畫面上的正交十字刻線與圖像中人控電視
攝像機靶標(biāo)12的正交十字交叉機械機構(gòu)重合，人控電視攝像機6與人控電視攝像機靶標(biāo)12
之間的左右位置相對偏差和相對姿態(tài)偏差均為零，激光雷達(dá)5與激光雷達(dá)合作目標(biāo)13之間
的左右位置偏差為零。 試驗過程當(dāng)中，人控電視攝像機6實時對人控電視攝像機耙標(biāo)12進行攝像，并將 圖像實時傳送給人控電視攝像機圖像顯示器8。試驗人員可通過對圖像中人控電視攝像機 6拍攝圖像畫面上的正交十字刻線與圖像中人控電視攝像機靶標(biāo)12的正交十字交叉機械機構(gòu)之間的相互位置關(guān)系，實時掌握三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4模擬的目標(biāo)飛行器與六自由度姿 態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3模擬的追蹤飛船之間左右位置相對偏差和相對姿態(tài)偏差信息。由于試驗人員 通過對人控電視攝像機圖像的觀察難以準(zhǔn)確判斷三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4模擬的目標(biāo)飛行器 與六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3模擬的追蹤飛船之間相對縱向距離和相對縱向速度，因此需利 用激光雷達(dá)對此進行專門測量。激光雷達(dá)5實時對激光雷達(dá)合作目標(biāo)13進行跟蹤測量，并 響應(yīng)被測人控交會對接控制單元7發(fā)出的采樣信號，將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給被測人控交會對接 控制單元7。 被測人控交會對接控制單元7向激光雷達(dá)5發(fā)送一定時間間隔的采樣信號，接收 激光雷達(dá)5響應(yīng)采樣信號返回的測量數(shù)據(jù)、人控位置手柄11的電壓、人控姿態(tài)手柄10的電 壓、人控指令單元9的人控指令和動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2發(fā)出的常規(guī)敏感器測量數(shù)據(jù)，利 用被測人控交會對接控制律7計算得到執(zhí)行機構(gòu)指令和人控電視攝像機圖像疊加信息。執(zhí) 行機構(gòu)指令發(fā)送給動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2，人控電視攝像機圖像疊加信息發(fā)送給人控電 視攝像機圖像顯示器8。 人控電視攝像機圖像顯示器8接收人控電視攝像機6實時傳送的圖像和被測人 控交會對接控制單元7發(fā)出的人控電視攝像機圖像疊加信息，合成人控電視攝像機疊加圖 像。疊加圖像是指在原有的人控電視攝像6機對人控電視攝像機靶標(biāo)12實時拍攝的圖像畫 面邊緣，以文字、數(shù)學(xué)符號和數(shù)字相結(jié)合的形式顯示來自被測人控交會對接控制單元7發(fā) 出的疊加信息。疊加的信息可輔助試驗人員更明確的實時掌握三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4模擬的 目標(biāo)飛行器與六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3模擬的追蹤飛船之間的相對位置、相對位置速度、 相對姿態(tài)和相對姿態(tài)角速度。 人控位置手柄11具有前、后、左、右、上和下的六個自由度的操作極性，人控姿態(tài) 手柄10具有上、下、左、右、順時針和逆時針六個自由度的操作極性。試驗人員通過對人控 電視攝像機圖像顯示器8上實時顯示的圖像進行觀察，分別對人控位置手柄11和人控姿態(tài) 手柄10進行操作，以達(dá)到對三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3運動狀態(tài)的控 制。 在試驗人員觀察人控電視攝像機圖像，并對人控位置手柄11和人控姿態(tài)手柄10 進行操作，控制三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3相對運動的過程中，可通過 人控指令單元9向被測人控交會對接控制單元7發(fā)出相關(guān)人控指令，控制被測人控交會對 接控制律工作模式的切換。 如圖2所示，為三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3的工作示意圖。在 動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2的協(xié)同控制下，三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4可做三軸的姿態(tài)運動，模擬目 標(biāo)飛行器在軌的三軸姿態(tài)運動。六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3可做三軸的姿態(tài)運動，模擬追蹤 飛船在軌的三軸姿態(tài)運動，同時六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3還可做三軸的位置運動，模擬目 標(biāo)飛行器與追蹤飛船在軌的三軸相對位置運動。
