肖 帥，劉 蕊，饒衛(wèi)東

(北京控制工程研究所,北京 100190)

空間機械臂地面仿真與測試系統(tǒng)設(shè)計

肖 帥，劉 蕊，饒衛(wèi)東

(北京控制工程研究所,北京 100190)

根據(jù)某型號搭載的七自由度空間機械臂的測試任務(wù)，設(shè)計一套空間機械臂地面仿真與測試系統(tǒng).該系統(tǒng)可以完成兩方面的功能：一是利用空間機械臂模擬器進行半物理仿真，對空間機械臂控制線路盒的電接口和控制軟件功能進行測試；二是采用吊絲卸載裝置對空間機械臂真實產(chǎn)品進行全物理試驗，對在軌任務(wù)進行地面演示驗證.利用所設(shè)計的測試系統(tǒng)已經(jīng)完成了某型號空間機械臂的地面測試與演示驗證任務(wù)，目前該型號已經(jīng)發(fā)射成功，空間機械臂已經(jīng)成功完成在軌試驗.所設(shè)計的空間機械臂地面仿真與測試系統(tǒng)具有較好的通用性和擴展性，可以應(yīng)用于其他空間機械臂產(chǎn)品的地面測試.

空間機械臂；半物理仿真；全物理測試；系統(tǒng)設(shè)計

0 引 言

近年來，隨著航天產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，如何保證航天器在復(fù)雜的空間環(huán)境中更加持久、穩(wěn)定、高質(zhì)量地在軌運行，已成為目前航天技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的重要問題[1-2].空間操作為解決這一難題提供了有效的技術(shù)途徑[3].空間機械臂作為空間操作的一項關(guān)鍵技術(shù)，近年來得到了越來越多的關(guān)注[4-5].

為了確保在軌任務(wù)的成功執(zhí)行，在航天器發(fā)射前空間機械臂必須經(jīng)過充分的地面試驗，對在軌任務(wù)進行地面測試和演示驗證.然而，由于地面環(huán)境與太空環(huán)境存在很大的差異，如何在地面條件下模擬太空環(huán)境進行試驗，是空間機械臂地面測試與驗證所面臨的一個難題[6].由于中國對空間機械臂的實際應(yīng)用還處于探索和試驗階段，地面測試方面可以借鑒的經(jīng)驗很少，真正用于空間機械臂產(chǎn)品的地面測試方法也鮮有報道.

本文根據(jù)某型號搭載的七自由度空間機械臂的測試任務(wù)，設(shè)計了一套空間機械臂地面仿真與測試系統(tǒng).該系統(tǒng)可以完成兩方面的功能：一是利用空間機械臂模擬器進行半物理仿真，對空間機械臂控制線路盒的電接口和控制軟件功能進行測試；二是采用吊絲卸載裝置對空間機械臂真實產(chǎn)品進行全物理測試，對在軌任務(wù)進行地面演示驗證.利用所設(shè)計的測試系統(tǒng)已經(jīng)完成了某型號空間機械臂的地面測試與演示驗證任務(wù)，目前該型號已經(jīng)發(fā)射成功，空間機械臂已經(jīng)成功完成在軌試驗.本文所設(shè)計的空間機械臂地面仿真與測試系統(tǒng)具有較好的通用性和擴展性，可以應(yīng)用于其他空間機械臂產(chǎn)品的地面測試.

1 測試系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1空間機械臂系統(tǒng)概述

本文所設(shè)計的測試系統(tǒng)是用于完成某型號搭載的空間機械臂的地面測試任務(wù)，該空間機械臂系統(tǒng)主要包括控制線路盒、操控機構(gòu)、手眼相機和力傳感器.控制線路盒為空間機械臂的主控制器，它負責(zé)控制算法的實現(xiàn)，并通過1553B總線進行遙控遙測.操控機構(gòu)包括7個關(guān)節(jié)和1個末端驅(qū)動，每個關(guān)節(jié)和末端驅(qū)動均具有獨立的控制器，它們通過CAN總線與控制線路盒進行通訊.手眼相機為一對成像相機，通過支架對稱地安裝在機械臂末端，用于對目標進行觀察和測量.手眼相機的圖像信息通過數(shù)傳分系統(tǒng)下傳地面，測量數(shù)據(jù)則通過1553B總線網(wǎng)絡(luò)傳送至控制線路盒.力傳感器安裝在末端，可以檢測末端受力信息，并通過電壓模擬量將測量信息反饋至控制線路盒.該空間機械臂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.

