一种卫星对接机构及对接方法与流程

1.本发明涉及航天技术领域，更具体的说，涉及一种卫星对接机构及对接方法。


背景技术：

2.目前，许多空间任务涉及到非合作目标，非合作目标的对接技术与普通对接技术不同，它的对接目标是没有预先设计对接接口的卫星。
3.一般来说，非合作目标的对接技术可以选择非合作目标卫星的远地点反冲发动机(akm)喷管作为对接接口。
4.中国发明专利cn102849228a公开了一种非合作目标对接机构，通过摆杆与滑面和锥斜面接触相互作用实现绕转轴转动，来完成摆杆的胀开与合拢功能，实现对接和对接解锁。胀紧机构用来对接喷管内面的喉部结构，摆杆胀开以后，使用锁紧滑块和壳体的压紧面来保证对接刚性，实现对接功能。但是，现有技术如上述发明专利的非合作目标卫星的对接机构，结构复杂、元部件较多，这样造成对接的可靠性较低、质量较重。
5.因此，目前亟需一种新型的非合作目标的对接技术。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种卫星对接机构及对接方法，解决现有技术中非合作目标对接技术结构复杂、可靠性低的问题。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种卫星对接机构，包括光学引导模块、锁紧模块、多维运动模块和对接机构外壳；
8.所述光学引导模块，安装在对接机构外壳，发送光学信号至对接目标，在对接目标上形成光学投影，采集光学投影信号，生成对接机构与对接目标的位置关系信息并发送至多维运动模块；
9.所述多维运动模块，根据位置关系信息进行运动，调整对接机构自身姿态，直至在对接目标上的光学投影为指定对接形状；
10.所述锁紧模块，根据光学引导模块的位置关系信息和多维运动模块的运动信息，对对接目标进行锁紧。
11.在一实施例中，所述光学引导模块包括激光标记单元和成像单元：
12.所述激光标记单元，设置在对接机构外壳上，向对接目标发射激光；
13.所述成像单元，采集激光投影至对接目标上所形成的光学投影信息，生成对接机构与对接目标的位置关系信息发送至多维运动模块。
14.在一实施例中，所述激光标记单元，发射激光在成像单元前汇聚后投影至对接目标；
15.激光汇聚点位于锁紧模块的运动延长线上。
16.在一实施例中，所述激光标记单元的数量为三个，均匀分布在对接机构外壳，对应的激光数量为3束；
17.所述指定对接形状为正三角形。
18.在一实施例中，所述成像单元，包括成像镜头和相机：
19.所述成像镜头，对光学投影信息进行成像；
20.所述相机，对成像后的光学投影信息进行采集，生成对接机构与对接目标的位置关系信息。
21.在一实施例中，所述成像镜头的视场，根据对接目标的喷口尺寸和整个工作过程的监测需求决定。
22.在一实施例中，所述成像镜头的视场2α与激光相对于相机视轴的角度θ，满足以下表达式：
23.2α≥2θ。
24.在一实施例中，所述成像镜头的视场2α＝30
°
。
25.在一实施例中，所述成像镜头采用柱状镜实现转像。
26.在一实施例中，所述锁紧模块，包括锁紧壳体和锁紧杆：
27.所述锁紧壳体，与对接目标的形状相适应；
28.所述锁紧杆，设置有铰链；
29.当在对接目标上的光学投影为指定对接形状时，卫星对接机构抵达指定对接位置，锁紧杆运动带动铰链膨胀锁紧，完成锁紧任务。
30.在一实施例中，所述锁紧壳体上，设置有第一应变片，用于检测锁紧力；
31.当锁紧壳体上的第一应变片受力时，多维运动模块调整对接机构自身姿态，使得第一应变片多方向均匀受力；
32.多维运动模块继续进动，使得锁紧壳体的第一应变片反馈值达到第一目标值，铰链开始锁紧。
33.在一实施例中，所述锁紧杆的铰链上，设置有第二应变片，用于检测锁紧力；
34.当铰链开始锁紧时，检测铰链上各方向的第二应变片，多维运动模块继续进动，使得铰链的第二应变片反馈值达到第二目标值。
35.在一实施例中，所述锁紧壳体通过弹簧与对接机构外壳连接：
36.所述弹簧间，设置有第三应变片，用于检测锁紧力。
37.在一实施例中，所述弹簧间的第三应变片，数量至少为3片以上，在弹簧间均匀分布。
38.为了实现上述目的，本发明提供了一种卫星对接方法，采用如上述任一项所述的卫星对接机构实现，包括以下步骤：