—、關(guān)鍵部件具體設(shè)計與實施
(1)三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4 三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4是一個具有負(fù)載盤面的固定于地面的三軸姿態(tài)轉(zhuǎn)臺，各軸轉(zhuǎn) 動范圍為內(nèi)框±170° ，中框和外框±30° ，控制精度和動態(tài)指標(biāo)滿足相對測量敏感器精 度的指標(biāo)要求。
(2)六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3 六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3具有一個負(fù)載盤面，且由一個可做三維平動的行車和 安裝在行車上的三軸轉(zhuǎn)臺組成，具有三個平動自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度，各軸轉(zhuǎn)動范圍為 內(nèi)框±170° ，中框和外框±30° ;平動機構(gòu)運動范圍橫向-alm +&2111，豎向-a3m +&4111，縱向0m a5m，其中al、a2、a3、a4和a5均為大于零的實數(shù)；控制精度和動態(tài)指標(biāo)滿 足相對測量敏感器精度指標(biāo)要求。
(3)動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2
>執(zhí)行機構(gòu)數(shù)學(xué)模型
(a)姿控執(zhí)行機構(gòu)模型 忽略執(zhí)行機構(gòu)的開啟和關(guān)閉延遲，仿真中可采用如下模型
Fatti(t) =F0atti[I(t)-I(t-T)] 其中，F(xiàn)^i(t)表示姿控執(zhí)行機構(gòu)的實際輸出；F。atti表示姿控執(zhí)行機構(gòu)的標(biāo)稱推力 大小；1 ( )表示階躍函數(shù)，T為噴氣指令脈沖的時間寬度。
(b)軌控執(zhí)行機構(gòu)模型 忽略執(zhí)行機構(gòu)的開啟和關(guān)閉延遲，仿真時可采用如下模型
F。bt(t) = (l+S)F0obt 其中，F(xiàn)。bt (t)表示軌控執(zhí)行機構(gòu)的實際輸出；F。。bt表示軌控執(zhí)行機構(gòu)的標(biāo)稱推力 大?。籗為軌控執(zhí)行機構(gòu)的推力控制精度。
>動力學(xué)數(shù)學(xué)模型
(a)軌道動力學(xué)模型= - 其中，ii為地心引力常數(shù)。式子右邊第一項為地球中心引力加速度，第二項Fu為 航天器推進系統(tǒng)產(chǎn)生的控制力，第三項為其他外部攝動力。
(b)姿態(tài)動力學(xué)模型x / =rc + rrf 其中，I為飛船的轉(zhuǎn)動慣量陣，"為飛船在慣性空間下的姿態(tài)角速度矢量，T。和Td 分別為控制力矩和干擾力矩。本發(fā)明中，T。主要是指噴氣力矩，Td包括氣動力矩、重力梯度 力矩、太陽輻射壓力矩等。 該姿態(tài)動力學(xué)模型為最簡單的剛體模型。對于本發(fā)明，由于控制精度要求高，因此
應(yīng)充分考慮太陽帆板對姿態(tài)的耦合影響。 >轉(zhuǎn)臺控制量計算模型 (a)根據(jù)試驗初始條件確定三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4的轉(zhuǎn)角控制量仍，9 p ; (b)根據(jù)轉(zhuǎn)臺安裝數(shù)據(jù)和(a)中計算的三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4轉(zhuǎn)角控制量計算目標(biāo)
飛行器動力學(xué)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)臺控制坐標(biāo)系之間的相對姿態(tài)和相對位置關(guān)系。 設(shè)計算得到的目標(biāo)飛行器動力學(xué)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)臺控制坐標(biāo)系之間的方向余弦陣為
Qn，位置關(guān)系為AQ1 = [xQ1， yQ1， z。J 。 (c)根據(jù)(b)中計算得到的轉(zhuǎn)換關(guān)系，由動力學(xué)輸出值可計算得到六自由度姿態(tài) 位置轉(zhuǎn)臺3的控制量，具體公式如下
7
設(shè)動力學(xué)模型輸出的目標(biāo)飛行器動力學(xué)坐標(biāo)系與追蹤飛船動力學(xué)坐標(biāo)系之間的 方向余弦陣為C^，位置關(guān)系為A21 = [x21， y21， z21]，則有(^2 = C^，C^ ， A。2 = AQ1+CQ1*A21，由 此得到六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3的控制量為C。2對應(yīng)的姿態(tài)角^， e2， ￥2，位置關(guān)系 2 =。 本節(jié)涉及到的坐標(biāo)系定義如下 (a)目標(biāo)飛行器動力學(xué)坐標(biāo)系 其原點obl為目標(biāo)飛行器的質(zhì)心，oblxbl軸為目標(biāo)飛行器縱軸，指向目標(biāo)飛行器頭
