面向超大型航天结构的虚实融合地面试验系统及方法

1.本发明属于航天动力学领域，涉及航天动力学的地面试验系统与方法，具体涉及一种面向超大型航天结构的虚实融合地面试验系统及方法。


背景技术：

2.超大型航天器将极大提升人类执行空间任务、利用空间资源和探索宇宙奥秘的能力。受火箭推力、整流罩包络的限制，超大型航天器往往无法通过单次发射入轨，需采用模块化设计、多次发射和在轨组装的方式进行建造。
3.超大型航天器在轨组装建造的过程复杂、风险大，地面动力学试验是检验此类复杂航天结构设计合理性、理论建模有效性的重要手段，是推动航天器在轨组装领域的基础研究成果走向航天工程实际应用的关键且必要的环节。除此之外，地面动力学试验的数据结果也是改进超大型航天器设计方案、检验组装任务可靠性指标的重要依据。
4.一方面，常规尺寸航天结构的地面动力学试验验证技术已较为成熟。通常采用气浮平台、多孔气足等方式抵消航天器或机械臂竖直方向上的重力影响，以模拟多臂航天器系统的移动、爬行等动作，以及空间结构抓捕、装配的过程。然而，超大型航天器结构尺寸在几十米以上，甚至达千米量级，远大于当前试验设备对被试对象几何尺寸和重量的约束，难以开展全尺寸结构的地面试验。
5.另一方面，虚实融合技术在可靠性试验领域也有所发展，通常利用虚拟场景生成不同工况的载荷对零部件进行加载，以评估零部件可靠性的指标。然而在航天动力学试验领域中，不仅涉及到虚拟场景对实际结构进行复杂的动力学加载，还需要将实际结构测得的振动以及界面力/力矩实时传递到虚拟场景中，以达到虚拟数字模型-实体物理模块的界面位移协调与界面力平衡条件，形成超大型航天结构虚实融合的组合体，如何实现上述目标尚未见文献发表或专利公开。
6.对超大型航天结构在轨组装动力学试验技术进行检索发现，当前世界各国尚无成熟的研究方案，国内外学术界和工业界也无公开发表的试验系统或方法。


技术实现要素：

7.本发明提供一种面向超大型航天结构的虚实融合地面试验系统及方法，突破当前航天动力学试验设备对被试对象几何尺寸、重量限制的难题，为超大型航天结构组装过程的地面动力学试验提供一种新的途径。
8.为实现上述目的，第一方面本发明提供一种面向超大型航天结构的虚实融合地面试验系统，其技术方案如下：一种面向超大型航天结构的虚实融合地面试验系统，包括虚拟数字模型、实体物理模块、虚实结构界面融合装置和组装机械臂。
9.所述虚实融合地面试验系统中，所述虚拟数字模型包括虚拟结构、界面力输入端口、界面位移输出端口；其中所述虚拟结构为超大型航天结构除去实体物理模块部分的动
力学模型；所述界面力输入端口用于接收试验过程中数据采集设备传递的界面力和力矩信号，并传递给虚拟结构作为外载荷输入；所述界面位移输出端口根据虚拟结构计算得到的界面位移和转角响应向虚实结构界面融合装置传递位移和转角信号。
10.上述虚拟数字模型中，所述虚拟结构采用高维的线性或者非线性的动力学方程进行描述，包含超大型航天结构的质量、阻尼、刚度分布以及几何尺寸信息。
11.上述虚拟数字模型中，所述虚拟结构使用固定界面模态截断的方法进行降阶，即在保留虚实连接界面结构自由度的前提下对虚拟结构的固定界面模态进行截断。
12.所述虚实融合地面试验系统中，所述实体物理模块包括多个待组装的子模块。
13.上述实体物理模块中，所述子模块为超大型航天器的局部真实结构，所述子模块由重力卸载装置进行支撑或者悬吊，以模拟航天结构在轨的“零重力”环境；上述实体物理模块中，所述子模块的支撑或者悬吊点可以在水平面内自由运动；所述实体物理模块中的子模块按照组装序列进行排列，其中第一子模块具备与虚实连接界面结构的组装接口。
14.所述虚实融合地面试验系统中，所述虚实结构界面融合装置包含实时控制设备、界面加载作动器、虚实连接界面结构、数据采集设备。
15.上述虚实结构界面融合装置中，所述实时控制设备接收虚拟数字模型提供的界面位移和转角响应信号，根据前馈-反馈、滞后补偿控制算法中的一种进行实时运算，向界面加载作动器发出信号指令，所述界面加载作动器带动所述虚实连接界面结构运动至指定的位置与转角；所述实时控制设备同时接收数据采集设备反馈得到的界面传感器信号。