1.2測試系統(tǒng)方案設(shè)計

空間機械臂地面測試設(shè)計了兩種測試方式：半物理仿真方式和全物理試驗方式.

半物理仿真方式是指控制線路盒采用真實的星上產(chǎn)品，而操控機構(gòu)、手眼相機和力傳感器均采用模擬器，組成一個半物理的系統(tǒng)進行仿真.操控機構(gòu)、手眼相機和力傳感器的模擬器與真實產(chǎn)品的電接口一致，但內(nèi)部是通過模擬器軟件對真實產(chǎn)品的特性進行模擬.設(shè)計半物理仿真的主要目的如下：

1)通?？刂凭€路盒這類電子產(chǎn)品研制較快，而操控機構(gòu)等產(chǎn)品由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因研制較慢，在這些產(chǎn)品沒有交付的條件下，可以利用半物理仿真提前對控制線路盒的電接口、控制軟件功能進行測試，從而有效加快測試進度；

2)當(dāng)使用真實操控機構(gòu)等產(chǎn)品進行測試時，如果控制線路盒控制軟件存在問題時，則可能會導(dǎo)致操控機構(gòu)與底板、操控機構(gòu)不同連桿之間發(fā)生碰撞，從而損壞星上產(chǎn)品.而在使用真實產(chǎn)品進行測試前，先采用模擬器進行半物理仿真驗證，則可以有效降低這種風(fēng)險；

3)一些采用全物理試驗無法測試的功能，例如故障識別與處理功能等，可以借助于半物理仿真進行測試.此外，由于地面卸載裝置的限制，一些復(fù)雜的控制模式在地面全物理試驗中也難以驗證，可以借助于半物理仿真進行測試.

全物理試驗方式是指空間機械臂的所有產(chǎn)品均采用真實的星上產(chǎn)品進行測試.為滿足系統(tǒng)輕量化的要求，空間機械臂關(guān)節(jié)的體積設(shè)計的比較小，因此關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩也比較小.在空間微重力環(huán)境下，關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩可以滿足在軌運動的要求.然而，在地面條件下，空間機械臂無法克服自身重力進行運動，因此設(shè)計了吊絲卸載裝置對空間機械臂進行卸載.此外，全物理試驗還需要一套數(shù)傳測試設(shè)備，用于接收和顯示手眼相機下傳的圖像.全物理試驗可以全面驗證各產(chǎn)品之間電接口的匹配性，并對需要完成的在軌任務(wù)進行地面演示驗證.

此外，測試系統(tǒng)還設(shè)計了三維顯示系統(tǒng)，測試過程中根據(jù)空間機械臂關(guān)節(jié)和末端驅(qū)動的遙測信息，對操控機構(gòu)的運動情況進行三維重構(gòu)顯示.三維顯示系統(tǒng)除顯示操控機構(gòu)的運動外，對整個衛(wèi)星也進行了三維顯示.在半物理仿真時，三維顯示系統(tǒng)可以以動畫形式直觀地演示操控機構(gòu)的運動情況；在全物理試驗時，由于機械臂并沒有安裝到衛(wèi)星艙板上，因此可以通過三維顯示系統(tǒng)觀察和分析操控機構(gòu)運動過程中與周圍其它星上產(chǎn)品的干涉情況.

整個測試系統(tǒng)的原理框圖見圖2.測試時，根據(jù)需要可以選擇使用模擬器進行半物理仿真，還是使用真實產(chǎn)品進行全物理試驗，模擬器和真實產(chǎn)品的電接口完全一致.遙控遙測模擬器用于模擬整星的遙控遙測單元，測試計算機用于發(fā)送遙控指令和接收遙測數(shù)據(jù).

2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

空間機械臂地面測試系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖3 所示.

測試設(shè)備主要包括：半物理仿真模擬器箱、半物理仿真模擬器調(diào)理箱、數(shù)傳測試設(shè)備、卸載裝置、主控計算機、服務(wù)器和三維顯示系統(tǒng).下面對這些部分分別進行介紹.