部，OMyM軸沿目標(biāo)飛行器的橫向，垂直于縱軸，與目標(biāo)飛行器橫向的一個主慣量軸一致，
oMzbl軸與 〇blXbl、 OblYbl 軸構(gòu)成右手系。
(b)飛船動力學(xué)坐標(biāo)系 其原點0132為飛船的質(zhì)心，01^2軸為飛船縱軸，指向飛船頭部，01^2軸沿飛船的橫 向，垂直于縱軸，與飛船橫向的一個主慣量軸一致，ob2zb2軸與ob2xb2、 ob2yb2軸構(gòu)成右手系。
(c)轉(zhuǎn)臺控制坐標(biāo)系ob3Xb3yb3zb3 三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4處于加電后零位狀態(tài)時，轉(zhuǎn)臺控制坐標(biāo)系原點ob3為三自由 度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4三個機械軸的交叉點，0133&3軸沿三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4的縱向機械軸，面向三 自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4裝有人控電視攝像機靶標(biāo)12—側(cè)看，視線方向為正方向，Ob3yb3軸沿三自 由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4的水平機械軸，面向三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4裝有人控電視攝像機靶標(biāo)12 —側(cè)
看，視線方向右側(cè)為正，Ob3Zb3軸與
0b3Xb3、 Ob3Yb3 軸構(gòu)成右手系。
(4)被測人控交會對接控制單元7 被測人控交會對接控制單元7內(nèi)裝有被測人控交會對接控制律，被測人控交會對
接控制律為星上應(yīng)用程序，具有如下的工作模式人控交會對接正常工作模式、人控交會對
接正常撤離模式、人控交會對接緊急撤離模式等。被測人控交會對接控制單元7接收常規(guī)
測量敏感器的測量數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)、人控位置手柄電壓、人控姿態(tài)手柄電壓和人控
指令，輸出計算得到的人控交會對接的接近、對接和撤離等各階段的執(zhí)行機構(gòu)指令，并將計
算得到的相關(guān)圖像疊加信息輸送給人控電視攝像機圖像顯示器8。執(zhí)行機構(gòu)指令發(fā)送給動
力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2作為相關(guān)計算的輸入數(shù)據(jù)。 二、工作流程 本發(fā)明系統(tǒng)的工作流程如下 (1)試驗準(zhǔn)備階段，依據(jù)試驗需求設(shè)計試驗起始條件，即設(shè)計三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4 起始時刻的三軸姿態(tài)角和三軸姿態(tài)角速度；設(shè)計六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3起始時刻的三軸 姿態(tài)角、三軸姿態(tài)角速度、三軸位置和三軸位置速度； (2)試驗準(zhǔn)備階段，對人控交會對接半物理仿真試驗系統(tǒng)各個組成部分在確認(rèn)安 全的前提下進行加電操作，使其進入正常工作模式； (3)試驗準(zhǔn)備階段，通過試驗總控單元l向動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2發(fā)出試驗開始 指令，動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2依據(jù)試驗開始指令和流程設(shè)計的起始條件，對三自由度姿 態(tài)轉(zhuǎn)臺4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3同時進行控制。三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4和六自由度姿態(tài) 位置轉(zhuǎn)臺3的實時運動狀態(tài)信息返回給動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2 ; (4)試驗開始階段，動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2接收三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4和六自由度 姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3返回的實時運動狀態(tài)信息。當(dāng)判斷三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3同時達(dá)到要求的試驗起始條件時，啟動動力學(xué)模型開始計算。