39.光学引导模块，对对接目标的发动机喷口进行口面识别，发送光学信号至对接目标，生成对接机构与对接目标的位置关系信息并发送至多维运动模块；
40.多维运动模块，调整对接机构朝向对接目标的发动机喷管喷口靠近；
41.喷管喷口的圆逐渐变大直至超出光学引导模块的视场，且维持口面的圆度；
42.光学引导模块，采集在对接目标上的光学投影；
43.锁紧模块，在对接目标上的光学投影为指定对接形状时，对对接目标进行锁紧。
44.本发明提出的一种卫星对接机构及对接方法，能与多种不同型号的非合作目标卫星进行对接，机构简单，控制安全便捷，可靠性高，对接精准度高。
附图说明
45.本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
46.图1揭示了根据本发明一实施例的卫星对接机构的主视图；
47.图2揭示了根据本发明一实施例的卫星对接机构的剖面图；
48.图3揭示了根据本发明一实施例的光学引导模块的示意图；
49.图4揭示了根据本发明一实施例的对接机构外壳的示意图；
50.图5揭示了根据本发明一实施例的锁紧模块的示意图；
51.图6揭示了根据本发明一实施例的多维运动模块的示意图；
52.图7揭示了根据本发明一实施例的卫星对接机构的作业示意图；
53.图8揭示了根据本发明一实施例的卫星对接方法流程图。
54.图中各附图标记的含义如下：
55.100光学引导模块；
56.110激光标记单元；
57.120成像单元；
58.121成像镜头；
59.122相机；
60.200锁紧模块；
61.210锁紧壳体；
62.211弹簧；
63.220锁紧杆；
64.231铰链；
65.232第二应变片；
66.300多维运动模块；
67.400对接机构外壳。
具体实施方式
68.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。
69.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
70.图1揭示了根据本发明一实施例的卫星对接机构的主视图，如图1所示，本发明提出的一种卫星对接机构，用于对接非合作目标，至少包含光学引导模块100、锁紧模块200、多维运动模块300和对接机构外壳400：
71.所述光学引导模块100，安装在对接机构外壳400，发送光学信号至对接目标，在对
接目标上形成光学投影，采集光学投影信号，生成对接机构与对接目标的位置关系信息并发送至多维运动模块300；
72.所述多维运动模块300，根据位置关系信息进行运动，调整对接机构自身姿态，直至在对接目标上的光学投影为指定对接形状，到达待锁紧位置；
73.所述锁紧模块200，根据光学引导模块100的位置关系信息和多维运动模块300的运动信息，在多维运动模块300到达待锁紧位置时开始锁紧工作，对对接目标进行锁紧，直至卫星对接机构与对接目标星的对接任务完成。
74.图2揭示了根据本发明一实施例的卫星对接机构的剖面图，图3揭示了根据本发明一实施例的光学引导模块的示意图，如图2和图3所示，光学引导模块100包括激光标记单元110和成像单元120组成。
75.所述激光标记单元110，设置在对接机构外壳400上，向对接目标发射激光；
76.所述成像单元120，采集激光投影至对接目标上所形成的光学投影信息，生成对接机构与对接目标的位置关系信息发送至多维运动模块300。
77.图4揭示了根据本发明一实施例的对接机构外壳的示意图，如图2至图4所示，激光标记单元110的数量为三个，均匀分列在圆柱形的对接机构外壳400上，对应的激光数量为3束，所述指定对接形状为正三角形。
78.激光标记单元110，发射出三束激光，并在成像单元120前方汇聚随后继续发散投影至对接目标上：
79.更进一步的，激光汇聚点位于锁紧模块200的运动延长线上。
80.光学引导模块100，监控激光投影在对接目标上三点构成的光学投影形状，并将光学投影信息反馈给多维运动模块300。
81.如图2所示，在本实施例中，成像单元120，设置在锁紧模块200内部，包括成像镜头121和相机122：
82.所述成像镜头121，对光学投影信息进行成像；
83.所述相机122，对成像后的光学投影信息进行采集，生成对接机构与对接目标的位置关系信息。
84.更进一步的，成像镜头121的视场由对接目标的喷口尺寸以及整个工作过程中的监测需求决定。
