[发明专利]航天器对接捕获过程的位姿测量装置及柔顺控制方法

说明书

航天器对接捕获过程的位姿测量装置及柔顺控制方法。装置：包含双目相机、主动照明系统和数据处理与运动控制计算机，其中双目相机安装于对接机构内部底面，主动照明系统的主光源和辅助光源分别安装在对接环的内圆柱面和对接机构内部底面。方法：该方法将双目视觉测量装置与阻抗控制方法结合，实现航天器对接捕获过程弱碰撞甚至无碰撞，利用该装置采集并识别捕获过程中主、被动对接机构的导向板图像，计算出导向板基于相机坐标系的位姿，由矢量运算得出主动对接机构与被动对接机构的位姿偏差；根据位姿偏差，利用阻抗控制方法对主动对接机构进行柔顺控制，实现柔顺捕获。本发明用于现有对接任务和下一代弱撞击或悬停式对接任务。

技术领域

本发明属于航天器交会对接技术领域，特别涉及一种具有导向板内翻的异体同构周边式对接机构结构特征的航天器对接捕获过程位姿测量装置及控制方法。

背景技术

在航天技术发展的几十年间，人类已经基本掌握探索太空和利用太空资源的许多关键技术，而航天器对接技术无疑就是其中之一。为满足航天技术发展和相应任务需求，如载人登月、空间站、在轨服务、空间救援等，航天器对接技术经历了多个阶段的发展，并且根据未来的任务需求仍有许多新的技术和方案出现。我国于2011年到2017年间相继完成了神舟八号、神舟九号、神舟十号与天宫一号，神舟十一号、天舟一号与天宫二号的对接，而这也使得我国成为第三个完全独立掌握交会对接技术的国家。

目前用于交会对接的测量敏感器主要有激光雷达、微波雷达、GPS类导航和视觉测量敏感器等。激光雷达、微波雷达受到精度、带宽以及使用范围的限制。GPS是一种先进的导航系统，能实现全球、全天候、连续和高精度星实时位置和姿态确定的，但在相对位姿测量中，需要星间相互通讯，在非合作航天器相对位姿确定中的运用具有一定的局限性。立体视觉测量方法，通过提取目标结构上的一些特征点，基于点、直线和圆弧特征的视觉测量技术实现相对位姿确定，然而目标机构特征的选取难以确定。

对接的基本过程包括：对接准备、捕获、缓冲、校正拉回、锁紧和分离。在实际对接过程中，捕获是两航天器导向板从开始嵌入对方到建立柔性捕获的过程，是对接过程的重点也是难点，其结果直接影响对接的成败。目前在航天器对接过程中所使用的弱撞击对接机构，在构型上广泛采用Stewart结构，并在每个驱动杆或对接环上安装六维力传感器，通过对接触力的检测，利用阻抗控制原理进行柔顺控制。在实际对接过程中由于空间恶劣环境的作用，对接机构的驱动力无法准确补偿摩擦力、阻尼参数的变化，从而出现接触力波动较大的情况，造成主、被动航天器弹开，无法完成对接，甚至使航天器损坏。

发明内容

本发明为了解决现有航天器对接捕获采用Stewart结构，并在每个驱动杆或对接环上安装六维力传感器，通过对接触力的检测，利用阻抗控制原理进行柔顺控制，该方式存在对接机构的驱动力无法准确补偿摩擦力、阻尼参数的变化，导致接触力波动大，造成对接任务失败的问题，提供一种航天器对接捕获过程的位姿测量装置及柔顺控制方法。

本发明的航天器对接捕获过程的位姿测量装置，其组成包括主动对接机构和被动对接机构，所述主动对接机构和被动对接机构均为具有导向板内翻的异体同构周边式对接机构；

所述位姿测量装置还包括双目相机、数据处理与运动控制计算机和主动照明系统；

双目相机安装在主动对接机构内，在对接捕获过程中对主动对接机构的导向板和被动对接机构的导向板进行图像采集；

数据处理与运动控制计算机对双目相机采集到的导向板图像进行处理，获得位姿偏差，并将该位姿偏差输入阻抗控制器中，利用阻抗控制器对主动对接机构进行控制；

所述主动照明系统包括主光源和辅助光源，所述主光源安装在主动对接机构中对接环的内壁上，所述辅助光源安装在主动对接机构中位于双目相机周围。

优选的是，所述双目相机的两部相机对称安装在主动对接机构初始位置对接环中心投影点两侧。