一种基于巡游机器人的在轨故障检测及维护方法.pdf

一种基于巡游机器人的在轨故障检测及维护方法，首先将巡游机器人通过救援卫星送至目标卫星并吸附在目标卫星表面的吸附面，然后令巡游机器人到达目标卫星的星表测试接口位置，将控制中心计算机连接至目标卫星，最后通过巡游机器人的控制中心计算机向目标卫星发送握手信号、接收卫星系统各设备的返回信号判断目标卫星各分系统工作状态，并通过初始化或接管目标卫星排除故障。本发明方法与现有技术相比，使用机器人在卫星表面巡游并进行检测维护，克服了现有技术在通过分析卫星传回的遥测信息判断卫星故障时，如果测控系统出现故障则不能获取遥测信息来分析故障的不足，并能实现对目标卫星的物理故障修复。

权利要求书
1.  一种基于巡游机器人的在轨故障检测及维护方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将巡游机器人放于救援卫星并将救援卫星朝向目标卫星发射，当救援卫星与目标卫星距离不大于1km时，救援卫星测量目标卫星形貌信息并解算目标卫星的姿态及轨道后将目标卫星形貌信息、姿态及轨道送至巡游机器人中的控制中心计算机，控制巡游机器人与救援卫星分离，并令巡游机器人依靠其轨道控制推力器按照目标卫星的轨道朝目标卫星靠近；所述巡游机器人包括控制中心计算机、探测通信模块、轨道控制推力器、姿态控制推力器；
(2)巡游机器人与救援卫星分离后，使救援卫星实时测量目标卫星的姿态轨道并送至巡游机器人，令巡游机器人实时接收目标卫星的姿态轨道并依靠其探测通信模块测量目标卫星的位置后，使用其轨道控制推力器修正自身运动轨道来接近目标卫星，同时使用测量得到的目标卫星的位置计算巡游机器人与目标卫星的距离并判断；
(3)如果巡游机器人与目标卫星的距离不大于100m，则使巡游机器人根据目标卫星的姿态开启姿态控制推力器调整运动姿态，同时接收救援卫星实时发送的目标卫星的姿态并转入步骤(4)；如果巡游机器人与目标卫星的距离大于100m，则使巡游机器人继续实时接收目标卫星的姿态轨道并依靠其探测通信模块测量目标卫星的位置后，使用其轨道控制推力器修正运动轨道靠近目标卫星，直至巡游机器人与目标卫星的距离不大于100m，然后使巡游机器人根据目标卫星的姿态开启姿态控制推力器调整运动姿态，同时接收救援卫星实时发送的目标卫星的姿态并转入步骤(4)；
(4)如果巡游机器人与目标卫星的姿态差不大于10-3°，则根据救援卫星发送的目标卫星形貌信息寻找目标卫星的吸附面，然后令巡游机器人使用姿态控制推力器调节巡游机器人的姿态直至巡游机器人与目标卫星的吸附面平行，如果巡游机器人与目标卫星的姿态差大于10-3°，则令巡游机器人使用姿态控 制推力器调节其姿态直至巡游机器人与目标卫星的姿态差不大于10-3°，然后重复根据救援卫星发送的目标卫星形貌信息寻找目标卫星的吸附面，使巡游机器人使用姿态控制推力器调节巡游机器人的姿态直至巡游机器人与目标卫星的吸附面平行；所述吸附面为目标卫星表面中具有较好平面度且面积大于巡游机器人的区域；
(5)使巡游机器人垂直向目标卫星的吸附面碰撞，并在接触瞬间依靠巡游机器人表面有粘性的聚合物粘附到目标卫星吸附面，然后使巡游机器人依靠探测通信模块探测吸附面周围星表信息后，使用控制中心计算机规划至目标卫星的星表测试接口位置的路径，得到规划路径后令巡游机器人沿规划路径爬行至目标卫星的星表测试接口位置；
(6)到达目标卫星的星表测试接口位置后，使巡游机器人将其控制中心计算机与目标卫星的星表测试接口连接，建立其与目标卫星的链路连接；