此時三自由度姿態(tài) 轉(zhuǎn)臺4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3在動力學(xué)模型計算結(jié)果的控制下開始各自運動，試驗正 式開始； (5)試驗過程階段，三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3各自運動過程 中，試驗流程如下 >人控電視攝像機6實時對人控電視攝像機靶標(biāo)12進行攝像并生成更新圖像，該 更新圖像實時傳送到人控電視攝像機圖像顯示器8中； >激光雷達(dá)5實時對激光雷達(dá)合作目標(biāo)13進行跟蹤測量并生成更新測量數(shù)據(jù)，該 更新測量數(shù)據(jù)在被測人控交會對接控制單元7發(fā)出的采樣信號驅(qū)動下傳送給被測人控交 會對接控制單元7 ; >被測人控交會對接控制單元7在一個計算周期(計算周期長度為T0秒)結(jié)束
時，將本計算周期內(nèi)計算得到的執(zhí)行機構(gòu)指令發(fā)送給動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2 ;
>動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2依據(jù)接收到的執(zhí)行機構(gòu)指令，一個計算周期(計算周 期長度為Tl秒，Tl < T0)內(nèi)持續(xù)以T2(T2 = Tl/n， n為自然數(shù)，n可根據(jù)轉(zhuǎn)臺最大動態(tài)響 應(yīng)能力適當(dāng)選取)的時間間隔同時控制三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3進 行運動，同時將每個T2時間間隔內(nèi)計算得到的常規(guī)敏感器測量數(shù)據(jù)發(fā)送給被測人控交會 對接控制單元7 ; >試驗人員通過對人控電視攝像機圖像顯示器8顯示的人控交會對接圖像的觀 察，對人控位置手柄11和人控姿態(tài)手柄10進行操作，根據(jù)需要向人控指令單元9發(fā)送人控 指令。人控位置手柄電壓、人控姿態(tài)手柄電壓和人控指令實時傳送給被測人控交會對接控 制單元7 ; >被測人控交會對接控制單元7在下一個計算周期內(nèi)，依據(jù)接收到的常規(guī)敏感器 測量數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)、人控位置手柄電壓、人控姿態(tài)手柄電壓和人控指令，生成最 新的圖像疊加信息和執(zhí)行機構(gòu)指令。并在該計算周期結(jié)束時將生成最新的圖像疊加信息傳 送給人控電視攝像機圖像顯示器8，將執(zhí)行機構(gòu)指令傳送給動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2 ;
>人控電視攝像機圖像顯示器8利用實時拍攝的人控電視攝像機圖像和最新的疊 加信息合成人控交會對接圖像，并顯示在屏幕上供試驗人員觀察。試驗人員可根據(jù)需要對 人控位置手柄11、人控姿態(tài)手柄10和人控指令單元9進行操作； >動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2依據(jù)接收到的最新執(zhí)行機構(gòu)指令，在下一個計算周期 內(nèi)完成仿真計算、對三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4及六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3的控制和常規(guī)敏感器 測量數(shù)據(jù)向被測人控交會對接控制單元7的發(fā)送。 (6)試驗結(jié)束階段，試驗完成后，由試驗總控單元1向動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2發(fā) 出試驗結(jié)束指令。動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2接收到結(jié)束指令后停止動力學(xué)的計算，停止三 自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺4的驅(qū)動和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺3的驅(qū)動。此時試驗停止，等待試驗總 控單元1再次向動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元2發(fā)出試驗開始指令。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
