一種多航天器空間立體信息組網仿真系統及采用該系統實現的仿真方法技術方案

一種多航天器空間立體信息組網仿真系統及采用該系統實現的仿真方法，屬于多航天器空間立體信息組網領域。解決了現有的多航天器仿真平臺配置單一，各仿真單元運動維度受限，無法模擬復雜的多航天器信息組網的問題。本發明專利技術采用了六自由度的四軸飛行器以及基于平面二維平動和垂直于平動平面一維轉動的差分驅動移動機器人作為航天器仿真單元，通過可配置的WIFI以及ZIGBEE技術作為信息交互手段，以雙目視覺系統實現高精度相對位置和姿態的標定。可根據不同的仿真要求配置工作狀態，從而形成多航天器空間立體信息組網的仿真系統。主要用于多航天器的組網。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于多航天器空間立體信息組網領域。
技術介紹
隨著對太空資源爭奪的日益激烈和軍事航天技術的飛速發展，世界各主要國家均加大對空間信息系統的建設力度。空間信息網絡是以空間平臺為載體，實時獲取、傳輸和處理空間信息的網絡系統。其核心是衛星通信網，是單一衛星通信系統的進一步發展，其中星間組網、路由、傳輸協議等正是其必須突破的關鍵技術。目前，世界眾多已進入在軌驗證階段或研究的航天部門均非常重視關鍵技術的地面驗證工作，建立了全物理/半物理仿真平臺，以此降低系統研制風險。由于國內空間信息網絡建設處于起步階段，同時物理仿真實驗存在仿真模擬設備復雜、開發資金過高等原因，國內尚無該方面專用的物理仿真平臺。類似功能的多航天器仿真平臺有哈爾濱工業大學與裝備指揮技術學院引進、開發和建立的兩套基于五自由度微小衛星物理仿真平臺，以及以氣浮平臺為主的分布式航天器仿真平臺。雖然其對多航天器系統控制算法的定性仿真驗證起到了積極的促進作用，但是普遍存在仿真平臺配置固化的局限性問題，仿真航天器單元運動維度單一受限，并且缺乏靈活通變的通信設備，無法實現在運動過程中的航天器中進行信息組網的仿真功能，在很大程度上制約了其進一步應用。為此迫切需要設計和建設具有多運動自由度和高可擴展性的適應不同任務的多航天器空間立體信息組網仿真系統以滿足對該研究方向進行地面實物仿真的需求。
技術實現思路
本專利技術是為了解決現有的多航天器仿真平臺配置單一，各仿真單元運動維度受限，無法模擬復雜的多航天器信息組網的問題。本專利技術提供了一種多航天器空間立體信息組網仿真系統及采用該系統實現的仿真方法。一種多航天器空間立體信息組網仿真系統，它包括多個航天器仿真單元、地面控制計算機、顯示終端、地面數據庫終端、總控終端、2號通信模塊和3號雙目攝像系統，所述的地面控制計算機的顯示信號輸出端與顯示終端的顯示信號輸入端連接，地面控制計算機的數據信號輸入/輸出端與地面數據庫終端的數據信號輸入/輸出端連接，地面控制計算機的指令信號輸入/輸出端與2號通信模塊的指令信號輸入/輸出端連接，地面控制計算機的控制信號輸入/輸出端與總控終端的控制信號輸入/輸出端連接，地面控制計算機的圖像信號輸入/輸出端與3號雙目攝像系統的圖像信號輸入/輸出端連接，每個航天器仿真單元包括四軸飛行器、差分驅動移動機器人、兩個1號通信模塊、1號雙目攝像系統、2號雙目攝像系統、兩個仿真計算機；各個差分驅動移動機器人用于完成在二維空間平動和垂直于地面的單軸轉動，各個四軸飛行器用于完成在仿真空間內，進行六自由度的運動，其中，一個仿真計算機、一個1號通信模塊和1號雙目攝像系統均固定在四軸飛行器上，且所述的一個仿真計算機的控制信號輸入/輸出端與四軸飛行器的控制信號輸入/