半物理仿真模擬器箱主要用于實現(xiàn)遙控遙測模擬器、操控機構(gòu)模擬器、手眼相機模擬器和力傳感器模擬器.它采用的是CPCI機箱，由一塊CPU板卡(6965控制器)和多塊信號處理板卡(主要包括1553B板卡、CAN板卡、DA板卡等)組成，CPU板卡和信號處理板卡是通過CPCI機箱內(nèi)部總線通訊.其中，CPU板卡負責(zé)數(shù)學(xué)仿真計算，用于模擬真實產(chǎn)品的物理特性；信號處理板卡則負責(zé)信號轉(zhuǎn)換和處理，用于模擬星上產(chǎn)品的電接口特性.

半物理仿真模擬器調(diào)理箱對模擬器機箱的輸入輸出信號進行整形、調(diào)理和隔離，使其滿足星上產(chǎn)品的接口要求的同時，保護星上產(chǎn)品的安全.

數(shù)傳測試設(shè)備為一臺插有LVDS數(shù)據(jù)采集卡的PC機，LVDS數(shù)據(jù)采集卡通過PCI插槽連接至PC機.數(shù)傳測試設(shè)備通過LVDS數(shù)據(jù)采集卡接收兩個手眼相機輸出的圖像數(shù)據(jù)，并由數(shù)傳測試軟件進行解碼和圖像顯示.

卸載裝置采用的是雙吊點的吊絲卸載方式[7-9]，吊點選擇為關(guān)節(jié)4和關(guān)節(jié)6處.卸載裝置選擇的是Easy Arm系列伺服電機驅(qū)動智能提升裝置產(chǎn)品，一個吊點對應(yīng)一臺設(shè)備，共需要兩臺設(shè)備，產(chǎn)品實物圖見圖4所示.在全物理試驗過程中，設(shè)定兩臺卸載裝置為浮動模式以提供恒定的卸載力，從而抵消空間機械臂自身的重力.

主控計算機、服務(wù)器和三維顯示系統(tǒng)為3臺PC機，只需安裝相應(yīng)的軟件即可實現(xiàn)相應(yīng)的功能.其中，主控計算機用于發(fā)送遙控指令和顯示遙測數(shù)據(jù)，服務(wù)器用于存儲測試數(shù)據(jù)，三維顯示系統(tǒng)用于對操控機構(gòu)的運動情況進行實時三維顯示.

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)軟件主要包括：半物理仿真模擬器軟件、數(shù)傳測試軟件、主控軟件、服務(wù)器軟件和三維顯示軟件.軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖5.

半物理仿真模擬器軟件是在Vxworks實時操作系統(tǒng)下開發(fā)的，運行于模擬器箱的CPU中，它主要包括幾個功能模塊：

1)遙控遙測模塊：接收地面發(fā)送的遙控指令，轉(zhuǎn)發(fā)給控制線路盒；接收控制線路盒發(fā)送的遙測數(shù)據(jù)，下傳至地面進行顯示；

2)關(guān)節(jié)/末端驅(qū)動模塊：實時接收控制線路盒發(fā)送的關(guān)節(jié)/末端運動指令，對關(guān)節(jié)/末端驅(qū)動的運動進行動態(tài)仿真，計算關(guān)節(jié)/末端驅(qū)動的角度/角速度值，以及對關(guān)節(jié)/末端的其它接口特性進行模擬；

3)動力學(xué)/運動學(xué)計算模塊：根據(jù)關(guān)節(jié)/末端驅(qū)動模塊計算的關(guān)節(jié)角度，進行正運動學(xué)計算，得到末端在任務(wù)空間的位置和姿態(tài)信息；同時，可以建立衛(wèi)星動力學(xué)和空間機械臂的動力學(xué)耦合模型，仿真空間機械臂與衛(wèi)星控制平臺之間的耦合作用；

4)手眼相機模塊：根據(jù)末端和目標的位姿信息，進行運動學(xué)計算，得到手眼相機的目標測量數(shù)據(jù)；

5)力傳感器模塊：建立末端與目標接觸時的碰撞模型，計算末端與目標接觸時產(chǎn)生的力測量信息.

數(shù)傳測試軟件是基于LABVIEW軟件開發(fā)的，它通過LVDS板卡實時接收圖像下傳數(shù)據(jù)，并對圖像進行解碼、顯示.同時，該軟件可以讀取手眼相機下傳的源碼數(shù)據(jù)文件，并將源碼數(shù)據(jù)文件解碼為圖像進行顯示，方便回查歷史數(shù)據(jù).

