基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置及控制方法

技术领域

本申请涉及微纳航天器对接技术领域，特别是涉及一种基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置及控制方法。

背景技术

随着MEMS、航天器、在轨操控等技术以及商业航天迅猛发展，微纳航天器在轨应用前景广阔；此外，基于微纳航天器在轨组装形成超大型航天机构正成为航天发展新模式，在2020年中国航天大会上被列为宇航领域十大科学问题和技术难题之一。然而，限于质量、体积、功耗及星上处理能力等限制，微纳航天器之间组装、微纳航天器与母航天器对接等都需考虑微纳航天器的相关约束。

航天器电磁对接技术具有不消耗推进剂、无羽流污染、连续/可逆/同步控制等能力，近十余年来已经建立了相关动力学模型、构建了部分测试装置、开展了初步地面试验。然而，目前的电磁对接装置基本采用直螺线管阵列模式，仅利用直螺线管一端的磁场，并且螺线管周围存在的漏磁会对航天器上的电子设备产生一定干扰。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够充分利用螺线管磁场、适应微纳航天器应用环境限制的一种基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置及控制方法。

一种基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置，包括一个以上的U形电磁螺线管。U形电磁螺线管包括第一端直螺线管、第二端直螺线管、底部直螺线管，底部直螺线管的两端通过两个铁芯倒角分别连接第一端直螺线管和第二端直螺线管，U形电磁螺线管的两个端面位于微型自主电磁对接装置的对接面上。

第一端直螺线管和第二端直螺线管的线圈厚度和铁芯半径是根据预设的微纳航天器参数和预设磁力需求上限确定；微纳航天器参数包括，质量上限、尺寸上限和功率上限。

底部直螺线管的长度根据预设的微纳航天器参数和预设磁场作用距离下限确定。

其中一个实施例中，第一端直螺线管和第二端直螺线管的结构相同，两个铁芯倒角的结构相同。

其中一个实施例中，U形电磁螺线管的数量为3个，U形电磁螺线管的设置方向相同，U形电磁螺线管构成等腰三角形，等腰三角形的底边的2个U形电磁螺线管的底部直螺线管的中轴位于同一条直线上，等腰三角形的底边长大于U形电磁螺线管的宽度的两倍，等腰三角形的高满足：

其中，h为等腰三角形的高，2l

一种基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接控制方法，第一装置为上述任意一个实施例提供的基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置，第二装置为上述任意个实施例提供的基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置，所述方法包括：

根据预设的磁极排列方式对第一装置的U形电磁螺线管上电。

反转该磁极排列方式的磁极得到反转磁极排列方式，根据反转磁极排列方式对第二装置的U形电磁螺线管上电。

其中一个实施例中，预设的磁极排列方式为：第一装置的U形电磁螺线管的第一端直螺线管的磁极为N级。

其中一个实施例中，反转磁极排列方式的磁极得到反转磁极排列方式，根据反转磁极排列方式对第二装置的U形电磁螺线管上电，以使第一装置的对接面与第二装置的对接面连接的步骤之后，还包括：

获取第一装置和第二装置之间的对接距离。

当对接距离大于第一预设值时，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为预设的加速阶段电磁磁矩值。

当对接距离小于第一预设值且大于第二预设值时，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为0。

当对接距离小于第二预设值时，反转第二装置的磁极，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为预设的减速阶段电磁磁矩值。

一种基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接控制设备，第一装置为上述任意一个实施例提供的基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置，第二装置为上述任意个实施例提供的基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置，所述设备包括：

第一装置上电模块，用于根据预设的磁极排列方式对第一装置的U形电磁螺线管上电。

第二装置上电模块，用于反转磁极排列方式的磁极得到反转磁极排列方式，根据反转磁极排列方式对第二装置的U形电磁螺线管上电，以使第一装置的对接面与第二装置的对接面连接。

其中一个实施例中，还包括分段磁矩控制模块，用于获取第一装置和第二装置之间的对接距离。当对接距离大于第一预设值时，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为预设的加速阶段电磁磁矩值。当对接距离小于第一预设值且大于第二预设值时，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为0。当对接距离小于第二预设值时，反转第二装置的磁极，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为预设的减速阶段电磁磁矩值。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

根据预设的磁极排列方式对第一装置的U形电磁螺线管上电。

反转该磁极排列方式的磁极得到反转磁极排列方式，根据反转磁极排列方式对第二装置的U形电磁螺线管上电。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据预设的磁极排列方式对第一装置的U形电磁螺线管上电。