輸出端連接，一個仿真計算機的數據信號輸入/輸出端與一個1號通信模塊的數據信號輸入/輸出端連接，一個仿真計算機的控制信號輸出端與1號雙目攝像系統的控制信號輸入端連接，一個仿真計算機的圖像信號輸入端與1號雙目攝像系統的圖像信號輸出端連接，1號雙目攝像系統用于采集四軸飛行器周圍的圖像信息；另一個仿真計算機、另一個1號通信模塊和2號雙目攝像系統均固定在差分驅動移動機器人上，且所述的另一個仿真計算機的控制信號輸入/輸出端與差分驅動移動機器人的控制信號輸入/輸出端連接，另一個仿真計算機的數據信號輸入/輸出端與另一個1號通信模塊的數據信號輸入/輸出端連接，另一個仿真計算機的控制信號輸出端與2號雙目攝像系統的控制信號輸入端連接，另一個仿真計算機的圖像信號輸入端與2號雙目攝像系統的圖像信號輸出端連接，2號雙目攝像系統用于采集差分驅動移動機器人周圍的圖像信息；多個航天器仿真單元之間、四軸飛行器與差分驅動移動機器人、多個航天器仿真單元與地面控制計算機之間均通過無線通信的方式進行信息交互。所述的1號通信模塊包括兩個天線旋轉器、WIFI通信模塊、ZIGBEE通信模塊、1號移相網絡模塊、2號移相網絡模塊、1號天線陣列和2號天線陣列；WIFI通信模塊、1號移相網絡模塊和1號天線陣列固定在一個天線旋轉器上，WIFI通信模塊的第一數據信號輸入/輸出端與1號移相網絡模塊的第一數據信號輸入/輸出端連接，1號移相網絡模塊的第二數據信號輸入/輸出端與1號天線陣列的數據信號輸入/輸出端連接；ZIGBEE通信模塊、2號移相網絡模塊和2號天線陣列固定在另一個天線旋轉器上，ZIGBEE通信模塊的第一數據信號輸入/輸出端與2號移相網絡模塊的第一數據信號輸入/輸出端連接，2號移相網絡模塊的第二數據信號輸入/輸出端與2號天線陣列的數據信號輸入/輸出端連接；兩個天線旋轉器的數據信號輸入/輸出端、WIFI通信模塊的第二數據信號輸入/輸出端、ZIGBEE通信模塊的第二數據信號輸入/輸出端和仿真計算機的數據信號輸入/輸出端同時連接。所述的1號通信模塊和2號通信模塊的結構完全相同。所述的1號雙目攝像系統包括6個雙目攝像頭和一個視覺處理計算機；所述的6個雙目攝像頭均固定在四軸飛行器上，且其中一個雙目攝像頭固定在四軸飛行器頂部，另一個雙目攝像頭固定在四軸飛行器底部，剩余的4個雙目攝像頭分別固定在四軸飛行器的前、后、左、右，6個雙目攝像頭的數據信號輸入/輸出端與視覺處理計算機的數據信號輸入/輸出端連接，視覺處理計算機的圖像信號輸出端與一個仿真計算機的圖像信號輸入端連接，視覺處理計算機的控制信號輸入端與一個仿真計算機的控制信號輸出端連接；視覺處理計算機的圖像信號輸出端作為1號雙目攝像系統的圖像信號輸出端；視覺處理計算機的控制信號輸入端作為1號雙目攝像系統的控制信號輸入端。所述的2號雙目攝像系統包括5個雙目攝像頭和一個視覺處理計算機；所述的5個雙目攝像頭均固定在差分驅動移動機器人上，且其中一個雙目攝像頭固定在差分驅動移動機器人頂部，剩余的4個雙目攝像頭分別固定在差分驅動移動機器人的前、后、左、右，5個雙目攝像頭的數據信號輸入/輸出端與視覺處理計算機的數據信號輸入/輸出端連接，視覺處理計算機的圖像信號輸出端與另一個仿真計算機的圖像信號輸入端連接，視覺處理計算機的控制信號輸入端與另一個仿真計算機的控制信號輸出端連接；視覺處理計算機的圖像信號輸出端作為2號雙目攝像系統的圖像信號輸出端；視覺處理計算機的控制信號輸入端作為2號雙目攝像系統的控制信號輸入端。所述的2號雙目攝像系統和1號雙目攝像系統的結構完全相同。