[发明专利]一种基于旋翼飞行器的航天器半物理仿真实验系统及方法

权利要求书

1.一种基于旋翼飞行器的航天器半物理仿真实验系统，其特征在于：包括地面站系统和模拟飞行器；所述地面站系统包括：计算机仿真系统、无线通信设备、旋翼机手控操作器；所述模拟飞行器包括：旋翼飞行器、三自由度云台、力传感器和负载；旋翼飞行器下面固连一个三自由度的云台，在云台内轴挂载负载，在云台和负载之间安装力传感器；旋翼飞行器的三自由度质心运动模拟航天器三自由度质心运动，云台的三自由度转动模拟航天器三自由度姿态运动，负载模拟航天器的六自由度运动；力传感器测量云台与负载之间的受力，用于补偿负载重力矩的影响；计算机仿真系统负责整个实验系统的流程监控、动力学及控制系统仿真以及与用户交互、通过无线通信设备与旋翼飞行器进行通讯；旋翼机手控操作器作为辅助控制设备实现人工手动操控旋翼飞行器；计算机仿真系统有简单和复杂两种工作模式；在简单工作模式下，计算机仿真系统对航天器运动学与动力学及控制系统进行数学仿真，把相关的运动指令发送到旋翼飞行器和云台，旋翼飞行器和云台根据发送的运动指令分别进行三自由度的质心运动和三自由度的姿态运动，使负载能够模拟航天器六自由度运动，同时将旋翼飞行器自带传感器测量的飞行状态发送到计算机仿真系统；在复杂工作模式下，为补偿负载的重力矩影响，旋翼飞行器将力传感器测量的负载受力发送到计算机仿真系统，计算机仿真系统计算所需要的云台三轴控制力矩，并把结果发送到旋翼飞行器，旋翼飞行器施加控制力矩驱动云台的三轴运动从而补偿负载的重力矩影响。

2.根据权利要求1所述的一种基于旋翼飞行器的航天器半物理仿真实验系统，其特征在于：所述计算机仿真系统包括：半物理仿真实验系统总控模块、航天器运动学与动力学模块、控制系统模块、云台三轴控制力矩重力补偿模块、无线通讯及数据采集模块、用户界面及数据显示模块；半物理仿真实验系统总控模块，负责整个实验系统的流程监控，对模拟飞行器、无线通讯设备各子系统进行控制；航天器运动学与动力学模块负责航天器轨道动力学、姿态动力学数学仿真；控制系统模块负责控制系统的数学仿真；云台三轴控制力矩重力补偿模块，负责在复杂模式下计算云台三轴控制力矩来补偿负载的重力矩影响；无线通讯及数据采集模块，负责通过无线通讯设备传输数据并进行数据采集；用户界面及数据显示模块，负责与用户交互，并把实验系统的相关数据通过图形方式进行显示；在简单模式下，计算机仿真系统通过无线通讯及数据采集模块获得当前模拟飞行器状态数据，然后通过控制系统模块计算当前的控制输入，航天器运动与动力学模块根据当前的控制输入和航天器质心和姿态动力学方程计算航天器下一时刻的飞行状态，并把新的飞行状态通过无线通讯及数据采集模块发送到模拟飞行器；在复杂模式下，航天器运动学与动力学模块仅仅通过航天器质心动力学方程模拟航天器的质心运动，航天器姿态运动完全由负载实际的姿态运动实现，即通过云台三轴控制力矩重力补偿模块，根据力传感器测量值计算负载需要补偿的重力矩，并经过控制系统模块得到总的云台三轴控制力矩作为驱动云台三轴运动的控制输入通过无线通讯及数据采集模块发送到模拟飞行器。

3.根据权利要求1所述的一种基于旋翼飞行器的航天器半物理仿真实验系统，其特征在于：所述负载根据实验任务的不同可以搭载不同的负载，包括用于交会对接的对接接口，用于空间操作的机械臂。

4.根据权利要求1所述的一种基于旋翼飞行器的航天器半物理仿真实验系统，其特征在于：所述云台的质心与旋翼飞行器的质心在一条垂线上。

5.一种基于旋翼飞行器的航天器半物理仿真实验方法，其特征在于包括简单模式和复杂模式；

(1)简单模式：负载模拟一个具有六自由度运动的航天器，利用旋翼飞行器的质心运动来模拟航天器的质心运动，质心运动模拟包括：轨道运动模拟和碰撞运动模拟；其中在轨道运动模拟中，旋翼飞行器利用旋翼机的升力来抵消重力，当忽略气动阻力时，负载处于失重状态；计算机仿真系统通过航天器质心动力学和运动学产生航天器的轨道运动，旋翼飞行器通过自身的控制在准确抵消重力的情况下，跟踪计算机仿真系统输出的位置、速度、加速度信号来模拟航天器的轨道运动；碰撞运动模拟是指模拟空间失重环境下的碰撞及碰撞后航天器的质心运动，实验系统通过旋翼飞行器的升力抵消负载的重力，用负载处于合力为零的失重状态下发生碰撞来模拟空间环境下的航天器碰撞运动；实验系统通过计算机仿真系统中航天器姿态动力学的数学仿真产生航天器的运动姿态，通过云台力矩控制使负载跟踪计算机仿真系统输出的角度、角速度、角加速度信号来模拟航天器的姿态运动，此时，云台控制力矩不抵消负载重力矩的影响，仅作为伺服机构；在此过程中，云台控制力矩会传递到旋翼飞行器旋翼机本体，通过旋翼飞行器的控制给出外部反作用力矩来抵消云台控制力矩对旋翼飞行器姿态的影响，保证抵消负载重力；

(2)复杂模式：简单模式只是利用航天器姿态动力学的数学仿真来产生姿态运动，而复杂模式利用负载自身在失重环境下的三自由度姿态运动模拟航天器的姿态运动，需要抵消其重力矩的影响；复杂模式在简单模式的基础上，由计算机仿真系统根据力传感器的反馈信号实时计算负载的重力补偿力矩，通过云台控制力矩对负载的重力矩进行主动补偿，保证负载在整体上受到的合力和合力矩为零；此种模式下，云台控制力矩会传递到旋翼飞行器本体，通过旋翼飞行器的控制给出外部反作用力矩来抵消云台控制力矩对旋翼飞行器姿态的影响，保证抵消负载重力矩的影响。