[发明专利]一种基于SOPC的空间绳系机器人控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体涉及一种基于SOPC的空间绳系机器人控制系统及方法。

背景技术

空间绳系机器人主要用于抓捕和清理失效卫星等空间垃圾和进行卫星维护等工作，这种“空间搭载平台+系绳+抓捕机器人”的绳系结构，相比一般的“平台+多自由度机械臂+机械手”结构，能够提供更远的工作距离和更高的可靠性。但是，由于空间绳系机器人特殊的绳系结构，其工作时存在着无法避免的系绳干扰；另外，基于空间环境、成本、实用性等方面来考虑，空间绳系机器人在重量、体积和功耗等方面又有着严格的要求和限制。因此，对于空间绳系机器人的控制系统提出了以下方面的任务需求：

（1）空间绳系机器人的姿态和轨道控制

因为空间绳系机器人存在一个释放系绳并向操作目标机动的过程，在这个过程中，存在诸多外界干扰；同时，在机器人进行抓捕操作时，其相对操作目标的姿态和轨道必须保持稳定。因此，空间绳系机器人控制系统的核心任务就是实现空间绳系机器人向操作目标机动过程中的轨道控制与姿态稳定，以及执行抓捕任务时相对操作目标的轨道和姿态稳定。

（2）空间绳系机器人内部的数据流控制

空间绳系机器人控制系统接收到视觉测量系统和惯性测量系统提供的测量数据后进行位置和姿态确定，经过计算后，形成控制信号来控制喷气推进装置，进而来调整空间绳系机器人本体的姿态，或进行轨道机动；另外，空间绳系机器人控制系统还要与其他系统协调工作来控制抓捕执行机构。因此，空间绳系机器人控制系统与测量系统，喷气推进装置和其他系统之间的数据流控制是空间绳系机器人控制系统的任务需求之一。

（3）空间绳系机器人和空间搭载平台间的数据通信

因为空间搭载平台必须获得空间绳系机器人的状态信息，才能有效地控制系绳的释放、回收、拖曳、切断等动作；另外，平台也需要向空间绳系机器人发送一些测量数据和控制指令。因此，空间绳系机器人与空间搭载平台间的数据通信任务也必须由空间绳系机器人控制系统来承担。

综上所述，空间绳系机器人控制系统承担着空间绳系机器人的轨道和姿态控制计算、输出喷气阀控制信号和与其他系统和空间搭载平台的通信等任务，关系到空间绳系机器人系统的任务实现和可靠性，是空间绳系机器人研究中的关键技术之一。

发明内容

为了完成空间绳系机器人姿态轨道控制算法的地面验证和空间绳系机器人相关的地面实验，本发明提供了一种基于SOPC的空间绳系机器人控制系统及方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于SOPC的空间绳系机器人控制系统，其特征在于：包括FPGA模块，该FPGA模块包括Nios II处理器，以及与Nios II处理器相连的PIO外设和UART内核，所述PIO外设通过通用I/O连接喷气推进装置；所述UART内核通过CAN通信网络与测量系统相连以实时采集空间绳系机器人的动力学和运动学信息，所述UART内核通过RS232接口与动力学仿真系统相连以接收理想的动力学和运动学信息，所述UART内核通过外接无线模块和空间搭载平台模拟系统进行通信以接收空间搭载平台的指令。

所述FPGA进一步包括有Avalon总线，所述处理器通过指令总线和数据总线与Avalon总线连接，所述PIO外设及UART内核分别通过定义的Avalon接口连接到Avalon总线上。

所述控制系统进一步包括有串行配置存储器EPCS16模块和SDRAM模块，所述FPGA进一步包括有SDRAM控制器和EPCS控制器，所述SDRAM控制器和EPCS控制器分别通过定义的Avalon接口连接到Avalon总线；所述FPGA内的SDRAM控制器通过地址、数据和控制信号连接到SDRAM模块；所述FPGA内的EPCS控制器通过FPGA芯片上指定的引脚连接到串行配置存储器EPCS16。

所述FPGA进一步包括有系统ID和JTAG UART，JTAG UART使用FPGA内嵌的JTAG电路，上位机通过JTAG专用引脚访问JTAG电路，通过JTAG与FPGA实现连接；系统ID通过Avalon总线与处理器连接。一种基于以上控制系统的控制方法，FPGA的处理器接收到空间搭载平台的释放指令后，将接收的实时动力学和运动学信息和理想的动力学和运动学信息比较后，经计算形成喷气占空比数据，通过PIO外设传送给喷气推进装置，以调整姿态。