所述的WIFI通信模塊和ZIGBEE通信模塊均具有發射功率可配置，信道碼速率可配置的功能。采用所述的一種多航天器空間立體信息組網仿真系統實現的仿真方法，該方法的具體過程為：步驟一、對多航天器空間立體信息組網仿真系統的通信功能進行測試，測試項包括對天線數據發射功率、天線數據傳輸速率、天線波束角及天線旋轉器的標定，保證各個四軸飛行器、差分驅動移動機器人及地面控制計算機之間的通信鏈路正常工作；步驟二、對每一個航天器仿真單元以不同顏色進行噴漆并編號，對多航天器空間立體信息組網仿真系統的雙目視覺定位功能、定姿功能進行測試，確實各視覺設備正常工作；通過各航天器仿真單元中的視覺系統，對其各自航天器仿真單元中的四軸飛行器和差分驅動移動機器人進行初始位置，以及初始姿態的標定；步驟三、依據任本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多航天器空間立體信息組網仿真系統，它包括多個航天器仿真單元、地面控制計算機(3)、顯示終端(4)、地面數據庫終端(5)、總控終端(6)、2號通信模塊(10)和3號雙目攝像系統(11)，所述的地面控制計算機(3)的顯示信號輸出端與顯示終端(4)的顯示信號輸入端連接，地面控制計算機(3)的數據信號輸入/輸出端與地面數據庫終端(5)的數據信號輸入/輸出端連接，地面控制計算機(3)的指令信號輸入/輸出端與2號通信模塊(10)的指令信號輸入/輸出端連接，地面控制計算機(3)的控制信號輸入/輸出端與總控終端(6)的控制信號輸入/輸出端連接，地面控制計算機(3)的圖像信號輸入/輸出端與3號雙目攝像系統(11)的圖像信號輸入/輸出端連接，其特征在于，每個航天器仿真單元包括四軸飛行器(1)、差分驅動移動機器人(2)、兩個1號通信模塊(7)、1號雙目攝像系統(8?1)、2號雙目攝像系統(8?2)、兩個仿真計算機(9)；各個差分驅動移動機器人(2)用于完成在二維空間平動和垂直于地面的單軸轉動，各個四軸飛行器(1)用于完成在仿真空間內，進行六自由度的運動，其中，一個仿真計算機(9)、一個1號通信模塊(7)和1號雙目攝像系統(8?1)均固定在四軸飛行器(1)上，且所述的一個仿真計算機(9)的控制信號輸入/輸出端與四軸飛行器(1)的控制信號輸入/輸出端連接，一個仿真計算機(9)的數據信號輸入/輸出端與一個1號通信模塊(7)的數據信號輸入/輸出端連接，一個仿真計算機(9)的控制信號輸出端與1號雙目攝像系統(8?1)的控制信號輸入端連接，一個仿真計算機(9)的圖像信號輸入端與1號雙目攝像系統(8?1)的圖像信號輸出端連接，1號雙目攝像系統(8?1)用于采集四軸飛行器(1)周圍的圖像信息；另一個仿真計算機(9)、另一個1號通信模塊(7)和2號雙目攝像系統(8?2)均固定在差分驅動移動機器人(2)上，且所述的另一個仿真計算機(9)的控制信號輸入/輸出端與差分驅動移動機器人(2)的控制信號輸入/輸出端連接，另一個仿真計算機(9)的數據信號輸入/輸出端與另一個1號通信模塊(7)的數據信號輸入/輸出端連接，另一個仿真計算機(9)的控制信號輸出端與2號雙目攝像系統(8?2)的控制信號輸入端連接，另一個仿真計算機(9)的圖像信號輸入端與2號雙目攝像系統(8?2)的圖像信號輸出端連接，2號雙目攝像系統(8?2)用于采集差分驅動移動機器人(2)周圍的圖像信息；多個航天器仿真單元之間、四軸飛行器(1)與差分驅動移動機器人(2)、多個航天器仿真單元與地面控制計算機(3)之間均通過無線通信的方式進行信息交互。...