(7)令巡游机器人的控制中心计算机向目标卫星发送握手信号，
如果两者握手成功，则令巡游机器人的控制中心计算机对目标卫星的所有分系统设备进行总线周期性轮询，
如果目标卫星各分系统设备返回总线周期性轮询指令状态字中的“服务请求位”均被置为1，则该目标卫星分系统设备处于工作状态，发送目标卫星所有分系统设备均处于工作状态的指令并通过救援卫星转发至地面，在轨故障检测完成，
如果目标卫星存在分系统设备返回总线周期性轮询指令状态字中的“服务请求位”被置成0，则转入步骤(8)，
如果两者握手不成功，则使巡游机器人的控制中心计算机接管目标卫星连接至总线的各分系统设备，转入步骤(8)；
(8)使巡游机器人的控制中心计算机获取目标卫星连接至总线各分系统设备的标识位并通过救援卫星转发送至地面，然后接收由救援卫星中转的地面发送的目标卫星各分系统设备标识位的初始化参数，使用该初始化参数控制目标 卫星各分系统设备初始化，重新对目标卫星各分系统进行总线周期性轮询，
如果目标卫星存在分系统设备返回总线周期性轮询指令状态字中的“服务请求位”被置成0，则对应的目标卫星分系统物理故障，令巡游机器人的控制中心计算机接管目标卫星总线控制权，发送目标卫星存在分系统设备物理故障且巡游机器人已经接管目标卫星的指令并通过救援卫星转发至地面，在轨故障检测完成，
如果目标卫星各分系统设备返回总线周期性轮询指令状态字中的“服务请求位”均被置为1，则目标卫星发生故障的分系统设备故障被排除，发送目标卫星所有分系统设备均处于工作状态的指令并通过救援卫星转发至地面，在轨故障检测完成。

2.  根据权利要求1所述的一种基于巡游机器人的在轨故障检测及维护方法，其特征在于所述的巡游机器人包括多个结构形状完全相同的关节，关节两两正交相连，关节两端各设有安装孔且两端的安装孔互相垂直，得到规划路径后巡游机器人通过各个关节的相对运动爬行至目标卫星的星表测试接口位置。

说明书一种基于巡游机器人的在轨故障检测及维护方法
技术领域
本发明涉及一种卫星在轨故障检测及维护方法，特别是一种基于巡游机器人的在轨故障检测及维护方法。
背景技术
目前空间技术已经进入了快速发展期，预计至2020年，中国卫星在轨数量将突破200颗，而这些卫星主要分布在GEO、MEO和SSO轨道，包括对地观测、通信、导航、电子侦察及对抗、预警等应用卫星。这些卫星成本高昂、结构复杂、寿命周期长，在生命周期内一旦出现故障，会造成巨大的经济损失。在这些卫星故障中，一部分可通过测控链路启动系统冗余备份或地面指令切换恢复，然而另一部分故障由于卫星姿态翻滚、测控失效、复杂的故障状态等原因无法进行修复。因此，为保障高价值卫星长期稳定运行，必须发展卫星在轨检测、故障恢复等服务能力。
目前卫星的故障检测大部分通过地面站对卫星传送回的遥测信息来进行分析判断的，这种方式是建立在卫星测控系统工作正常的条件下，一旦测控系统出现故障，相关遥测信息就无法获取。高性能巡游机器人具备很强的姿态控制能力，可以在高负载条件下着陆卫星表面进行遍历巡游。目前，仿生类巡游机器人已在国际空间站上得到初步应用，能够替代宇航员发现空气泄漏等意外故障，而对于卫星或航天器在轨故障检测恢复尚未见资料报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术中测控系统故障时不能获取遥测信息来对卫星故障进行检测与维护的不足，提供了一种在卫星表面实施的基于巡游机器人的在轨故障检测及维护方法。