反转该磁极排列方式的磁极得到反转磁极排列方式，根据反转磁极排列方式对第二装置的U形电磁螺线管上电。

上述基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置、控制方法、设备、计算机设备和存储介质，其U形电磁螺线管包括第一端直螺线管、第二端直螺线管、底部直螺线管，底部直螺线管的两端通过两个铁芯倒角分别连接第一端直螺线管和第二端直螺线管，U形电磁螺线管的两个端面位于微型自主电磁对接装置的对接面上。根据预设的微纳航天器参数和预设磁力需求上限确定第一端直螺线管和第二端直螺线管的线圈厚度和铁芯半径，根据预设的微纳航天器参数和预设磁场作用距离下限确定底部直螺线管的长度。基于上述U形电磁螺线管的设计方式，本申请基于微纳航天器对质量、尺寸和磁力大小的约束设计对接装置，能够充分利用螺线管两端的磁力，并且在电流相同的情况下增大对接装置的磁力，增大对接装置的初始作用距离；还能将磁场约束于螺线管内部及进行对接的航天器之间，避免漏磁对航天器电子环境的干扰。

附图说明

图1为一个实施例中U形电磁螺线管的结构示意图；

图2为一个实施例中基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置的结构示意图；

图3为一个实施例中基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置的电磁力幅值仿真结果图；

图4为另一个实施例中基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置的磁极排列方式示意图；

图5为二维平面两条形磁铁相互作用的自对准、半自对准及排斥区域分布示意图；

图6为一个实施例中对进行对接的两个微纳航天器建立的坐标系示意图；

图7为一个实施例中采用的分段常值磁矩控制策略示意图；

图8为一个实施例中在分段常值磁矩控制策略下的电磁力变化示意图；

图9为一个实施例中在分段常值磁矩控制策略下的两个微纳航天器的相对位置/速度变化示意图；

图10为一个实施例中计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中提供了一种基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置，包括如图1所示的U形电磁螺线管。U形电磁螺线管包括第一端直螺线管、第二端直螺线管、底部直螺线管。

第一端直螺线管包括铁芯1011和线圈1012，第二端直螺线管包括铁芯1021和线圈1022，底部直螺线管包括铁芯1031和线圈1032。底部直螺线管的两端通过铁芯倒角1041和铁芯倒角1042分别连接第一端直螺线管和第二端直螺线管。U形电磁螺线管的两个端面位于微型自主电磁对接装置的对接面105上。

其中，第一端直螺线管和第二端直螺线管的线圈厚度和铁芯半径是根据预设的微纳航天器参数和预设磁力需求上限确定。微纳航天器参数包括，质量上限、尺寸上限和功率上限。底部直螺线管的长度根据预设的微纳航天器参数和预设磁场作用距离下限确定。

具体地，根据微纳航天器质量、体积、功耗约束要求，可以确定对基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置的设计要求，从而确定对U形螺线管的质量和尺寸的上限要求。另一方面，由直螺线管电磁场性能分析可知，第一端直螺线管和第二端直螺线管的铁芯半径及线圈厚度越大，产生的电磁力数值越大，两者对作用力增加的正相关曲率不一样，对质量增加的影响也不一样。而底部直螺线管起承接磁通传递及总磁场加强的作用，其线圈厚度一定程度上受第一端直螺线管和第二端直螺线管的物理参数影响。并且底部直螺线管的长度影响第一端直螺线管和第二端直螺线管的间距，从而影响该U形螺线管的作用距离，第一端直螺线管和第二端直螺线管的间距与U形螺线管的磁场作用距离成正比。具体来说，U形螺线管两端间距增大有助于磁场向远处延伸，但磁场本身幅值有限，随着U形螺线管两端间距增大，磁场延伸能力的增加趋势逐步减缓，以致最终收敛。铁芯倒角的作用是方便加工且避免连接处断裂，同时也可以调节第一端直螺线管和第二端直螺线管的间距。

从上面的分析可以知道，在微纳航天器对质量、尺寸和功率限制的条件下，要提供满足对接需求的电磁对接装置，需要对U形螺线管的质量和尺寸进行对应的优化设计。本实施例中对为U形螺线管的质量限制为5/3，尺寸限制为10cm×10cm×6cm，功率限制为线圈通电电流不大于5A。对微型自主电磁对接装置的电磁力要求为同样距离下电磁力数值追求最大，且具备一定电磁力矩作用能力。为简化装置结构，U形螺线管的第一端直螺线管和第二端直螺线管的物理参数一致，两个铁芯倒角的物理参数一致。分别进行每段电磁螺线管质量计算：

