空间机械臂地面仿真与测试系统设计

肖 帅，刘 蕊，饶卫东

(北京控制工程研究所,北京 100190)

空间机械臂地面仿真与测试系统设计

肖 帅，刘 蕊，饶卫东

(北京控制工程研究所,北京 100190)

根据某型号搭载的七自由度空间机械臂的测试任务，设计一套空间机械臂地面仿真与测试系统.该系统可以完成两方面的功能：一是利用空间机械臂模拟器进行半物理仿真，对空间机械臂控制线路盒的电接口和控制软件功能进行测试；二是采用吊丝卸载装置对空间机械臂真实产品进行全物理试验，对在轨任务进行地面演示验证.利用所设计的测试系统已经完成了某型号空间机械臂的地面测试与演示验证任务，目前该型号已经发射成功，空间机械臂已经成功完成在轨试验.所设计的空间机械臂地面仿真与测试系统具有较好的通用性和扩展性，可以应用于其他空间机械臂产品的地面测试.

空间机械臂；半物理仿真；全物理测试；系统设计

0 引 言

近年来，随着航天产业的飞速发展，如何保证航天器在复杂的空间环境中更加持久、稳定、高质量地在轨运行，已成为目前航天技术领域亟待解决的重要问题[1-2].空间操作为解决这一难题提供了有效的技术途径[3].空间机械臂作为空间操作的一项关键技术，近年来得到了越来越多的关注[4-5].

为了确保在轨任务的成功执行，在航天器发射前空间机械臂必须经过充分的地面试验，对在轨任务进行地面测试和演示验证.然而，由于地面环境与太空环境存在很大的差异，如何在地面条件下模拟太空环境进行试验，是空间机械臂地面测试与验证所面临的一个难题[6].由于中国对空间机械臂的实际应用还处于探索和试验阶段，地面测试方面可以借鉴的经验很少，真正用于空间机械臂产品的地面测试方法也鲜有报道.

本文根据某型号搭载的七自由度空间机械臂的测试任务，设计了一套空间机械臂地面仿真与测试系统.该系统可以完成两方面的功能：一是利用空间机械臂模拟器进行半物理仿真，对空间机械臂控制线路盒的电接口和控制软件功能进行测试；二是采用吊丝卸载装置对空间机械臂真实产品进行全物理测试，对在轨任务进行地面演示验证.利用所设计的测试系统已经完成了某型号空间机械臂的地面测试与演示验证任务，目前该型号已经发射成功，空间机械臂已经成功完成在轨试验.本文所设计的空间机械臂地面仿真与测试系统具有较好的通用性和扩展性，可以应用于其他空间机械臂产品的地面测试.

1 测试系统方案设计

1.1空间机械臂系统概述

本文所设计的测试系统是用于完成某型号搭载的空间机械臂的地面测试任务，该空间机械臂系统主要包括控制线路盒、操控机构、手眼相机和力传感器.控制线路盒为空间机械臂的主控制器，它负责控制算法的实现，并通过1553B总线进行遥控遥测.操控机构包括7个关节和1个末端驱动，每个关节和末端驱动均具有独立的控制器，它们通过CAN总线与控制线路盒进行通讯.手眼相机为一对成像相机，通过支架对称地安装在机械臂末端，用于对目标进行观察和测量.手眼相机的图像信息通过数传分系统下传地面，测量数据则通过1553B总线网络传送至控制线路盒.力传感器安装在末端，可以检测末端受力信息，并通过电压模拟量将测量信息反馈至控制线路盒.该空间机械臂系统的结构示意图见图1.

1.2测试系统方案设计

空间机械臂地面测试设计了两种测试方式：半物理仿真方式和全物理试验方式.

半物理仿真方式是指控制线路盒采用真实的星上产品，而操控机构、手眼相机和力传感器均采用模拟器，组成一个半物理的系统进行仿真.操控机构、手眼相机和力传感器的模拟器与真实产品的电接口一致，但内部是通过模拟器软件对真实产品的特性进行模拟.设计半物理仿真的主要目的如下：

1)通常控制线路盒这类电子产品研制较快，而操控机构等产品由于结构复杂等原因研制较慢，在这些产品没有交付的条件下，可以利用半物理仿真提前对控制线路盒的电接口、控制软件功能进行测试，从而有效加快测试进度；

2)当使用真实操控机构等产品进行测试时，如果控制线路盒控制软件存在问题时，则可能会导致操控机构与底板、操控机构不同连杆之间发生碰撞，从而损坏星上产品.而在使用真实产品进行测试前，先采用模拟器进行半物理仿真验证，则可以有效降低这种风险；

3)一些采用全物理试验无法测试的功能，例如故障识别与处理功能等，可以借助于半物理仿真进行测试.此外，由于地面卸载装置的限制，一些复杂的控制模式在地面全物理试验中也难以验证，可以借助于半物理仿真进行测试.

