豐 飛，楊海濤，安升輝

(1.江蘇集萃華科智能裝備科技有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000；2.華中科技大學(xué)無(wú)錫研究院，江蘇 無(wú)錫 214000)

0 引言

近幾十年來(lái)，全世界每年都有各種類(lèi)型的航天器(衛(wèi)星等)發(fā)射進(jìn)入太空，同時(shí)，由于各種原因大量航天器也會(huì)發(fā)生失效或報(bào)廢，如某些組件失靈或燃料在完成其任務(wù)之前耗盡，這些情況往往會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1- 2]?；谏鲜鲈颍教炱髟谲壏?wù)(在軌維修和在軌維護(hù))具有非常廣泛的應(yīng)用需求，各國(guó)科學(xué)家都在圍繞這一主題開(kāi)展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究。衛(wèi)星在軌服務(wù)正在成為航天工業(yè)領(lǐng)域中一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性和重大意義的課題和研究方向。

衛(wèi)星在軌對(duì)接捕獲操作是實(shí)現(xiàn)其在軌服務(wù)任務(wù)最關(guān)鍵的一步，對(duì)衛(wèi)星在軌服務(wù)任務(wù)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。衛(wèi)星在軌服務(wù)的主要目的是實(shí)現(xiàn)其壽命延長(zhǎng)、故障維修、在軌維護(hù)、在軌組裝和在軌燃料加注等空間任務(wù)。

2007年德國(guó)宇航局(DLR)提出了一項(xiàng)新的在軌維修任務(wù)，被稱(chēng)為“德國(guó)軌道服務(wù)任務(wù)”(DEOS)[3-4]。其主要目的是通過(guò)安裝在自由飛行服務(wù)衛(wèi)星上的機(jī)械臂系統(tǒng)，來(lái)演示在軌交匯和捕獲翻滾的非合作目標(biāo)衛(wèi)星的任務(wù)。德國(guó)宇航局的另一項(xiàng)在軌維修任務(wù)計(jì)劃是軌道壽命延長(zhǎng)飛行器(OLEV)[5-7]，該系統(tǒng)用于在軌維修正在遭受推進(jìn)劑耗盡的對(duì)地靜止通信衛(wèi)星并延長(zhǎng)其在軌使用壽命。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)資助了軌道快車(chē)項(xiàng)目，主要用于驗(yàn)證搭載空間機(jī)械臂的服務(wù)衛(wèi)星進(jìn)行航天器在軌維修任務(wù)的技術(shù)可行性，驗(yàn)證內(nèi)容包括了衛(wèi)星在軌交匯、捕獲、維修、器件更換和補(bǔ)充燃料等空間技術(shù)[8-9]。日本成功發(fā)射了國(guó)際上第1個(gè)自由飛行空間機(jī)器人系統(tǒng)——“工程測(cè)試衛(wèi)星VII”任務(wù)(ETS-VII)，這是世界上第1個(gè)配備了機(jī)械臂的衛(wèi)星，其發(fā)射成功是空間在軌服務(wù)的一個(gè)重要里程碑事件，極大推動(dòng)了世界各國(guó)空間在軌服務(wù)項(xiàng)目的研究[10-11]。

1 衛(wèi)星對(duì)接系統(tǒng)及其動(dòng)力學(xué)特性

1.1 衛(wèi)星對(duì)接系統(tǒng)

目前，在軌航天器絕大多數(shù)都是非合作目標(biāo)衛(wèi)星，不具備在軌維修的專(zhuān)用捕獲或?qū)咏涌?。為了解決衛(wèi)星的對(duì)接或捕獲問(wèn)題，需要預(yù)先確定衛(wèi)星對(duì)接或捕獲接口以設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的對(duì)接或捕獲工具?？紤]到大多數(shù)衛(wèi)星上所具有的共性特征，衛(wèi)星的發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴大小和形狀非常適合用作理想的衛(wèi)星對(duì)接或捕獲接口。

在軌服務(wù)衛(wèi)星的對(duì)接捕獲系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)包括目標(biāo)衛(wèi)星和服務(wù)衛(wèi)星。目標(biāo)衛(wèi)星上是在軌服務(wù)任務(wù)的目標(biāo)，其本身具有發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴以及火箭對(duì)接環(huán)，可以用作對(duì)接捕獲接口。服務(wù)衛(wèi)星用于執(zhí)行在軌服務(wù)任務(wù)，其衛(wèi)星本體上安裝有太陽(yáng)能帆板、全色高分辨率相機(jī)，以及專(zhuān)門(mén)針對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴而設(shè)計(jì)的對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)。