本发明的技术解决方案是：一种基于巡游机器人的在轨故障检测及维护方 法，包括如下步骤：
(1)将巡游机器人放于救援卫星并将救援卫星朝向目标卫星发射，当救援卫星与目标卫星距离不大于1km时，救援卫星测量目标卫星形貌信息并解算目标卫星的姿态及轨道后将目标卫星形貌信息、姿态及轨道送至巡游机器人中的控制中心计算机，控制巡游机器人与救援卫星分离，并令巡游机器人依靠其轨道控制推力器按照目标卫星的轨道朝目标卫星靠近；所述巡游机器人包括控制中心计算机、探测通信模块、轨道控制推力器、姿态控制推力器；
(2)巡游机器人与救援卫星分离后，使救援卫星实时测量目标卫星的姿态轨道并送至巡游机器人，令巡游机器人实时接收目标卫星的姿态轨道并依靠其探测通信模块测量目标卫星的位置后，使用其轨道控制推力器修正自身运动轨道来接近目标卫星，同时使用测量得到的目标卫星的位置计算巡游机器人与目标卫星的距离并判断；
(3)如果巡游机器人与目标卫星的距离不大于100m，则使巡游机器人根据目标卫星的姿态开启姿态控制推力器调整运动姿态，同时接收救援卫星实时发送的目标卫星的姿态并转入步骤(4)；如果巡游机器人与目标卫星的距离大于100m，则使巡游机器人继续实时接收目标卫星的姿态轨道并依靠其探测通信模块测量目标卫星的位置后，使用其轨道控制推力器修正运动轨道靠近目标卫星，直至巡游机器人与目标卫星的距离不大于100m，然后使巡游机器人根据目标卫星的姿态开启姿态控制推力器调整运动姿态，同时接收救援卫星实时发送的目标卫星的姿态并转入步骤(4)；
(4)如果巡游机器人与目标卫星的姿态差不大于10-3°，则根据救援卫星发送的目标卫星形貌信息寻找目标卫星的吸附面，然后令巡游机器人使用姿态控制推力器调节巡游机器人的姿态直至巡游机器人与目标卫星的吸附面平行，如果巡游机器人与目标卫星的姿态差大于10-3°，则令巡游机器人使用姿态控制推力器调节其姿态直至巡游机器人与目标卫星的姿态差不大于10-3°，然后重复根据救援卫星发送的目标卫星形貌信息寻找目标卫星的吸附面，使巡游机 器人使用姿态控制推力器调节巡游机器人的姿态直至巡游机器人与目标卫星的吸附面平行；所述吸附面为目标卫星表面中具有较好平面度且面积大于巡游机器人的区域；
(5)使巡游机器人垂直向目标卫星的吸附面碰撞，并在接触瞬间依靠巡游机器人表面有粘性的聚合物粘附到目标卫星吸附面，然后使巡游机器人依靠探测通信模块探测吸附面周围星表信息后，使用控制中心计算机规划至目标卫星的星表测试接口位置的路径，得到规划路径后令巡游机器人沿规划路径爬行至目标卫星的星表测试接口位置；
(6)到达目标卫星的星表测试接口位置后，使巡游机器人将其控制中心计算机与目标卫星的星表测试接口连接，建立其与目标卫星的链路连接；
(7)令巡游机器人的控制中心计算机向目标卫星发送握手信号，
如果两者握手成功，则令巡游机器人的控制中心计算机对目标卫星的所有分系统设备进行总线周期性轮询，
如果目标卫星各分系统设备返回总线周期性轮询指令状态字中的“服务请求位”均被置为1，则该目标卫星分系统设备处于工作状态，发送目标卫星所有分系统设备均处于工作状态的指令并通过救援卫星转发至地面，在轨故障检测完成，
如果目标卫星存在分系统设备返回总线周期性轮询指令状态字中的“服务请求位”被置成0，则转入步骤(8)，
如果两者握手不成功，则使巡游机器人的控制中心计算机接管目标卫星连接至总线的各分系统设备，转入步骤(8)；