全物理试验方式是指空间机械臂的所有产品均采用真实的星上产品进行测试.为满足系统轻量化的要求，空间机械臂关节的体积设计的比较小，因此关节驱动力矩也比较小.在空间微重力环境下，关节驱动力矩可以满足在轨运动的要求.然而，在地面条件下，空间机械臂无法克服自身重力进行运动，因此设计了吊丝卸载装置对空间机械臂进行卸载.此外，全物理试验还需要一套数传测试设备，用于接收和显示手眼相机下传的图像.全物理试验可以全面验证各产品之间电接口的匹配性，并对需要完成的在轨任务进行地面演示验证.

此外，测试系统还设计了三维显示系统，测试过程中根据空间机械臂关节和末端驱动的遥测信息，对操控机构的运动情况进行三维重构显示.三维显示系统除显示操控机构的运动外，对整个卫星也进行了三维显示.在半物理仿真时，三维显示系统可以以动画形式直观地演示操控机构的运动情况；在全物理试验时，由于机械臂并没有安装到卫星舱板上，因此可以通过三维显示系统观察和分析操控机构运动过程中与周围其它星上产品的干涉情况.

整个测试系统的原理框图见图2.测试时，根据需要可以选择使用模拟器进行半物理仿真，还是使用真实产品进行全物理试验，模拟器和真实产品的电接口完全一致.遥控遥测模拟器用于模拟整星的遥控遥测单元，测试计算机用于发送遥控指令和接收遥测数据.

2 测试系统硬件设计

空间机械臂地面测试系统的硬件组成框图如图3 所示.

测试设备主要包括：半物理仿真模拟器箱、半物理仿真模拟器调理箱、数传测试设备、卸载装置、主控计算机、服务器和三维显示系统.下面对这些部分分别进行介绍.

半物理仿真模拟器箱主要用于实现遥控遥测模拟器、操控机构模拟器、手眼相机模拟器和力传感器模拟器.它采用的是CPCI机箱，由一块CPU板卡(6965控制器)和多块信号处理板卡(主要包括1553B板卡、CAN板卡、DA板卡等)组成，CPU板卡和信号处理板卡是通过CPCI机箱内部总线通讯.其中，CPU板卡负责数学仿真计算，用于模拟真实产品的物理特性；信号处理板卡则负责信号转换和处理，用于模拟星上产品的电接口特性.

半物理仿真模拟器调理箱对模拟器机箱的输入输出信号进行整形、调理和隔离，使其满足星上产品的接口要求的同时，保护星上产品的安全.

数传测试设备为一台插有LVDS数据采集卡的PC机，LVDS数据采集卡通过PCI插槽连接至PC机.数传测试设备通过LVDS数据采集卡接收两个手眼相机输出的图像数据，并由数传测试软件进行解码和图像显示.

卸载装置采用的是双吊点的吊丝卸载方式[7-9]，吊点选择为关节4和关节6处.卸载装置选择的是Easy Arm系列伺服电机驱动智能提升装置产品，一个吊点对应一台设备，共需要两台设备，产品实物图见图4所示.在全物理试验过程中，设定两台卸载装置为浮动模式以提供恒定的卸载力，从而抵消空间机械臂自身的重力.

主控计算机、服务器和三维显示系统为3台PC机，只需安装相应的软件即可实现相应的功能.其中，主控计算机用于发送遥控指令和显示遥测数据，服务器用于存储测试数据，三维显示系统用于对操控机构的运动情况进行实时三维显示.

3 测试系统软件设计

测试系统软件主要包括：半物理仿真模拟器软件、数传测试软件、主控软件、服务器软件和三维显示软件.软件系统结构框图见图5.

半物理仿真模拟器软件是在Vxworks实时操作系统下开发的，运行于模拟器箱的CPU中，它主要包括几个功能模块：

1)遥控遥测模块：接收地面发送的遥控指令，转发给控制线路盒；接收控制线路盒发送的遥测数据，下传至地面进行显示；

2)关节/末端驱动模块：实时接收控制线路盒发送的关节/末端运动指令，对关节/末端驱动的运动进行动态仿真，计算关节/末端驱动的角度/角速度值，以及对关节/末端的其它接口特性进行模拟；

3)动力学/运动学计算模块：根据关节/末端驱动模块计算的关节角度，进行正运动学计算，得到末端在任务空间的位置和姿态信息；同时，可以建立卫星动力学和空间机械臂的动力学耦合模型，仿真空间机械臂与卫星控制平台之间的耦合作用；

4)手眼相机模块：根据末端和目标的位姿信息，进行运动学计算，得到手眼相机的目标测量数据；

5)力传感器模块：建立末端与目标接触时的碰撞模型，计算末端与目标接触时产生的力测量信息.

数传测试软件是基于LABVIEW软件开发的，它通过LVDS板卡实时接收图像下传数据，并对图像进行解码、显示.同时，该软件可以读取手眼相机下传的源码数据文件，并将源码数据文件解码为图像进行显示，方便回查历史数据.

