活用例
嫦娥5号が帰る!宇宙機ドッキングドッキング研究におけるモーションキャプチャシステムの応用
南京航空航天大学航天学院
モーションキャプチャ、空中浮遊ステージ、宇宙機の地上検証、ドッキングドッキング、半物理的なシミュレーションプラットフォーム
3自由度の気浮上台

北京時間2020年12月17日、月探査プロジェクト嫦娥5号帰還機が内蒙古の四子王旗予定区域に着陸に成功し、中国の月探査プロジェクト「周回、落下、帰還」の3ステップ発展計画に終止符を打ちました。嫦娥5号の任務で実現された一連のキーテクノロジーは、わが国の宇宙技術レベルを向上させ、月探査プロジェクトシステムを完備し、月の科学研究を展開し、後続の月及び星間探査任務を組織するために、前々から後々まで、一里塚的な意義を持つ。

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嫦娥5号の全旅程の中で、一つの難点は、上昇機と軌道機と帰還機が合体した月軌道とのドッキングだった。宇宙機のドッキングは重要な宇宙活動として、軌道上サービス、有人宇宙飛行などの宇宙ミッションのための基礎技術を提供する。

ドッキングミッションは非常に難易度が高くコストも高いため、宇宙機が宇宙ミッションを行う前に、制御システムの有効性を検証するための地上模擬試験を行う必要がある。地上試験で難しいのは宇宙の微小重力環境をシミュレートすることですが、エアフロートをベースにした地上半物理シミュレーションプラットフォーム(半実物シミュレーションプラットフォーム)は、衛星の軌道上の運働や制御の実態を大きくシミュレートし、信頼性の高い地上シミュレーションを実現することができます。

宇宙机の地上半物理的なシミュレーションプラットフォームは通常、大理石のプラットフォーム、空気浮遊台(空気浮遊シミュレータ)、通信システム、測定システムサブシステムから構成される。南京航空航天大学航天学院の康国華教授の研究チームは、3自由度エアフロートに基づく宇宙機の地上半物理シミュレーションシミュレーションプラットフォームを設計し、NOKOV光学式三次元モーションキャプチャーシステムに計測システムとして半物理シミュレーションシミュレーションプラットフォームに統合した。敷地内にはNOKOV光学式モーションキャプチャカメラ8台が大理石のガス台の周囲に設置され、ガス台の上部には設計された規則に従って反射マーカー(マーカーボール)が配置されている。モーションキャプションカメラは状態観測装置として、計算マーカーとなるリアルタイムの姿勢や速度(角速度)などの運動状態情報を収集し、制御モジュールはこれらの情報と航法基準信号(2つの浮遊台間の相対姿勢)を結合して制御力を出力し、推力配分を経てアクチュエーターの各ノズルに必要な噴射力を出力する。アクチュエータは、電磁弁スイッチパルス信号にpwmで信号を調整し、ジェットを実現し、基準信号に合わせて気浮台の動きを制御し、宇宙船のランデブー制御アルゴリズムのロバスト性と収束性能を迅速に検証する。

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さらに、微小衛星の半物理シミュレーションシステムにおける平面浮遊台の重心位置の変化(ロボットアームの動き、燃料の消費量、衛星の組み合わせと変形)について、位置観測に基づく重心の校正方法を提案し、半物理シミュレーションプラットフォーム上でデータを取得した。本手法の有効性は、モーションキャプションシステムにより取得した3軸気浮上台の台体上の任意の3つの固定点の動き軌跡をリアルタイムで計測し、気浮上台の重心をリアルタイムで校正することにより確認された。

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