(8)使巡游机器人的控制中心计算机获取目标卫星连接至总线各分系统设备的标识位并通过救援卫星转发送至地面，然后接收由救援卫星中转的地面发送的目标卫星各分系统设备标识位的初始化参数，使用该初始化参数控制目标卫星各分系统设备初始化，重新对目标卫星各分系统进行总线周期性轮询，
如果目标卫星存在分系统设备返回总线周期性轮询指令状态字中的“服务 请求位”被置成0，则对应的目标卫星分系统物理故障，令巡游机器人的控制中心计算机接管目标卫星总线控制权，发送目标卫星存在分系统设备物理故障且巡游机器人已经接管目标卫星的指令并通过救援卫星转发至地面，在轨故障检测完成，
如果目标卫星各分系统设备返回总线周期性轮询指令状态字中的“服务请求位”均被置为1，则目标卫星发生故障的分系统设备故障被排除，发送目标卫星所有分系统设备均处于工作状态的指令并通过救援卫星转发至地面，在轨故障检测完成。
所述的巡游机器人包括多个结构形状完全相同的关节，关节两两正交相连，关节两端各设有安装孔且两端的安装孔互相垂直，得到规划路径后巡游机器人通过各个关节的相对运动爬行至目标卫星的星表测试接口位置。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明方法将巡游机器人用于卫星或航天器的在轨故障的检测及维护，使机器人在卫星表面巡游并进行检测维护，克服了现有技术在通过分析卫星传回的遥测信息判断卫星故障时，如果测控系统出现故障则不能获取遥测信息来分析故障的不足，能够在测控系统出现故障时对卫星故障进行检测和修复；
(2)本发明方法与现有技术相比，在卫星分系统设备发生物理故障不能通过初始化进行修复时，通过巡游机器人的控制中心计算机接管卫星总线控制器，进而控制所有联系至总线的目标卫星分系统设备，实现对目标卫星的物理故障修复；
(3)本发明方法与现有技术相比，提出的巡游机器人一体化接口固连形成，具有极高的变形度，在发射火箭中，可蜷缩收拢以减少体积；在被弹射出后，可以构型自主展开，利用自身形态变化控制其与目标着陆面的相对姿态精度，建立准确着陆状态，着陆到目标卫星后，机器人可以通过自身构型变化实现蠕动、缠绕、翻滚和攀爬等多种运动模式执行任务。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
本发明提出一种基于巡游机器人的在轨故障检测及维护方法，用于在轨故障检测任务，下面结合附图及实例对本发明方法详细说明，如图1所示本发明一种基于巡游机器人的在轨故障检测及维护方法包括如下步骤：
(1)将巡游机器人放于救援卫星并将救援卫星发射至目标卫星，当救援卫星与目标卫星距离不大于1km时，令救援卫星测量目标卫星形貌信息并解算目标卫星的姿态及轨道后将目标卫星形貌信息、姿态及轨道送至巡游机器人中的控制中心计算机，由救援飞行器上的释放分离机构控制巡游机器人与救援卫星分离，并令巡游机器人依靠其轨道控制推力器按照目标卫星的轨道朝目标卫星靠近，其中，巡游机器人包括控制中心计算机、探测通信模块、轨道控制推力器、姿态控制推力器；
(2)巡游机器人与救援卫星分离后，救援卫星实时测量目标卫星的姿态轨道并送至巡游机器人，令巡游机器人实时接收目标卫星的姿态轨道并依靠其探测通信模块测量目标卫星的位置后，开启其轨道控制推力器修正自身运动轨道来接近目标卫星，同时使用测量得到的目标卫星的位置计算巡游机器人与目标卫星的距离并判断；