主控软件和服务器软件为通用的专业化卫星测试软件.主控软件用于发送遥控指令，同时对星上下传的遥测数据进行处理，并转发给服务器软件.服务器软件保存下传的遥测数据，提供历史数据查询和回放的功能.当用于空间机械臂测试时，只需编写用于空间机械臂测试的遥控、遥测插件即可.

三维显示软件用于对空间机械臂及整个卫星的运动情况进行三维显示.三维显示软件是基于STK和C#联合开发的：STK软件主要用于实现空间机械臂和卫星的三维视景演示，C#主要用于实现星上遥测数据与STK软件之间的数据接口.

4 测试系统试验验证情况

利用所设计的空间机械臂地面仿真与测试系统，已经完成了某型号卫星搭载的空间机械臂的地面测试与演示验证的任务.目前，该卫星已经成功发射，空间机械臂也已经完成了预定的在轨试验任务，试验取得了成功.

以完成某试验任务为例，采用所设计的地面测试系统进行测试，半物理仿真和全物理试验下记录的关节1、关节4和末端手爪位置曲线分别如图6和图7所示.可以看到，半物理仿真结果和全物理试验结果基本一致，因此半物理仿真可以对全物理试验进行有效的验证.相比于全物理试验的结果，半物理仿真下各关节角度曲线更加平滑，这是因为模拟器中对空间机械臂的模型进行了一定的简化，忽略了其中的一些动态过程.

5 结 论

根据某型号搭载的空间机械臂的测试任务，本文设计了一套空间机械臂地面仿真与测试系统.该测试系统可以完成半物理仿真和全物理试验两方面的功能.本文从方案设计、硬件设计和软件设计三个方面对测试系统的设计进行了详细的介绍，并对测试系统的验证情况进行了说明.该测试系统具有以下特点：

1)可以非常方便的实现半物理仿真与全物理试验之间的切换，使得测试过程更加灵活；

2)采用双吊点重力卸载方式，该方法简单有效，可以实现空间机械臂在地面的灵活运动；

3)测试系统设计了三维演示系统，可以在半物理/全物理条件下，对空间机械臂装星后的真实运动环境进行模拟，使得测试过程更加直观.

该测试系统的设计思路同样适用于其它空间机械臂产品的地面测试，只需根据空间机械臂各单机的电接口及模拟器软件进行适应性修改即可.

[1] 赵阳，张大伟，田浩，等．飞行器在轨服务[J]．上海航天，2009(3)：38-41．

ZHAO Y, ZHANG D W, GUAN H, et al. On orbit servicing for spacecraft[J]. Aerospace Shanghai, 2009(3): 38-41．

[2] 蔡远文，郭会，李岩．航天器在轨组装技术进展[J]．兵工自动化，2009(10)：6-14．

CAI Y W, GUO H, LI Y. Development of spacecraft on orbit assembly technologies[J]. Ordnance Industry Automation, 2009(10): 6-14．

[3] 何英姿, 魏春岭, 汤亮. 空间操作控制技术研究现状及发展趋势术[J]. 空间控制技术与应用, 2014, 40(2):1-8.

HE Y Z, WEI C L, TANG L. A survey on space operations control[J]. Aerospace Control and Application, 2014, 40(2):1-8.

[4] 于登云, 孙京, 马兴瑞. 空间机械臂技术及发展建议[J]. 航天器工程, 2007, 16(4):1-8.

YU D Y, SUN J, MA X R. Suggestion on development of Chinese space manipulator technology[J]. Spacecraft Engineering, 2007, 16(4):1-8.

[5] 张文辉, 叶晓平, 季晓明, 等. 国内外空间机器人技术发展综述[J]. 飞行力学, 2013, 31(3):198-202.

ZHANG W H, YE X P, JI X M, et al. Development summarizing of space robot technology national and outside[J]. Flight Dynamics, 2013, 31(3):198-202.

[6] 徐文福，梁斌，李成，刘宇，强文义. 空间机器人微重力模拟试验系统研究综述[J]. 机器人，2009, 31(1)：88-96.

XU W F, LIANG B, LI C, LIU Y, QIANG W Y. A review on simulated micro-gravity experiment systems of space robot[J]. Robot, 2009, 31(1): 88-96.

[7] YUICHI S, ARATA E, YOSHITAKA I, et al. Micro-G emulation system using constant-tension suspension for a space manipulator[C]//Proceedings of the 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation Sacramento. New York: IEEE, 1991.

[8] XU Y S，BROWN H B，FRIEDMALL M Jr．Control system of the self-mobile space manipulator[J]．IEEE Transactions on Control Systems Technology, 1994，2(3)：207-219．

[9] WHITE G C，XU Y S．Active vertical-direction gravity compensation system[J]．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1994．43(6)：786-792．

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

肖帅(1986—), 男，山东人，工程师，研究方向为空间机械臂控制与测试;刘蕊(1979—)，女，高级工程师，研究方向为卫生姿态与轨道控制；饶卫东(1985—)，男，工程师，研究方向为空间机械臂控制.