85.在本实施例中，成像镜头的视场2α＝30
°
。
86.更进一步的，成像镜头121视场要求也可以大致由三束激光相对于相机122视轴的角度θ确定，即成像镜头121的视场2α与激光相对于相机视轴的角度θ，满足以下表达式：
87.2α≥2θ。
88.鉴于成像镜头121的成像面与镜头的距离受到结构长度限制，在一些实施例中，成像镜头121使用柱状镜实现转像。
89.图5揭示了根据本发明一实施例的锁紧模块的示意图，如图5所示，锁紧模块200包括与对接目标相适应的锁紧壳体210和锁紧杆220；
90.所述锁紧壳体210，与对接目标的形状相适应；
91.所述锁紧杆220，设置有铰链231；
92.根据光学引导模块100的反馈信息和多维运动模块300的运动，在对接目标上的光
学投影为指定对接形状时，卫星对接机构抵达指定对接位置，锁紧杆220运动带动铰链231膨胀锁紧，完成锁紧任务。
93.在一些实施例中，锁紧壳体210上，设置有第一应变片，所述第一应变片均匀放置，用于检测锁紧力，同时也能反馈位置信息作为光学引导模块100的补充。
94.当锁紧壳体210上的第一应变片受力时，多维运动模块300调整对接机构自身姿态，使得第一应变片多方向均匀受力；
95.多维运动模块300继续进动，使得第一应变片反馈值达到第一目标值，此时，指示铰链231锁紧。
96.在一些实施例中，锁紧杆220的铰链231上，装有应变片232，用于检测锁紧力，同时也能反馈位置信息作为光学引导模块100的补充。
97.当铰链231开始锁紧时，检测铰链231上各方向的第二应变片232，多维运动模块300继续进动，使得铰链231的第二应变片232反馈值达到第二目标值。
98.如图2和图4所示，在一些实施例中，锁紧壳体210通过弹簧211与对接机构外壳400连接。
99.所述弹簧211间均匀放置第三应变片，用于检测锁紧力。
100.作为较佳实施例，第三应变片均匀放置三片及以上。
101.图6揭示了根据本发明一实施例的多维运动模块的示意图，如图6所示，多维运动模块300，调整自身姿态直至激光投影在对接目标上的三点构成正三角形。
102.图7揭示了根据本发明一实施例的卫星对接机构的作业示意图，图8揭示了根据本发明一实施例的卫星对接方法流程图，如图7和图8所示，本发明提出了一种卫星对接方法，采用如图1至图7所示的卫星对接机构，包括以下步骤：
103.步骤s1、光学引导模块100，对对接目标的发动机喷口进行口面识别，发送光学信号至对接目标，生成对接机构与对接目标的位置关系信息并发送至多维运动模块300；
104.光学引导模块100，引导多维运动模块300运动；
105.步骤s2、多维运动模块300，调整对接机构朝向对接目标的发动机喷管喷口靠近；
106.步骤s3、喷管喷口的圆逐渐变大直至超出光学引导模块100的视场，且维持口面的圆度；
107.在靠近过程中，喷管喷口的圆在相机122视场里逐渐变大且维持口面的圆度，随着逐渐靠近，喷管喷口的圆逐渐扩大并超出视场；
108.步骤s4、光学引导模块100，采集在对接目标上的光学投影；
109.步骤s5、锁紧模块200，在对接目标上的光学投影为指定对接形状时，对对接目标进行锁紧。
110.作为较佳实施例，在识别到喷口直至喷口超出视场过程中，三束激光点出现在视场内，在对接目标上的光学投影为正三角形时，锁紧模块200对对接目标进行锁紧。
111.与现有技术相比，本发明提出的一种卫星对接机构及对接方法，能与多种不同型号的非合作目标卫星进行对接，机构简单，控制安全便捷，可靠性高，对接精准度高。
112.尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他
动作并发地发生。
113.如本技术和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
114.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
115.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