(3)如果巡游机器人与目标卫星的距离不大于100m，则使巡游机器人根据目标卫星的姿态开启姿态控制推力器调整运动姿态，同时使用救援卫星实时发送的目标卫星的姿态计算目标卫星在巡游机器人惯性坐标系下的姿态并判断，如果巡游机器人与目标卫星的距离大于100m，则使巡游机器人继续实时接收目标卫星的姿态轨道并依靠其探测通信模块测量目标卫星的位置后，开启其轨道控制推力器修正运动轨道靠近目标卫星，直至巡游机器人与目标卫星的距离不大于100m，然后重复上述巡游机器人调整运动姿态、计算目标卫星在巡游机器人惯性坐标系下的姿态并判断的过程；
(4)如果巡游机器人与目标卫星的姿态差不大于10-3°，则根据救援卫星 发送的目标卫星形貌信息得到目标卫星的吸附面，然后令巡游机器人使用姿态控制推力器调节巡游机器人的姿态直至巡游机器人与目标卫星的吸附面平行，如果巡游机器人与目标卫星的姿态差大于10-3°，则令巡游机器人使用姿态控制推力器调节其姿态直至巡游机器人与目标卫星的姿态差不大于10-3°，然后重复上述获取目标卫星的吸附面、调节巡游机器人的姿态直至巡游机器人与目标卫星的吸附面平行过程，其中，吸附面为目标卫星表面中具有较好平面度且面积大于巡游机器人的区域；着陆吸附前的姿态调整过程中，巡游机器人是一个多自由度变结构的多体系统，通过各关节的相对运动达到整体的姿态变化；
(5)令巡游机器人与目标卫星吸附面的平行面垂直向目标卫星的吸附面碰撞，并在接触瞬间其吸附缓冲机构卸载碰撞能量，通过多聚合物材质的粘附阵列粘附到目标卫星吸附面，然后使巡游机器人依靠探测通信模块探测吸附面周围星表信息后，使用控制中心计算机根据基于实时探测信息的人工势场法路径规划算法规划至目标卫星的星表测试接口位置的路径，得到规划路径后令巡游机器人沿规划路径运动至目标卫星的星表测试接口位置；巡游机器人在目标卫星表面巡游过程中，主要受到来自于目标卫星的扰动和目标卫星表面与巡游机器人粘附阵列接触时产生的三维接触反作用力的影响。由于目标卫星姿态运动会导致机器人攀附目标表面的倾斜角发生变化，使得吸附和脱附过程中接触力的变化更加复杂，需要根据机器人的运动对扰动进行预测估计，同时进行前馈加反馈复合控制，使其运动过程更加平稳可靠，不会出现意外脱附。
(6)到达目标卫星的星表测试接口位置后，使巡游机器人将其控制中心计算机与目标卫星的星表测试接口连接，建立其与目标卫星的链路连接；目标卫星星表测试接口提供了外部供电、模拟信号激励、有线遥控、有线遥测等多种功能，这种基于星表测试接口的在轨操控是一种信息操控方式，通过与目标卫星内外部电路相连、指令传递实现。依靠这种方式，巡游机器人可对目标卫星实施故障检测、指令修复或接管控制；
典型高轨卫星平台部分通用的星表地面测试接口主要包括星箭分离插头接 口、控制分系统测试星表接口及BCRB断电插头接口。其中，星箭分离插头接口实现整星集中供电、供配电分系统测控、有线形式遥测遥控(整星所有分系统测控)、火工品模块使能等，星箭分离前通过脐带电缆与火箭连接，分离后扭簧驱动门盖将其盖住；控制分系统测试星表接口主要用于模拟敏感器激励信号上传和执行机构地检信号下传，具体包括太敏激励信号、OBC检测信号、星箭分离开关信号、推力器喷气脉冲信号、反作用轮检测信号、陀螺激励信号、SADA采集信号、星敏激励信号，塔架测试完成后使用与之匹配的塑料插板盖住并用胶布密封；BCRB断电插头接口用于地面监视整星转内电时继电器是否处于断开状态，塔架测试完成后使用与之匹配的塑料插板盖住并用胶布密封。卫星在轨运行时，这些接口虽然处于密封保护或短路保护状态，但其内部电路依然与整星连接，回路完整，如果通过有线形式施加指令或激励，可对卫星实施状态监视或接管控制。