16.上述虚实结构界面融合装置中，所述界面加载作动器包括多自由度机械臂、液压或者气动作动杆/作动筒、电磁激振器或者多自由度振动台中的一种或多种组合。
17.上述虚实结构界面融合装置中，所述虚实连接界面结构一端通过铰链与界面加载作动器相连，另一端具备法兰螺栓、多爪卡盘、多点锁合装置中的一种或多种接口。
18.上述虚实结构界面融合装置中，所述数据采集设备高速采集安装于虚实连接界面结构上传感器的响应，包括虚实连接界面结构的位移、转角、力和力矩传感器信号，也可能包括加速度信号和速度信号。
19.上述虚实结构界面融合装置中，所述数据采集设备将界面力信号进行模-数转换后传递给虚拟数字模型。
20.上述虚实结构界面融合装置中，所述数据采集设备同时采集安装于实体物理模块上的传感器信号，所述传感器包括实体物理模块中子模块的位置、振动加速度、姿态角传感器中的一种或多种。
21.上述虚实结构界面融合装置中，所述数据采集设备同时采集组装机械臂的传感器信号，所述传感器包括组装机械臂基座的空间位置传感器、机械臂各关节的转角传感器、末端夹爪的反作用力传感器中的一种或多种。
22.所述虚实融合地面试验系统中，所述组装机械臂包括爬行机械臂、飞行机械臂、移动机械臂中的一种或多种。
23.所述虚实融合地面试验系统中，所述虚拟数字模型和已组装的子模块通过虚实结构界面融合装置联动形成组合体。
24.当开启虚拟数字模型和虚实连接界面结构实时联动时，虚拟数字模型和已组装的
子模块在虚实连接界面结构的自由度上满足力平衡条件与位移协调条件。
25.所述虚实融合地面试验系统中，所述组装机械臂对子模块进行抓捕、运送和对接，以模拟超大型航天结构在轨组装的过程。
26.本发明第二方面，提供一种面向超大型航天结构的虚实融合地面试验方法，其包括以下步骤：s1.构建超大型航天结构的虚拟数字模型与实体物理模块；s2.构建虚实结构界面融合装置；s3.开启虚拟数字模型和虚实连接界面结构实时联动；s4.根据实体物理模块的组装序列，利用组装机械臂依次组装实体物理模块中的子模块；s5.关闭虚拟数字模型和虚实连接界面结构实时联动。
27.上述虚实融合地面试验方法中，所述步骤s1的具体步骤为：s1-1.对超大型航天结构的虚拟结构采用动力学方程进行建模，包括虚拟结构的结构动力学模型，也可能包括轨道动力学、姿态动力学的一种或多种动力学模型；s1-2.对虚拟结构的动力学模型进行降阶，即在保留虚实连接界面结构自由度的前提下对虚拟结构的固定界面模态进行截断；s1-3.构建实体物理模块，并将实体物理模块划分为n个子模块，n 取值为大于等于2。确定子模块的组装序列，并将子模块按照组装序列进行排列，其中第一个子模块具备与虚实连接界面结构的组装接口；s1-4.将传感器安装到各个子模块上，子模块上的传感器包括位置传感器、振动加速度传感器、姿态角传感器中的一种或多种；s1-5.将各个子模块用重力卸载装置进行悬吊或者支撑。
28.上述虚实融合地面试验方法中，所述步骤s2的具体步骤为：s2-1.构建实时控制设备、界面加载作动器、虚实连接界面结构、数据采集设备，连接虚实结构界面融合装置内部的信号线缆；s2-2.连接虚实结构界面融合装置与虚实数字模型、实体物理模块、组装机械臂的信号线缆。
29.上述虚实融合地面试验方法中，所述步骤s3的具体步骤为：s3-1.对降阶后的虚拟结构的动力学方程设置零初始条件，记设定的动力学方程的时间积分步长为
∆
t。
30.∆
t可以取0.1毫秒~1秒之间的一个时间步长，令初始时刻t=0；s3-2.在t时刻，通过界面力输入端口取界面力和力矩信号，通过虚拟结构的动力学方程计算得出虚实连接界面结构在t时刻的位移和转角；将计算得到的虚实连接界面结构的位移和转角指令传输给实时控制设备，实时控制设备根据控制算法给出控制信号并驱动界面加载作动器；界面加载作动器由铰链连接至虚实连接界面结构，带动连接界面结构运动至指定位置和转角；与此同时，安装于虚实连接界面结构上的传感器实时测量界面处的力和力矩，经数据采集设备模/数转换之后传递给界面力输入端口；s3-3.进行下一个时间步长的计算，令t=t+