其中，M为螺线管质量，L为螺线管铁芯长度，ρ

上述实施例提供的基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置，使用U形电磁螺线管的磁场约束于螺线管内部，因此本实施例提供的微型自主电磁对接装置在分别安装于两个微纳航天器上用于对接时，发出磁场的两端都用于产生对接磁力，避免了直螺线管有一端未用于对接而使磁场发散(并多数情况下发散的磁场指向对接装置所在的微纳航天器)，影响微纳航天器电子器件工作的情况；此外，U形电磁螺线管使用相同的电流可以比直螺线管提供更强的磁力，因此在螺线管一端磁场强度相同的情况下，其作用距离更远，能够使电磁对接系统具有更强的初始容错能力；最后，U形螺线管使用两端进行对接，使对接装置能够通过控制电流方向改变端头的磁极性，而可以实现对两个微纳航天器的对接方向控制。

其中一个实施例中，U形电磁螺线管的数量为2个以上，通过增加对接端的数量可以增加对接面的稳定性，加大对接磁力，提供更多的微纳航天器姿态调整可能性。

其中一个实施例中，U形电磁螺线管的数量为3个，U形电磁螺线管的设置方向相同，U形电磁螺线管构成等腰三角形，等腰三角形的底边的2个U形电磁螺线管的底部直螺线管的中轴位于同一条直线上，等腰三角形的底边长大于U形电磁螺线管的宽度的两倍，等腰三角形的高满足：

其中，h为等腰三角形的高，2l

具体地，如图2所示，U形电磁螺线管的宽度2l

根据三角形底边两个U形电磁螺线管的宽度约束可得：

设U形电磁螺线管A1的第二端直螺线管(磁极标注为S)坐标为(l

即可知等腰三角形的高：

基于前述实施例中数据2l

l

基于前述实施例中U型螺线管物理参数(尺寸、质量、匝数为500)，设定线圈电流为5A，使用本实施例提供的两个微型自主电磁对接装置正对，步长取5cm，基于AnsoftMaxwell有限元软件计算50cm～0cm范围内的轴向电磁力(仿真结果如图3所示)与磁场强度分布。可以看到，对接装置的电磁力幅值得到数量级的提升。

本实施例提供的一种基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置，由3组U型螺线管构成，具有对接偏差自主修正能力，具有自稳定性，且稳定能力大于直螺线管的2倍以上。

其中一个实施例中，提供了一种基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接控制方法，第一装置为上述任意一个实施例提供的基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置，第二装置为上述任意一个实施例提供的基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置，所述方法包括：

根据预设的磁极排列方式对第一装置U形电磁螺线管上电。

反转该磁极排列方式的磁极得到反转磁极排列方式，根据反转磁极排列方式对第二装置的U形电磁螺线管上电。

具体地，采用上述上电方式，将第一装置和第二装置分别安装在需要对接的两个微纳航天器上，通过磁极相反的上电方式，可以确保第一装置和第二装置以镜像对称的方式对接，利于控制微纳航天器的对接方向。

其中一个实施例中，第一装置中U形电磁螺线管的数量为3个，分别为A1、A2和A3，第二装置中U形电磁螺线管的数量为3个，分别为B1、B2和B3。预设的磁极排列方式为：第一装置的3个U形电磁螺线管的第一端直螺线管的磁极均为N级。

具体地，根据不同的磁极组合方式，第一装置和第二装置的磁极排列方式有4种，如图4所示。综合考虑电磁力幅值及其衰减速率因素，上电模式1可以确保第一装置中每组U型螺线管流出来的磁力线尽量到达第二装置，避免微型自主电磁对接装置内部的各个U形电磁螺线管间形成闭合回路，提高磁力的利用效率。当然，如果考虑控制能力的多元性以及磁力矩控制需求等其他因素，上电模式2至4也是可行选项。

其中一个实施例中，反转磁极排列方式的磁极得到反转磁极排列方式，根据反转磁极排列方式对第二装置的3个U形电磁螺线管分别上电，以使第一装置的对接面与第二装置的对接面连接的步骤之后，还包括：

获取第一装置和第二装置之间的对接距离。

当对接距离大于第一预设值时，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为预设的加速阶段电磁磁矩值。

当对接距离小于第一预设值且大于第二预设值时，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为0。

当对接距离小于第二预设值时，反转第二装置的磁极，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为预设的减速阶段电磁磁矩值。