巡游机器人在决定实施控制后，将控制指令通过一定的编码规则编辑为电信号，再通过接口传递给目标卫星的指令接收器，接收器译码后将指令数据发送给综合电子分系统，目标卫星综合电子分系统的中心计算机再通过星内数据总线驱动相应远端设备执行控制指令；测量回路与上述控制回路信号方向相反。部分星表接口与星内单机直接相连，可不经过综合电子分系统直接控制或测量执行端单机。
(7)令仿生巡游机器人的控制中心计算机向目标卫星发送握手信号，
如果两者握手成功，则令巡游机器人的控制中心计算机对目标卫星的所有分系统设备进行总线周期性轮询(即对连接至卫星总线的各分系统进行周期性的轮询)；
如果目标卫星各分系统设备返回总线周期性轮询指令(即对各连接至总线的分系统进行轮询时，目标卫星各分系统发送回的轮询指令)状态字中的“服务请求位”均被置为1，则该目标卫星分系统设备处于工作状态，发送目标卫星所有分系统设备均处于工作状态的指令并通过救援卫星转发至地面，在轨故 障检测完成，
如果目标卫星存在分系统设备返回总线周期性轮询指令状态字中的“服务请求位”被置成0，则转入步骤(8)，
如果两者握手不成功，则转入步骤(8)；
(8)令巡游机器人的控制中心计算机获取目标卫星连接至总线各分系统设备的标识位并通过救援卫星转发送至地面，然后接收由救援卫星中转的地面发送的目标卫星各分系统设备标识位的初始化参数，使用该初始化参数控制目标卫星各分系统设备初始化，重新对目标卫星各分系统进行总线周期性轮询，
如果目标卫星存在分系统设备返回总线周期性轮询指令状态字中的“服务请求位”被置成0，则对应的目标卫星分系统物理故障，令巡游机器人的控制中心计算机接管目标卫星总线控制权，发送目标卫星存在分系统设备物理故障且巡游机器人已经接管目标卫星的指令并通过救援卫星转发至地面，在轨故障检测完成，
如果目标卫星各分系统设备返回总线周期性轮询指令状态字中的“服务请求位”均被置为1，则目标卫星发生故障的分系统设备故障被排除，发送目标卫星所有分系统设备均处于工作状态的指令并通过救援卫星转发至地面，在轨故障检测完成。
巡游机器人包括多个结构形状完全相同的关节的蛇形仿真机器人，关节两端各设有安装孔且两端的安装孔互相垂直，每个关节通过两端垂直的安装孔两两正交相连，当一个关节在偏转方向旋转时，另一个关节在俯仰方向旋转，实现三维空间内的运动。巡游机器人每个关节内部集成电机、减速器、驱动电路、传感器(探测通信模块)和总线通信电路，每个关节通过轴、磁铁、连接器体进行机械连接和热传导，两个关节通过母插头和公插头进行动力和信号电的连接，关节间角度通过编码器进行测量。在巡游机器人的首尾两端配有大比冲推力器(轨道控制推力器、姿态控制推力器)，可以控制机器人在空中自主飞行，而外部表面涂敷有专门设计的强吸附、弱脱离的多聚合物的粘性吸附阵列和曲 面太阳能电池板，其中，多聚合物的粘性吸附阵列可使巡游机器人粘附于目标卫星星体表面，曲面太阳能电池板可以为巡游机器人提供电能。巡游机器人还设有控制中心计算机，以控制巡游机器人与外界通信、位置姿态变化、探测周边环境及数据处理。
另外，巡游机器人具有极高的变形度，在发射火箭中，可以蜷缩收拢以减少体积；在被弹射出后，可以构型自主展开，利用自身形态变化控制其与目标着陆面的相对姿态精度，建立准确着陆状态；着陆到目标卫星后，巡游机器人可以通过自身构型变化实现蠕动、缠绕、翻滚和攀爬等多种运动模式执行任务。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。