圖1 服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星系統(tǒng)

1.2 服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星對(duì)接捕獲動(dòng)力學(xué)

為了簡(jiǎn)化兩衛(wèi)星在軌對(duì)接捕獲過(guò)程中接觸碰撞的動(dòng)力學(xué)分析，可以考慮將目標(biāo)衛(wèi)星假定為自由漂浮的單剛體，暫時(shí)不考慮其軌道動(dòng)力學(xué)。假設(shè)服務(wù)衛(wèi)星在對(duì)接捕獲過(guò)程中接觸碰撞單剛體目標(biāo)衛(wèi)星。在接觸碰撞過(guò)程中，采用牛頓-歐拉方法分別建立服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)模型為：

(1)

(2)

MS和MT分別為服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星的廣義質(zhì)量矩陣；VS和VT分別為服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星的廣義速度矢量；FeS和FeT分別為服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星的廣義外力矢量；FfS為服務(wù)衛(wèi)星的科里奧利力、阻尼力和離心力等力矢量；FfT為目標(biāo)衛(wèi)星的科里奧利力、阻尼力和離心力等力矢量；JS和JT分別為服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星的雅克比矩陣；FC為服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星在對(duì)接過(guò)程中由于碰撞沖擊引起的廣義力矢量。

2 衛(wèi)星對(duì)接捕獲地面驗(yàn)證系統(tǒng)方案

衛(wèi)星對(duì)接捕獲的地面微重力驗(yàn)證系統(tǒng)，是用于驗(yàn)證服務(wù)衛(wèi)星在太空中對(duì)接捕獲目標(biāo)衛(wèi)星過(guò)程中運(yùn)動(dòng)狀況，目前采用硬件在環(huán)仿真方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。該地面驗(yàn)證系統(tǒng)的組成架構(gòu)如圖2所示，主要包括實(shí)際硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)的實(shí)際硬件主要由2臺(tái)地面工業(yè)機(jī)器人、六維力/力矩傳感器、視覺(jué)相機(jī)、對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)、服務(wù)衛(wèi)星模擬器和目標(biāo)衛(wèi)星模擬器組成。軟件主要包括重力補(bǔ)償、接觸動(dòng)力學(xué)、末端運(yùn)動(dòng)學(xué)等效和衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)模擬軟件等，主要用于模擬及計(jì)算服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星的在軌實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖2 地面微重力驗(yàn)證系統(tǒng)組成

衛(wèi)星對(duì)接捕獲的地面微重力驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。目標(biāo)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)模擬是通過(guò)工業(yè)機(jī)器人T的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。目標(biāo)衛(wèi)星在自由空間運(yùn)動(dòng)可以按照在微重力環(huán)境下單剛體運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。當(dāng)服務(wù)衛(wèi)星的對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)接觸碰撞到目標(biāo)衛(wèi)星的噴嘴后，通過(guò)重力補(bǔ)償后，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將接觸力和力矩信息，以及目標(biāo)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)信息傳遞給目標(biāo)衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模擬器，目標(biāo)衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模擬器將其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過(guò)工業(yè)機(jī)器人末端對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)學(xué)等效，計(jì)算得到工業(yè)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。最后通過(guò)工業(yè)機(jī)器人T的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)得到其關(guān)節(jié)伺服運(yùn)動(dòng)信息，從而通過(guò)工業(yè)機(jī)器人T的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)模擬。

圖3 地面微重力驗(yàn)證系統(tǒng)方案

服務(wù)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)模擬是通過(guò)工業(yè)機(jī)器人A的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。服務(wù)衛(wèi)星通過(guò)視覺(jué)相機(jī)測(cè)量服務(wù)衛(wèi)星的對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)相對(duì)于目標(biāo)衛(wèi)星的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴的位姿信息，將相機(jī)測(cè)量的相對(duì)位姿信息通過(guò)服務(wù)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃和動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，得到服務(wù)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)信息。同樣，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)等效實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人A末端對(duì)服務(wù)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)模擬，得到工業(yè)機(jī)器人A末端的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)工業(yè)機(jī)器人A的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)得到其關(guān)節(jié)伺服運(yùn)動(dòng)信息，從而通過(guò)工業(yè)機(jī)器人A的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)模擬。