∆
t；s3-4.循环步骤s3-2和步骤s3-3，此时虚拟数字模型与虚实连接界面结构实时联
动，满足界面力平衡条件与界面位移协调条件，形成虚实融合组合体。
31.上述虚实融合地面试验方法中，当步骤s4结束时所有实体物理模块中的子模块组装完成，虚拟数字结构和实体物理模块联动形成完整的超大型航天结构的组合体；上述虚实融合地面试验方法中，步骤s5在关闭虚实结构界面融合装置后，实时控制设备和界面加载作动器均不再工作，虚拟数字模型也不再读取端口数据或进行时间积分计算。
32.与现有技术相比，本发明的优点及有益效果为：1、本发明公开一种面向超大型航天结构的虚实融合地面试验系统，该系统由虚拟数字模型、实体物理模块、虚实结构界面融合装置、组装机械臂四个主要的部分组成，其中虚拟数字模型和已组装的子模块通过虚实结构界面融合装置联动形成超大型航天结构的组合体。该试验系统能够在较好地保障超大型结构动力学特性天地一致性的同时解决当前航天动力学地面试验装置对被试对象几何尺寸和重量限制的难题。
33.2、本发明适用范围广，可以模拟多种航天结构在轨组装场景，可以模拟超大型航天结构组装过程的多个阶段，同时兼容多种组装机械臂的操作。
34.3、本发明模拟精度高，本发明公开的虚实融合试验方法首先对超大型航天器划分了虚拟结构与实体物理模块两个部分。所述虚拟结构部分为超大型航天器整体结构中易于建模且建模精度较高的部分，建立虚拟结构的高精度动力学模型；所述实体物理模块部分为建模难度大的部分，研制实际尺寸的子模块，真实的反映了航天结构的动力学特性。在此基础上，采用所述虚实结构界面融合装置联动将上述高精度的虚拟数字模型和已组装的子模块联动形成虚实融合组合体，精准的模拟了超大型航天结构在轨组装过程的动力学特性。
附图说明
35.图1 为本发明面向超大型航天结构在轨组装的虚实融合地面试验系统第一个实施例图；图2 为本发明面向超大型航天结构在轨组装的虚实融合地面试验系统第二个实施例图；图3 为基于本发明的一个面向超大型航天结构在轨组装过程动力学试验方法的一个实施例图。
具体实施方式
36.为了使本发明的目的、技术方案、优点及有益效果更加清晰，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
37.实施例1请参见图1，一种面向超大型空间太阳能电站在轨组装动力学的虚实融合地面试验系统，包括虚拟数字模型101、实体物理模块102、虚实结构界面融合装置103和组装机械臂104。
38.所述虚实融合地面试验系统中，所述虚拟数字模101型包括虚拟结构112、界面力输入端口113、界面位移输出端口111；其中所述虚拟结构112为超大型空间太阳能电站主桁
架的动力学模型；所述界面力输入端口113用于接收试验过程中数据采集设备134传递的界面力和力矩信号，并传递给虚拟结构112作为外载荷输入；所述界面位移输出端口111根据虚拟结构112计算得到的界面位移和转角响应向虚实结构界面融合装置103传递位移和转角信号。
39.上述虚拟数字模型101中，所述虚拟结构112采用有限元方法进行建模，获得了高维的线性动力学微分方程组，包含超大型空间太阳能电站主桁架的质量矩阵、刚度矩阵，结构的各阶模态阻尼比取为0.5%。
40.上述虚拟数字模型101中，所述虚拟结构112使用固定界面模态截断的方法进行降阶，即在保留虚实连接界面结构133自由度的前提下对虚拟结构112的固定界面模态进行截断，截断阶次取为12，包含了超大型空间太阳能电站主桁架的6个刚体模态与6个低阶柔性模态。
41.所述虚实融合地面试验系统中，所述实体物理模块102包括多个待组装的子模块，分别为第一子模块121、第二子模块122和第三子模块123。
