[发明专利]异体同构、缓冲阻尼半主动控制对接系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及航天飞行器的对接系统，尤其涉及一种异体同构、缓冲阻尼半主动控制对接系统及方法。

背景技术

空间对接系统可以使两个航天器在空间轨道上结合并在结构上连接成一个整体。广泛应用于空间站、空间实验室、空间通信和遥感平台等大型设施在轨装配、回收、补给、维修以及空间救援等领域。例如：神舟十号飞船与天宫一号通过对接系统实现两者之间刚性连接，航天员通过对接通道从神舟飞船进入到天宫一号实验舱内。

大部分的对接系统都有一个机械结构，包括锁、锁钩和其他的机构。一般情况下，实现两航天器的连接有两种方法：对接或停靠。对接操作出现的情况是，当主动飞行器(如神舟飞船)在自主机动控制下进入捕获包络范围，与目标飞行器对接系统接触碰撞(如天宫一号)。停靠操作出现的情况是，一个航天器(如空间站)上安装的外部的连接装置(如遥操作系统，即RMS)，连接到另一个航天器(如日本货运飞船)上，操纵其进入捕获范围，与空间站对接系统接触。对接和停靠操作需要两个航天器都有一个对接装置，从而将两个对接装置连接起来。

下面的论述描述了在任何对接过程中的主要阶段。首先是接近段，主动飞行器运动到对接捕获初始条件范围内。对接捕获初始条件是预先定义的一个围绕对接装置的区域，在对接和停靠前必须导引飞行器进入该区域。第二是导向对准阶段，将两个航天器对接环相互导向并对准。这个阶段通常驱动两飞行器相互靠近，在对接操作时，迫使对接环利用被动导向实现对准，或者利用RMS视觉提示校准偏差实现重新对准。第三是捕获阶段，主要是相互靠近的两航天器通过捕获装置(如捕获锁)实现柔性连接。第四是缓冲阶段，两航天器之间相对运动能量和剩余的相对运动通过对接系统进行吸收和消耗。第五是拉近阶段，主动对接机构将两飞行器拉近，通过对接框面的导向销套实现精确对准。最后阶段是刚性连接阶段，当两飞行器的对接框面处于接近位置时，对接锁工作，完成刚性连接，为两对接面提供刚性连接力和密封力，实现对接通道的密封。

我国神舟飞船对接系统为机电差动式对接系统，采用电机驱动机构的运动部分，而撞击能量的吸收依靠弹簧、电磁等形式的缓冲器。该对接系统能够根据不同位移方向动能的实际大小，被动的适应消耗各个方向的碰撞缓冲能量。但该对接系统非常复杂，仅差速器就有300多个传动齿轮，传动链中元件太多，系统惯性增加，降低了缓冲性能。同时重量、制造成本也大大增加。美国NASA提出了一种基于闭环力反馈控制的对接系统，采用数字控制系统进行闭环控制，此时捕获环的伸出、拉紧、校正和撞击能量的吸收依靠控制系统、滚珠丝杠、伺服电机、光电编码器、力和力矩传感器来自动完成。但该系统采用了高精度力传感器，对实时控制系统要求高且复杂，而且力传感器的漂移会对对接过程产生不利影响，甚至在缓冲过程中引起震荡。在专利ZL201210489374.5中，公开了一种异体同构、刚度阻尼闭环反馈控制的对接系统，它采用可逆向传动的直线驱动机构，按照预置的控制规律通过6根直线驱动装置的电机来实现缓冲阻尼力。该系统不需要高精度的力传感器参与，降低了系统复杂度，但该系统需要进行Stwart平台正解运算，存在运算量大等缺点。

发明内容

为了克服以上提到的对接系统的缺陷，本发明提供了一种异体同构、缓冲阻尼半主动控制对接系统包括安装在追踪航天器的主动对接装置和安装在目标航天器的被动对接装置，所述主动对接装置包括主动对接环、以及若干直线驱动装置，所述直线驱动装置包括伸缩机构和电机，所述被动对接装置包括被动对接环；

所述主动对接装置还包括控制驱动子系统，所述直线驱动装置还包括离合器；所述离合器未打滑时，实现电机与伸缩机构之间的传动，且依据作用于主动对接环对应位置作用力的逆向传动作用，对应的所述电机、离合器和伸缩装置相应的发生减速或加速；所述离合器打滑时，所述伸缩机构与电机之间无传动作用；

所述控制驱动子系统将所述离合器在捕获完成前的离合力矩配置为第一档离合力矩，在捕获完成后的离合力矩配置为第二档离合力矩；所述第一档离合力矩小于第二档离合力矩；

若作用于主动对接环对应位置的作用力逆向传动至对应所述离合器所产生的力矩，超出该离合器当下被配置的第一档离合力矩或第二档离合力矩时，所述离合器打滑，否则，不打滑。

可选的，所述直线驱动装置还包括位移测量传感器，用以检测所述伸缩机构的伸缩位移并反馈至所述控制驱动子系统，在捕获后，所述控制驱动子系统依据所采集的伸缩位移驱动所述电机运作，进而调整所述主动对接环的姿态。

可选的，所述电机为双向驱动电机。