主控軟件和服務(wù)器軟件為通用的專業(yè)化衛(wèi)星測試軟件.主控軟件用于發(fā)送遙控指令，同時對星上下傳的遙測數(shù)據(jù)進行處理，并轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器軟件.服務(wù)器軟件保存下傳的遙測數(shù)據(jù)，提供歷史數(shù)據(jù)查詢和回放的功能.當(dāng)用于空間機械臂測試時，只需編寫用于空間機械臂測試的遙控、遙測插件即可.

三維顯示軟件用于對空間機械臂及整個衛(wèi)星的運動情況進行三維顯示.三維顯示軟件是基于STK和C#聯(lián)合開發(fā)的：STK軟件主要用于實現(xiàn)空間機械臂和衛(wèi)星的三維視景演示，C#主要用于實現(xiàn)星上遙測數(shù)據(jù)與STK軟件之間的數(shù)據(jù)接口.

4 測試系統(tǒng)試驗驗證情況

利用所設(shè)計的空間機械臂地面仿真與測試系統(tǒng)，已經(jīng)完成了某型號衛(wèi)星搭載的空間機械臂的地面測試與演示驗證的任務(wù).目前，該衛(wèi)星已經(jīng)成功發(fā)射，空間機械臂也已經(jīng)完成了預(yù)定的在軌試驗任務(wù)，試驗取得了成功.

以完成某試驗任務(wù)為例，采用所設(shè)計的地面測試系統(tǒng)進行測試，半物理仿真和全物理試驗下記錄的關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)4和末端手爪位置曲線分別如圖6和圖7所示.可以看到，半物理仿真結(jié)果和全物理試驗結(jié)果基本一致，因此半物理仿真可以對全物理試驗進行有效的驗證.相比于全物理試驗的結(jié)果，半物理仿真下各關(guān)節(jié)角度曲線更加平滑，這是因為模擬器中對空間機械臂的模型進行了一定的簡化，忽略了其中的一些動態(tài)過程.

5 結(jié) 論

根據(jù)某型號搭載的空間機械臂的測試任務(wù)，本文設(shè)計了一套空間機械臂地面仿真與測試系統(tǒng).該測試系統(tǒng)可以完成半物理仿真和全物理試驗兩方面的功能.本文從方案設(shè)計、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計三個方面對測試系統(tǒng)的設(shè)計進行了詳細的介紹，并對測試系統(tǒng)的驗證情況進行了說明.該測試系統(tǒng)具有以下特點：

1)可以非常方便的實現(xiàn)半物理仿真與全物理試驗之間的切換，使得測試過程更加靈活；

2)采用雙吊點重力卸載方式，該方法簡單有效，可以實現(xiàn)空間機械臂在地面的靈活運動；

3)測試系統(tǒng)設(shè)計了三維演示系統(tǒng)，可以在半物理/全物理條件下，對空間機械臂裝星后的真實運動環(huán)境進行模擬，使得測試過程更加直觀.

該測試系統(tǒng)的設(shè)計思路同樣適用于其它空間機械臂產(chǎn)品的地面測試，只需根據(jù)空間機械臂各單機的電接口及模擬器軟件進行適應(yīng)性修改即可.

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DesignofGroundSimulationandTestingSystemforSpaceRobot

XIAO Shuai, LIU Rui, RAO Weidong

(BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100190，China)

A ground simulation and testing system is designed for the testing task of a 7-DOFs space robot on a satellite. The designed system has two functions. First, it can be used for half-physical simulations with the space robot simulator, in which way the electronic interfaces of the controller and the functions of the control software can be tested. Besides, it can also be used for full-physical tests to verify the on-orbit tasks, and a hanging equipment is utilized to de-load the gravity of the space robot. Using the proposed testing system, the ground testing and verification tasks of the space robot are finished. By now, the satellite is launched, and the space robot finishes its on-orbit experiments successfully. The proposed ground simulation and testing system can also be applied for testing other space robots on ground.

space robot; half-physical simulations; full-physical tests; system design

2017-03-15

V448

A

1674-1579(2017)05-0073-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2017.05.012

肖帥(1986—), 男，山東人，工程師，研究方向為空間機械臂控制與測試;劉蕊(1979—)，女，高級工程師，研究方向為衛(wèi)生姿態(tài)與軌道控制；饒衛(wèi)東(1985—)，男，工程師，研究方向為空間機械臂控制.