42.上述实体物理模块102中，所述第一子模块121为超大型空间太阳能电站的拓展桁架模块，所述第二子模块122为太阳能帆板模块，所述第三子模块123为另一个太阳能帆板模块。所述子模块由重力卸载装置进行悬吊，以模拟航天结构在轨的“零重力”环境；上述实体物理模块102中，所述第一子模块121、第二子模块122和第三子模块123的悬吊点均可以在水平面内自由运动；所述实体物理模块102中的子模块按照组装序列进行排列，确定子模块的组装序列为：第一子模块121与虚实连接界面结构133组装、第二子模块122与第一子模块121组装、第三子模块123也与第一子模块121组装。
43.所述虚实融合地面试验系统中，所述虚实结构界面融合装置103包含实时控制设备131、界面加载作动器132、虚实连接界面结构133、数据采集设备134。
44.上述虚实结构界面融合装置103中，所述实时控制设备131接收虚拟数字模型101提供的界面位移和转角响应信号，根据前馈-反馈控制算法进行实时运算，向界面加载作动器132发出信号指令，所述界面加载作动器132带动所述虚实连接界面结构133运动至指定的位置与转角。所述实时控制设备131同时接收数据采集设备134反馈得到的界面传感器信号。
45.上述虚实结构界面融合装置103中，所述界面加载作动器132由6个电磁激振器组合成stewart构型。
46.上述虚实结构界面融合装置103中，所述虚实连接界面结构133一端通过铰链与界面加载作动器132相连，另一端具备多点锁合接口，可以与第一子模块121进行组装。
47.上述虚实结构界面融合装置103中，所述数据采集设备134高速采集安装于虚实连接界面结构133上传感器的响应，所述传感器包括位移、转角、力和力矩传感器。
48.上述虚实结构界面融合装置103中，所述数据采集设备134将界面力信号进行模-数转换后传递给虚拟数字模型101。
49.上述虚实结构界面融合装置103中，所述数据采集设备134同时采集安装于实体物理模块102上的传感器信号，包括子模块的位置、振动加速度、姿态角传感器信号。
50.上述虚实结构界面融合装置103中，所述数据采集设备134同时采集组装机械臂104的传感器信号，所述传感器包括组装机械臂104基座的空间位置传感器、机械臂各关节
的转角传感器和末端夹爪的反作用力传感器。
51.所述虚实融合地面试验系统中，所述组装机械臂104为移动机械臂。
52.所述虚实融合地面试验系统中，所述虚拟数字模型101和已组装的子模块通过虚实结构界面融合装置103联动形成组合体。
53.当开启虚拟数字模型101和虚实连接界面结构133实时联动时，虚拟数字模型101和已组装的子模块在虚实连接界面结构133的自由度上满足力平衡条件与位移协调条件。
54.所述虚实融合地面试验系统中，所述组装机械臂104依次对第一子模块121、第二子模块122、第三子模块123进行抓捕、运送和对接，以模拟超大型航天结构在轨组装的过程。
55.实施例2图2为本发明面向超大型航天结构在轨组装的虚实融合地面试验系统另一个实施例。本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例搭建了超大型张拉整体伸展臂在轨组装的虚实融合地面试验系统，包括虚拟数字模型201、实体物理模块202、虚实结构界面融合装置203和组装机械臂204。
56.所述虚实融合地面试验系统中，所述虚拟数字模201型包括虚拟结构212、用于界面力输入和界面位移输出的多功能输入输出端口211；其中所述虚拟结构212为超大型张拉整体伸展臂除去实体物理模块202部分以外的结构动力学模型。
57.所述虚实融合地面试验系统中，所述实体物理模块202包括子模块221、子模块222和子模块223。其中，子模块221通过软弹簧224悬吊于支架227上的一个滑车，子模块222通过软弹簧225悬吊于支架227上的第二个滑车，子模块223通过软弹簧226悬吊于支架227上的第三个滑车。支架227上的三个滑车均可在水平面内自由运动。