3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換及運(yùn)動(dòng)學(xué)等效

在地面微重力驗(yàn)證系統(tǒng)中，非常關(guān)鍵的一步是將兩衛(wèi)星在太空中的運(yùn)動(dòng)與工業(yè)機(jī)器人末端在地面上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)等效。

運(yùn)動(dòng)學(xué)等效實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，是將衛(wèi)星在太空的慣性坐標(biāo)系和地面工業(yè)機(jī)器人的基坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意如圖4所示。

圖4 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意

為推導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人基坐標(biāo)系與服務(wù)衛(wèi)星慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，設(shè)定工業(yè)機(jī)器人A的末端坐標(biāo)系與服務(wù)衛(wèi)星對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)的末端坐標(biāo)系相重合，則有

OAE=OSE

(3)

OAE為工業(yè)機(jī)器人A的末端坐標(biāo)系；OSE為服務(wù)衛(wèi)星對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)的末端坐標(biāo)系。

通過(guò)式(3)推導(dǎo)出工業(yè)機(jī)器人基坐標(biāo)系與服務(wù)衛(wèi)星慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為

OAB=OSI·STTSE·(ABTAE)-1

(4)

OSI為服務(wù)衛(wèi)星的慣性坐標(biāo)系；OAB為工業(yè)機(jī)器人A的基坐標(biāo)系；SITSE為服務(wù)衛(wèi)星從慣性坐標(biāo)系到對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)末端坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；ABTAE為工業(yè)機(jī)器人A從基坐標(biāo)系到末端坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。

同理，可以獲得目標(biāo)衛(wèi)星與工業(yè)機(jī)器人T的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系。

服務(wù)衛(wèi)星與工業(yè)機(jī)器人A的運(yùn)動(dòng)學(xué)等效過(guò)程如下：首先得到當(dāng)前服務(wù)衛(wèi)星相關(guān)的位姿及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，然后通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)換得到對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)末端在工業(yè)機(jī)器人末端的等效位姿信息，最后利用工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，得到等效的工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)角指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人A的運(yùn)動(dòng)控制。即通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)等效保證服務(wù)衛(wèi)星和工業(yè)機(jī)器人A在操作空間的位姿是等同的。

同理，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)衛(wèi)星與工業(yè)機(jī)器人T的運(yùn)動(dòng)學(xué)等效。

4 衛(wèi)星對(duì)接捕獲地面驗(yàn)證系統(tǒng)的建立

為了模擬在太空微重力環(huán)境下兩衛(wèi)星對(duì)接捕獲的接觸碰撞過(guò)程，搭建了基于硬件在環(huán)的衛(wèi)星對(duì)接捕獲地面微重力驗(yàn)證系統(tǒng)。該地面微重力模擬驗(yàn)證系統(tǒng)主要由2臺(tái)六自由度工業(yè)機(jī)器人、六維力/力矩傳感器、目標(biāo)衛(wèi)星模型、目標(biāo)衛(wèi)星噴管、服務(wù)衛(wèi)星模型、對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)(對(duì)接裝置)、衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模擬器、ABB工業(yè)機(jī)器人IRC5控制柜和中央控制計(jì)算機(jī)等組成。

2臺(tái)6自由度ABB工業(yè)機(jī)器人的末端分別安裝服務(wù)衛(wèi)星模型和目標(biāo)衛(wèi)星模型，分別用于模擬服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星在太空微重力環(huán)境下的三維空間對(duì)接捕獲過(guò)程的運(yùn)動(dòng)狀況。目標(biāo)衛(wèi)星噴嘴連接六維力/力矩傳感器安裝在目標(biāo)衛(wèi)星模型上，對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)安裝在服務(wù)衛(wèi)星模型上，通過(guò)對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星噴嘴的對(duì)接捕獲操作。動(dòng)力學(xué)模擬器主要用于計(jì)算衛(wèi)星在接觸碰撞后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。ABB工業(yè)機(jī)器人IRC5控制柜用于實(shí)現(xiàn)2臺(tái)6自由度工業(yè)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)控制。中央控制計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的通信和運(yùn)動(dòng)控制。