【技術特征摘要】
1.一種多航天器空間立體信息組網仿真系統，它包括多個航天器仿真單元、地面控制計算機(3)、顯示終端(4)、地面數據庫終端(5)、總控終端(6)、2號通信模塊(10)和3號雙目攝像系統(11)，所述的地面控制計算機(3)的顯示信號輸出端與顯示終端(4)的顯示信號輸入端連接，地面控制計算機(3)的數據信號輸入/輸出端與地面數據庫終端(5)的數據信號輸入/輸出端連接，地面控制計算機(3)的指令信號輸入/輸出端與2號通信模塊(10)的指令信號輸入/輸出端連接，地面控制計算機(3)的控制信號輸入/輸出端與總控終端(6)的控制信號輸入/輸出端連接，地面控制計算機(3)的圖像信號輸入/輸出端與3號雙目攝像系統(11)的圖像信號輸入/輸出端連接，其特征在于，每個航天器仿真單元包括四軸飛行器(1)、差分驅動移動機器人(2)、兩個1號通信模塊(7)、1號雙目攝像系統(8-1)、2號雙目攝像系統(8-2)、兩個仿真計算機(9)；各個差分驅動移動機器人(2)用于完成在二維空間平動和垂直于地面的單軸轉動，各個四軸飛行器(1)用于完成在仿真空間內，進行六自由度的運動，其中，一個仿真計算機(9)、一個1號通信模塊(7)和1號雙目攝像系統(8-1)均固定在四軸飛行器(1)上，且所述的一個仿真計算機(9)的控制信號輸入/輸出端與四軸飛行器(1)的控制信號輸入/輸出端連接，一個仿真計算機(9)的數據信號輸入/輸出端與一個1號通信模塊(7)的數據信號輸入/輸出端連接，一個仿真計算機(9)的控制信號輸出端與1號雙目攝像系統(8-1)的控制信號輸入端連接，一個仿真計算機(9)的圖像信號輸入端與1號雙目攝像系統(8-1)的圖像信號輸出端連接，1號雙目攝像系統(8-1)用于采集四軸飛行器(1)周圍的圖像信息；另一個仿真計算機(9)、另一個1號通信模塊(7)和2號雙目攝像系統(8-2)均固定在差分驅動移動機器人(2)上，且所述的另一個仿真計算機(9)的控制信號輸入/輸出端與差分驅動移動機器人(2)的控制信號輸入/輸出端連接，另一個仿真計算機(9)的數據信號輸入/輸出端與另一個1號通信模塊(7)的數據信號輸入/輸出端連接，另一個仿真計算機(9)的控制信號輸出端與2號雙目攝像系統(8-2)的控制信號輸入端連接，另一個仿真計算機(9)的圖像信號輸入端與2號雙目攝像系統(8-2)的圖像信號輸出端連接，2號雙目攝像系統(8-2)用于采集差分驅動移動機器人(2)周圍的圖像信息；多個航天器仿真單元之間、四軸飛行器(1)與差分驅動移動機器人(2)、多個航天器仿真單元與地面控制計算機(3)之間均通過無線通信的方式進行信息交互。2.根據權利要求1所述的一種多航天器空間立體信息組網仿真系統，其特征在于，所述的1號通信模塊(7)包括兩個天線旋轉器(7-1)、WIFI通信模塊(7-2)、ZIGBEE通信模塊(7-3)、1號移相網絡模塊(7-4)、2號移相網絡模塊(7-5)、1號天線陣列(7-6)和2號天線陣列(7-7)；WIFI通信模塊(7-2)、1號移相網絡模塊(7-4)和1號天線陣列(7-6)固定在一個天線旋轉器(7-1)上，WIFI通信模塊(7-2)的第一數據信號輸入/輸出端與1號移相網絡模塊(7-4)的第一數據信號輸入/輸出端連接，1號移相網絡模塊(7-4)的第二數據信號輸入/輸出端與1號天線陣列(7-6)的數據信號輸入/輸出端連接；ZIGBEE通信模塊(7-3)、2號移相網絡模塊(7-5)和2號天線陣列(7-7)固定在另一個天線旋轉器(7-1)上，ZIGBEE通信模塊(7-3)的第一數據信號輸入/輸出端與2號移相網絡模塊(7-5)的第一數據信號輸入/輸出端連接，2號移相網絡模塊(7-5)的第二數據信號輸入/輸出端與2號天線陣列(7-7)的數據信號輸入/輸出端連接；兩個天線旋轉器(7-1)的數據信號輸入/輸出端、WIFI通信模塊(7-2)的第二數據信號輸入/輸出端、ZIGBEE通信模塊(7-3)的第二數據信號輸入/輸出端和仿真計算機(9)的數據信號輸入/輸出端同時連接。3....

【專利技術屬性】
技術研發人員：張錦繡，俞陽，陳慶，曹喜濱，邱實，吳凡，張天赫，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江;23