58.上述实体物理模块202中，子模块221、子模块222、子模块223为三个张拉整体伸展臂单元，每个单元为长5米、宽0.5米、高0.5米的可折展棱柱型结构。确定子模块的组装序列为：子模块221与虚实连接界面结构233组装，子模块222与子模块221组装，子模块223与子模块222组装。
59.所述虚实融合地面试验系统中，所述虚实结构界面融合装置203包含实时工控机231、界面加载作动器232、虚实连接界面结构233；所述实时工控机231为包含实时控制设备和数据采集设备的一体机。
60.所述虚实融合地面试验系统中，所述组装机械臂204为带移动底盘的七自由度机械臂。
61.所述虚实融合地面试验系统中，所述虚拟数字模型201和当前已组装的子模块221以及子模块222通过虚实结构界面融合装置203联动形成组合体，在虚实连接界面结构233的6个自由度上满足力平衡条件与位移协调条件。
62.所述虚实融合地面试验系统中，所述组装机械臂204正在对子模块223进行抓捕、运送和对接，以模拟超大型张拉整体伸展臂的在轨组装的过程。
63.实施例3请参见图1和图3，一种面向超大型空间太阳能电站在轨组装动力学的虚实融合地面试验方法，其包括以下步骤：s1.构建超大型空间太阳能电站的虚拟数字模型101与实体物理模块102；所述步
骤s1的具体步骤为：s1-1.选取超大型空间太阳能电站为研究对象，划分空间太阳能电站除去一个拓展桁架和两个太阳能帆板的其余部分为虚拟结构112。采用有限单元法对虚拟结构112的动力学方程进行建模，动力学方程中各阶模态阻尼比取为0.5%。
64.s1-2.对虚拟结构112的动力学模型采用固定界面子结构方法进行降阶，保留虚实连接界面结构6个自由度的前提下对虚拟结构的固定界面模态进行截断，截断的阶次选为12；s1-3.构建超大型空间太阳能电站的实体物理模块102，并将实体物理模块102划分三个子模块。其中，第一子模块121为空间太阳能电站的一个拓展桁架，第二子模块122为第一个太阳能帆板，第三子模块123为第二个太阳能帆板。确定子模块的组装序列为：第一子模121块与虚实连接界面结构133组装，第二子模块122与第一子模块组装121，第三子模块123也与第一子模块121组装。将子模块按照第一子模块121、第二子模块122、第三子模块123的组装序列进行排列。s1-4.将动作捕捉系统的标志点安装到各个子模块上；s1-5.将各个子模块用重力卸载装置进行悬吊，模拟航天结构在轨“零重力”环境。
65.s2.构建虚实结构界面融合装置103，所述步骤s2的具体步骤为：s2-1.选用实时控制设备131、选用六自由度stewart平台作为界面加载作动器132、选用桁架接口作为虚实连接界面结构133、选用64通道数据采集设备134，连接虚实结构界面融合装置103内部的信号线缆；s2-2.连接虚实结构界面融合装置103与虚实数字模型101、实体物理模块102、组装机械臂104的信号线缆。
66.s3.开启虚拟数字模型101和虚实连接界面结构133实时联动；步骤s3的具体步骤为：s3-1.对降阶后的虚拟结构112的动力学方程设置零初始条件，记设定的动力学方程时间积分步长为
ꢀ∆
t =1 ms，令初始时刻t=0；s3-2.在t时刻，通过界面力输入端口113取界面力和力矩信号，通过虚拟结构112计算得出虚实连接界面结构133在t时刻的位移和转角；将虚实连接界面结构133的位移和转角指令传输给实时控制设备131，实时控制设备131根据控制算法给出控制信号并驱动界面加载作动器132；界面加载作动器132由铰链连接至虚实连接界面结构133，带动连接界面结构133运动至指定位置和转角；与此同时，安装于虚实连接界面结构133上的传感器实时测量界面处的力和力矩，经数据采集设备134模/数转换之后传递给界面力输入端口113；s3-3.进行下一个时间步长的计算，令t=t+
∆
t；s3-4.循环步骤s3-2和步骤s3-3，此时虚拟数字模型101与虚实连接界面结构133实时联动，形成虚实融合组合体。