具体地，电磁场作用具有自对准/自对接特性，体现为满足一定初始相对位置与姿态条件下，两磁偶极子姿态最终指向一致且与其质心连线平行(自对准特性)，各磁偶极子所受合力指向另一磁偶极子质心(自对接特性)。以二维平面两条形磁铁相互作用为例，给定初始姿态指向平行条件，存在自对准、半自对准及排斥等3个区域，如图5所示。对一般指向的电磁偶极子作用而言，基于自对准/自对接特性的纯速度控制尤为关键：只要两个微纳航天器间相对运动状态满足自对准/自对接空间约束即可自主完成对接，星载控制系统仅需调节两微纳航天器间相对速度即可进一步实现自主柔性对接，可大大减轻星载计算及控制系统负担，这对于有限计算资源的微纳航天器是必要的，而且具有显著控制鲁棒性。

基于电磁场作用的自对准/自对接特性，针对微纳航天器V-bar对接任务，设计分段常值磁矩控制方法。

首先建立动力学模型。选取两微纳航天器质心“CM”建立Hill坐标系o

式中，(x

随后对动力学模型进行简化。不考虑其他干扰力作用，设定A和B微纳航天器沿V-bar方向对接(轨道速度方向，即o

则，动力学模型式可简化为

第三步进行电磁力模型计算。给定A和B微纳航天器电磁磁矩(μ

考虑两对接端口始终正对，则μ

最后，根据上述分析设计分段常值磁矩控制方法。综合考虑电磁力作用的强非线性(具体表现为远距离电磁操控能力不足、近距离电磁力对相对距离变化高度敏感)、电磁控制消耗电能的优化需求、在轨对接任务测控弧段的有限性、电磁对接的自对准/自对接特性、电磁排斥的发散特性、地磁力矩干扰影响等，设计分段常值磁矩控制策略如图7所示，对应的电磁力变化及相对位置/速度变化如图8和图9所示。图7中，阶段1即对接距离大于第一预设值时，采用电磁吸引模式，考虑该阶段两微纳航天器相距较远，取加速阶段电磁磁矩值为μ

本实施例提供一种基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接控制方法，基于电磁自对准/自对接特性实现，鲁棒性强、操控简单，可用于实现自主柔性对接。

其中一个实施例中，提供了一种基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接控制设备，第一装置为上述任意一个实施例提供的基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置，第二装置为上述任意个实施例提供的基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置，所述设备包括：

第一装置上电模块，用于根据预设的磁极排列方式对第一装置的U形电磁螺线管上电。

第二装置上电模块，用于反转磁极排列方式的磁极得到反转磁极排列方式，根据反转磁极排列方式对第二装置的U形电磁螺线管上电，以使第一装置的对接面与第二装置的对接面连接。

其中一个实施例中，还包括分段磁矩控制模块，用于获取第一装置和第二装置之间的对接距离。当对接距离大于第一预设值时，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为预设的加速阶段电磁磁矩值。当对接距离小于第一预设值且大于第二预设值时，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为0。当对接距离小于第二预设值时，反转第二装置的磁极，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为预设的减速阶段电磁磁矩值。

关于控制方法和控制设备的具体限定可以参见上文中对于一种基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接装置的限定，在此不再赘述。上述一种基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接控制设备中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图10所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于U形电磁螺线管的微型自主电磁对接控制方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图10中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

根据预设的磁极排列方式对第一装置的U形电磁螺线管上电。

反转该磁极排列方式的磁极得到反转磁极排列方式，根据反转磁极排列方式对第二装置的U形电磁螺线管上电。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：获取第一装置和第二装置之间的对接距离。当对接距离大于第一预设值时，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为预设的加速阶段电磁磁矩值。当对接距离小于第一预设值且大于第二预设值时，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为0。当对接距离小于第二预设值时，反转第二装置的磁极，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为预设的减速阶段电磁磁矩值。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据预设的磁极排列方式对第一装置的U形电磁螺线管上电。

反转该磁极排列方式的磁极得到反转磁极排列方式，根据反转磁极排列方式对第二装置的U形电磁螺线管上电。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：获取第一装置和第二装置之间的对接距离。当对接距离大于第一预设值时，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为预设的加速阶段电磁磁矩值。当对接距离小于第一预设值且大于第二预设值时，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为0。当对接距离小于第二预设值时，反转第二装置的磁极，将第一装置和第二装置的电磁磁矩值设置为预设的减速阶段电磁磁矩值。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。