人控交會對接半物理仿真試驗系統(tǒng)，其特征在于包括動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元(2)、六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(3)、三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(4)、激光雷達(dá)(5)、人控電視攝像機(6)、被測人控交會對接控制單元(7)、人控電視攝像機圖像顯示器(8)、人控指令單元(9)、人控姿態(tài)手柄(10)、人控位置手柄(11)、人控電視攝像機靶標(biāo)(12)、激光雷達(dá)合作目標(biāo)(13)；人控電視攝像機靶標(biāo)(12)、激光雷達(dá)合作目標(biāo)(13)安裝在三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(4)上，激光雷達(dá)(5)、人控電視攝像機(6)安裝在六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(3)上；其中，動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元(2)接收被測人控交會對接控制單元(7)發(fā)出的執(zhí)行機構(gòu)指令，根據(jù)所述指令進行目標(biāo)飛行器和追蹤飛船姿態(tài)和軌道動力學(xué)仿真，得到目標(biāo)飛行器與追蹤飛船之間的相對位置、相對姿態(tài)、相對位置速度和相對姿態(tài)角速度，將目標(biāo)飛行器的姿態(tài)和姿態(tài)角速度通過指令送至三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(4)，將追蹤飛船的姿態(tài)、姿態(tài)角速度、位置和位置速度通過指令送至六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(3)，同時獲取六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(3)和三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(4)實時返回的運動狀態(tài)信息；六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(3)根據(jù)動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元(2)發(fā)出的姿態(tài)、姿態(tài)角速度、位置和位置速度指令進行運動，模擬追蹤飛船的在軌運行狀態(tài)；三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(4)根據(jù)動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元(2)發(fā)出的姿態(tài)和姿態(tài)角速度指令進行運動，模擬目標(biāo)飛行器的在軌運行狀態(tài)；人控電視攝像機(6)實時對人控電視攝像機靶標(biāo)(12)進行攝像，并將圖像實時傳送給人控電視攝像機圖像顯示器(8)，供試驗人員觀察使用；激光雷達(dá)(5)實時對激光雷達(dá)合作目標(biāo)(13)進行跟蹤測量，并將測量數(shù)據(jù)送至被測人控交會對接控制單元(7)；被測人控交會對接控制單元(7)從動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元(2)接收常規(guī)敏感器測量數(shù)據(jù)，接收試驗人員對人控姿態(tài)手柄(10)的操作產(chǎn)生的電壓，接收試驗人員對人控位置手柄(11)的操作產(chǎn)生的電壓，接收激光雷達(dá)(5)的測量數(shù)據(jù)，接收試驗人員通過人控指令單元(9)發(fā)送的人控指令，利用被測的人控交會對接控制律計算得到執(zhí)行機構(gòu)指令和人控電視攝像機圖像的疊加信息；將執(zhí)行機構(gòu)指令送至動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元(2)，將人控電視攝像機圖像的疊加信息送至人控電視攝像機圖像顯示器(8)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的人控交會對接半物理仿真試驗系統(tǒng)，其特征在于還包括試 驗總控單元(l)，用于向動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元(2)發(fā)出指令，控制試驗的開始和結(jié)束。
全文摘要
人控交會對接半物理仿真試驗系統(tǒng)，由試驗總控單元、三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺、六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺、動力學(xué)及轉(zhuǎn)臺控制單元、人控電視攝像機、人控電視攝像機靶標(biāo)、激光雷達(dá)、激光雷達(dá)合作目標(biāo)、人控指令單元、人控位置手柄、人控姿態(tài)手柄、被測人控交會對接控制單元和人控電視攝像機圖像顯示器等組成，能夠?qū)θ丝亟粫拥目刂坡珊拖嚓P(guān)操作過程進行大量、多方位的試驗驗證。同數(shù)學(xué)仿真相比，該系統(tǒng)可使被測人控交會對接控制律和相關(guān)操作過程得到更真實有效的驗證，而與全實物仿真系統(tǒng)相比又具有研制費用低、簡單易行等優(yōu)點。
文檔編號G09B19/16GK101794527SQ20091024327
公開日2010年8月4日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者唐寧, 張昊, 涂俊峰, 石磊, 管樂鑫, 胡軍, 胡海霞, 解永春 申請人:北京控制工程研究所