116.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连同。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
117.上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

技术特征：
1.一种卫星对接机构，其特征在于，包括光学引导模块、锁紧模块、多维运动模块和对接机构外壳；所述光学引导模块，安装在对接机构外壳，发送光学信号至对接目标，在对接目标上形成光学投影，采集光学投影信号，生成对接机构与对接目标的位置关系信息并发送至多维运动模块；所述多维运动模块，根据位置关系信息进行运动，调整对接机构自身姿态，直至在对接目标上的光学投影为指定对接形状；所述锁紧模块，根据光学引导模块的位置关系信息和多维运动模块的运动信息，对对接目标进行锁紧。2.根据权利要求1所述的卫星对接机构，其特征在于，所述光学引导模块包括激光标记单元和成像单元：所述激光标记单元，设置在对接机构外壳上，向对接目标发射激光；所述成像单元，采集激光投影至对接目标上所形成的光学投影信息，生成对接机构与对接目标的位置关系信息发送至多维运动模块。3.根据权利要求2所述的卫星对接机构，其特征在于，所述激光标记单元，发射激光在成像单元前汇聚后投影至对接目标；激光汇聚点位于锁紧模块的运动延长线上。4.根据权利要求2所述的卫星对接机构，其特征在于，所述激光标记单元的数量为三个，均匀分布在对接机构外壳，对应的激光数量为3束；所述指定对接形状为正三角形。5.根据权利要求2所述的卫星对接机构，其特征在于，所述成像单元，包括成像镜头和相机：所述成像镜头，对光学投影信息进行成像；所述相机，对成像后的光学投影信息进行采集，生成对接机构与对接目标的位置关系信息。6.根据权利要求1所述的卫星对接机构，其特征在于，所述锁紧模块，包括锁紧壳体和锁紧杆：所述锁紧壳体，与对接目标的形状相适应；所述锁紧杆，设置有铰链；当在对接目标上的光学投影为指定对接形状时，锁紧杆运动带动铰链膨胀锁紧，完成锁紧任务。7.根据权利要求6所述的卫星对接机构，其特征在于，所述锁紧壳体上，设置有第一应变片，用于检测锁紧力；当锁紧壳体上的第一应变片受力时，多维运动模块调整对接机构自身姿态，使得应变片多方向均匀受力；多维运动模块继续进动，使得锁紧壳体的第一应变片反馈值达到第一目标值，铰链开始锁紧。8.根据权利要求6所述的卫星对接机构，其特征在于，所述锁紧杆的铰链上，设置有第二应变片，用于检测锁紧力；
当铰链开始锁紧时，检测铰链上各方向的第二应变片，多维运动模块继续进动，使得铰链的第二应变片反馈值达到第二目标值。9.根据权利要求6所述的卫星对接机构，其特征在于，所述锁紧壳体通过弹簧与对接机构外壳连接：所述弹簧间，设置有第三应变片，用于检测锁紧力。10.一种卫星对接方法，采用如权利要求1至权利要求9中任一项所述的卫星对接机构实现，其特征在于，包括以下步骤：光学引导模块，对对接目标的发动机喷口进行口面识别，发送光学信号至对接目标，生成对接机构与对接目标的位置关系信息并发送至多维运动模块；多维运动模块，调整对接机构朝向对接目标的发动机喷管喷口靠近；喷管喷口的圆逐渐变大直至超出光学引导模块的视场，且维持口面的圆度；光学引导模块，采集在对接目标上的光学投影；锁紧模块，在对接目标上的光学投影为指定对接形状时，对对接目标进行锁紧。

技术总结
本发明涉及航天技术领域，更具体的说，涉及一种卫星对接机构及对接方法。本发明提供的卫星对接机构，包括光学引导模块、锁紧模块、多维运动模块和对接机构外壳；光学引导模块安装在对接机构外壳，发送光学信号至对接目标，在对接目标上形成光学投影，采集光学投影信号，生成对接机构与对接目标的位置关系信息并发送至多维运动模块；多维运动模块根据位置关系信息进行运动，调整对接机构自身姿态，直至在对接目标上的光学投影为指定对接形状；锁紧模块根据光学引导模块的位置关系信息和多维运动模块的运动信息，对对接目标进行锁紧。本发明能与多种不同型号的非合作目标卫星进行对接，机构简单，控制安全便捷，可靠性高，对接精准度高。准度高。准度高。


技术研发人员：周辉 杨彪 乔晟
受保护的技术使用者：上海国科航星量子科技有限公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/4