67.s4.根据实体物理模块的组装序列，利用组装机械臂依次组装实体物理模块102中的三个子模块；上述虚实融合地面试验方法中，当步骤s4结束时所有实体物理模块102中的子模块组装完成，虚拟数字结构101和实体物理模块102联动形成完整的超大型航天结构的组合体；
s5.关闭虚拟数字模型101和虚实连接界面结构133实时联动。
68.上述虚实融合地面试验方法中，步骤s5在关闭虚实结构界面融合装置103后，实时控制设备131和界面加载作动器132均不再工作，虚拟数字模型101也不再读取端口数据或进行时间积分计算。
69.实施例4请参见图2和图3，一种面向超大型张拉整体伸展臂在轨组装动力学的虚实融合地面试验方法的另一个实施例。与实施例3相比，本实施例的不同之处在于：在第s1-1子步骤中，选取超大型张拉整体伸展臂为试验对象，将超大型张拉整体伸展臂去除三个张拉整体伸展臂单元的其余部分划分为虚拟结构212。采用有限单元法对虚拟结构212的动力学方程进行建模，动力学方程中各阶模态阻尼比取为0.5%。
70.在第s1-3子步骤中，构建超大型张拉整体伸展臂的实体物理模块，并将实体物理模块划分三个子模块。其中，子模块221为第一伸展臂，子模块222为第二伸展臂，子模块223为第三伸展臂。确定子模块的组装序列为：子模块221与虚实连接界面结构233组装，子模块222与子模块221组装，子模块223与子模块222组装，形成串联的组装序列。将子模块按照子模块221、子模块222、子模块223的顺序进行排列。本实施例的其他的步骤与参数选择与实施例3一致。
71.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种面向超大型航天结构的虚实融合地面试验系统，其特征在于，包括虚拟数字模型、实体物理模块、虚实结构界面融合装置和组装机械臂；所述虚拟数字模型包括虚拟结构、界面力输入端口、界面位移输出端口；所述实体物理模块包括多个待组装的子模块；所述虚实结构界面融合装置包括实时控制设备、界面加载作动器、虚实连接界面结构、数据采集设备；所述组装机械臂包括爬行机械臂、飞行机械臂、移动机械臂中的一种或多种；所述虚拟数字模型和已组装的子模块通过虚实结构界面融合装置联动形成组合体；所述组装机械臂对待组装的子模块进行抓捕、运送和对接，以模拟超大型航天结构在轨组装的过程。2.根据权利要求1所述的虚实融合地面试验系统，其特征在于，所述虚拟结构为超大型航天结构除去实体物理模块部分的动力学模型；所述界面力输入端口用于接收试验过程中数据采集设备传递的界面力和力矩信号，并传递给虚拟结构作为外载荷输入；所述界面位移输出端口根据虚拟结构计算得到的界面位移和转角响应向虚实结构界面融合装置传递位移和转角信号。3.根据权利要求1所述的虚实融合地面试验系统，其特征在于，所述实体物理模块的子模块为超大型航天器的局部真实结构，所述子模块由重力卸载装置进行支撑或者悬吊，以模拟航天结构在轨的“零重力”环境。4.根据权利要求1所述的虚实融合地面试验系统，其特征在于，所述实时控制设备接收虚拟数字模型提供的界面位移和转角响应指令，根据实时控制算法驱动界面加载作动器；所述界面加载作动器带动所述虚实连接界面结构运动至指定的位置与转角；所述界面加载作动器包括多自由度机械臂、液压或者气动作动杆/作动筒、电磁激振器、多自由度振动台中的一种或多种组合；所述数据采集设备同步采集安装于所述虚实连接界面结构上传感器的信号，包括虚实连接界面结构的位移、转角、力、力矩传感器的信号，和/或包括加速度和速度传感器的信号。5.根据权利要求1所述的虚实融合地面试验系统，其特征在于，所述数据采集设备同时采集安装于所述实体物理模块上的传感器的信号，所述传感器包括实体物理模块中子模块的位置传感器、振动加速度传感器、姿态角传感器中的一种或多种；所述数据采集设备同时采集所述组装机械臂上的传感器的信号，所述传感器包括机械臂基座的空间位置传感器、机械臂各关节的转角传感器、机械臂各关节的反作用力矩传感器、末端夹爪反作用力传感器中的一种或多种。