衛(wèi)星對(duì)接捕獲驗(yàn)證系統(tǒng)的中央控制計(jì)算機(jī)與工業(yè)機(jī)器人1和工業(yè)機(jī)器人2的控制器之間，采用TCP/IP通信進(jìn)行數(shù)據(jù)和相關(guān)信息的傳輸；同樣，與視覺(jué)處理計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算機(jī)、對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)控制計(jì)算機(jī)之間也采用TCP/IP通信。中央控制器與六維力/力矩傳感器之間采用PCI總線通信。對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)與對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)采用點(diǎn)到點(diǎn)串口通信總線(PPSeCo)，如圖5所示。

圖5 地面微重力驗(yàn)證系統(tǒng)各功能模塊間的通信

5 衛(wèi)星對(duì)接捕獲地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在地面三維微重力驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，六維力/力矩傳感器安裝在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴與目標(biāo)衛(wèi)星模型之間。通過(guò)該傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)量在兩衛(wèi)星捕獲對(duì)接過(guò)程中的接觸力/力矩信息，通過(guò)零力控制來(lái)實(shí)現(xiàn)在太空中微重力環(huán)境下，目標(biāo)衛(wèi)星與服務(wù)衛(wèi)星在接觸碰撞過(guò)程中的自由漂浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬。

在對(duì)接捕獲實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先通過(guò)視覺(jué)相機(jī)伺服引導(dǎo)服務(wù)衛(wèi)星模型上的對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)接近目標(biāo)衛(wèi)星模型上的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴機(jī)構(gòu)。

當(dāng)服務(wù)衛(wèi)星的對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)和目標(biāo)衛(wèi)星的噴嘴接觸碰撞后，目標(biāo)衛(wèi)星這邊的工業(yè)機(jī)器人T根據(jù)六維力/力矩傳感器測(cè)量的力/力矩信息，通過(guò)零力控制來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整工業(yè)機(jī)器人T末端的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖6給出了服務(wù)衛(wèi)星模型上的對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)與目標(biāo)衛(wèi)星模型上的噴嘴，在對(duì)接捕獲過(guò)程中的接觸力/力矩信息。圖6中，F(xiàn)x、Fy和Fz分別為兩衛(wèi)星對(duì)接捕獲在x、y、z3個(gè)方向測(cè)量的實(shí)際接觸力；Tx、Ty和Tz分別為繞x軸、y軸和z軸測(cè)量的實(shí)際接觸力矩。由圖6中可以看出，在接觸碰撞最劇烈的情況下，碰撞的接觸力基本上保持控制在±20 N之內(nèi)，接觸力矩基本上保持控制在±100 N·m之內(nèi)，在后期對(duì)接捕獲完成后，接觸力/力矩基本都接近0。這說(shuō)明在服務(wù)衛(wèi)星在對(duì)接或捕獲目標(biāo)衛(wèi)星過(guò)程中，碰撞的接觸力/力矩是可控的。服務(wù)衛(wèi)星可以成功地實(shí)現(xiàn)在太空微重力環(huán)境下對(duì)自由漂浮目標(biāo)衛(wèi)星的對(duì)接捕獲操作。

圖6 兩衛(wèi)星對(duì)接捕獲的接觸力/力矩

服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星的對(duì)接捕獲地面微重力驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)如圖7所示。通過(guò)該地面驗(yàn)證系統(tǒng)，在圖7a中模擬再現(xiàn)了兩衛(wèi)星在軌對(duì)接捕獲前的初始狀態(tài)，在圖7b中模擬再現(xiàn)了兩衛(wèi)星對(duì)接捕獲后的最終狀態(tài)。

圖7 衛(wèi)星對(duì)接的地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研制開(kāi)發(fā)了一套在太空中兩衛(wèi)星對(duì)接捕獲操作的地面微重力驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，2個(gè)地面固定基座工業(yè)機(jī)器人采用運(yùn)動(dòng)學(xué)等效和動(dòng)力學(xué)模擬的方法，來(lái)分別模擬服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星在太空微重力環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)狀況。該系統(tǒng)可以驗(yàn)證兩衛(wèi)星在對(duì)接捕獲過(guò)程中的接觸碰撞情況以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)地面微重力驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明了服務(wù)衛(wèi)星可以成功地在軌對(duì)接捕獲目標(biāo)衛(wèi)星。