[发明专利]一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调验证装置及控制方法

摘要

本发明涉及一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调验证装置及控制方法。所述验证装置由三轴气浮台，多连杆机械臂测控模块，基座航天器姿控模块，中央控制模块组成；三轴气浮台用于模拟基座航天器的运动，同时为多连杆机械臂测控模块与基座航天器姿控模块提供空间力学环境；多连杆机械臂测控模块用于支撑机械臂在轨路径规划、姿态测量与驱动控制的验证；基座航天器姿控模块用于控制调节基座航天器姿态；中央控制模块用于控制算法的切换与上传、多源干扰的模拟与注入、试验数据的分析处理；所述控制方法存储于试验主控单元中，可实现与现有空间机械臂系统控制算法的对比验证，保证了空间复杂干扰环境下基座航天器的稳定性与多连杆机械臂的精细操控能力。

主权项

1.一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调验证装置，其特征在于：所述验证装置由三轴气浮台(4)，多连杆机械臂测控模块(3)，基座航天器姿控模块(2)，中央控制模块(1)四部分组成；其中三轴气浮台(4)模拟基座航天器，同时为多连杆机械臂测控模块与基座航天器姿控模块提供空间力学环境；多连杆机械臂测控模块(3)安装于三轴气浮台(4)台面，包含路径规划单元(31)、姿态测量单元(32)、驱动控制单元(33)与机械臂无线通信单元(34)，用于验证多连杆机械臂的在轨操作；基座航天器姿控模块(2)安装于三轴气浮台(4)台面，包含姿态确定单元(21)、姿态控制单元(22)、反作用飞轮组(23)与姿控数据无线收发单元(24)，用于调节控制三轴气浮台(4)模拟的基座航天器姿态；中央控制模块(1)包括试验主控单元(11)、干扰模拟与注入单元(12)、数据存储分析与对比单元(13)以及中央指令无线传输单元(14)，试验主控单元(11)存储多种空间机械臂系统控制算法，可上传至基座航天器姿态控制单元(22)和机械臂驱动控制单元(33)，实现不同控制算法的切换，干扰模拟与注入单元(12)用于向基座航天器姿态确定单元(21)与姿态控制单元(22)、多连杆机械臂测控模块姿态测量单元(32)、驱动控制单元(33)发送干扰信号，模拟系统在面对内部干扰、外部干扰以及建模误差下的情形，数据存储分析与对比单元(13)用于实时存储系统控制指令与当前姿态角及角速度信息用于不同控制算法下系统操作精度的对比验证；中央控制模块(1)中试验主控单元(11)、干扰模拟与注入单元(12)、数据存储分析与对比单元(13)以及中央指令无线传输单元(14)之间的通信协调由模块内信号回路实现，中央指令无线传输单元(14)负责中央控制模块(1)与三轴气浮台(4)、基座航天器姿控模块(2)、多连杆机械臂测控模块(3)间的信息交互；基座航天器姿控模块(2)中的姿态确定单元(21)、姿态控制单元(22)、反作用飞轮组(23)与姿控数据无线收发单元(24)之间的通信协调由模块内信号回路实现，姿控数据无线收发单元(24)负责基座航天器姿控模块(2)与三轴气浮台(4)、中央控制模块(1)、多连杆机械臂测控模块(3)间的信息交互；多连杆机械臂测控模块(3)中的路径规划单元(31)、姿态测量单元(32)、驱动控制单元(33)与机械臂无线通信单元(34)之间的通信协调由模块内信号回路实现，机械臂无线通信单元(34)负责多连杆机械臂测控模块(3)与三轴气浮台(4)、中央控制模块(1)、基座航天器姿控模块(2)间的信息交互；所述装置信号流如下：试验主控单元(11)选定系统控制算法，上传至基座航天器姿控模块(2)中的姿态控制单元(22)和多连杆机械臂测控模块(3)中的驱动控制单元(33)，随后多连杆机械臂测控模块3中的路径规划单元(31)给定机械臂期望运动路径，姿态测量单元(32)通过关节角度传感器获取机械臂各关节角度与角速度信息，机械臂驱动控制单元(33)实时运行控制算法，为机械臂关节驱动电机提供控制指令；基座航天器姿控模块(2)中，姿态确定单元(21)对陀螺仪、星敏感器测量的三轴气浮台(4)姿态信息进行滤波和解算得到基座航天器姿态信息，姿态控制单元(22)依据当前姿态信息与机械臂期望运动路径实时运算姿态控制算法为反作用飞轮组(23)提供控制指令，反作用飞轮组(23)接受指令后输出相应力矩控制基座航天器姿态；干扰模拟与注入单元(12)向基座航天器姿控模块(2)中的姿态确定单元(21)与姿态控制单元(22)、多连杆机械臂测控模块姿态测量单元(32)、驱动控制单元(33)注入实时干扰，模拟系统面对外部、内部以及建模误差三类干扰的情形；数据存储分析与对比单元(13)实时存储不同控制算法下系统控制指令与当前姿态角及角速度信息，试验结束后进行整理分析，对比不同算法下的系统操作精度同时发现不足便于后续改进。