6.一种面向超大型航天结构的虚实融合地面试验方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.构建超大型航天结构的虚拟数字模型与实体物理模块；s2.构建虚实结构界面融合装置；s3.开启虚拟数字模型和虚实连接界面结构实时联动；s4.根据实体物理模块的组装序列，利用组装机械臂依次组装实体物理模块中的子模块；s5.关闭虚拟数字模型和虚实连接界面结构实时联动。7.根据权利要求6所述的虚实融合地面试验方法，其特征在于，所述步骤s1的具体步骤为：
s1-1.对超大型航天结构的虚拟结构采用动力学方程进行建模，包括虚拟结构的结构动力学模型、轨道动力学模型、姿态动力学模型的一种或多种；s1-2.对虚拟结构的动力学模型进行降阶，在保留虚实连接界面结构自由度的前提下对虚拟结构的固定界面模态进行截断；s1-3.构建实体物理模块，并将实体物理模块划分为n个子模块，n取值为大于等于2；确定子模块的组装序列，并将子模块按照组装序列进行排列，其中第一子模块具备与虚实连接界面结构的组装接口；s1-4.将传感器安装到各个子模块上，子模块上的传感器包括位置传感器、振动加速度传感器、姿态角传感器中的一种或多种；s1-5.将各个子模块用重力卸载装置进行悬吊或者支撑。8.根据权利要求6所述的虚实融合地面试验方法，其特征在于，所述步骤s2的具体步骤为：s2-1.构建实时控制设备、界面加载作动器、虚实连接界面结构、数据采集设备，连接虚实结构界面融合装置内部的信号线缆；s2-2.连接虚实结构界面融合装置与虚实数字模型、实体物理模块、组装机械臂的信号线缆。9.根据权利要求6所述的虚实融合地面试验方法，其特征在于，所述步骤s3的具体步骤为：s3-1.对降阶后的虚拟结构的动力学方程设置零初始条件，记动力学方程的时间积分步长为
∆
t，令初始时刻t=0；s3-2.在t时刻，通过界面力输入端口取界面力和力矩信号，通过虚拟结构的动力学方程计算得出虚实连接界面结构在t时刻的位移和转角；将计算得到的虚实连接界面结构的位移和转角指令传输给实时控制设备，实时控制设备根据控制算法给出控制信号并驱动界面加载作动器；界面加载作动器由铰链连接至虚实连接界面结构，带动虚实连接界面结构运动至指定位置和转角；与此同时，安装于虚实连接界面结构上的传感器实时测量界面处的力和力矩，经数据采集设备模/数转换之后传递给界面力输入端口；s3-3.进行下一个时间步长的计算，令t=t+
∆
t；s3-4.循环步骤s3-2和步骤s3-3，此时虚拟数字模型与虚实连接界面结构实时联动，满足界面力平衡条件与界面位移协调条件，形成虚实融合的组合体。10.根据权利要求6所述的虚实融合地面试验方法，其特征在于，当步骤s4结束时所有实体物理模块中的子模块组装完成，虚拟数字结构和实体物理模块联动形成完整的超大型航天结构的组合体；步骤s5在关闭虚实结构界面融合装置后，实时控制设备和界面加载作动器均不再工作，虚拟数字模型也不再读取端口数据或进行时间积分计算。

技术总结
本发明公开了一种面向超大型航天结构的虚实融合地面试验系统及方法，属于航天动力学试验领域。所述试验系统包括虚拟数字模型、实体物理模块、虚实结构界面融合装置、组装机械臂四个主要部分。所述虚拟数字模型包括虚拟结构、界面力输入端口和界面位移输出端口。所述实体物理模块包括多个待组装的子模块。所述虚实结构界面融合装置包括实时控制设备、界面加载作动器、虚实连接界面结构和数据采集设备。所述组装机械臂包括爬行机械臂、飞行机械臂、移动机械臂中的一种或多种。本发明的试验系统及方法克服了当前地面组装试验设备对被试对象几何尺寸以及重量限制的难题，具有适用范围广、模拟精度高、天地一致性好的优势。天地一致性好的优势。天地一致性好的优势。


技术研发人员：王兴 蒋建平 吴志刚
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/5/5