嫦娥五号采样封装系统设计与实现

嫦娥五号探测器成功实现了中国首次月球无人采样返回任务,采样封装是任务的重要环节之一,先后获取了深度剖面和多点表面月球样品,并完成了月球样品的极低漏率密封.本文首先分析了嫦娥五号采样封装工作的任务特点,论述了高可靠采样、非定结构封装、关键环节测量、系统集成验证、在轨操控等关键技术的实现方案,阐述了采样封装产品的技术特点,并对月面采样封装期间的钻取采样、表取采样、密封封装等在轨实施情况进行了总结.月面采样封装工作结果表明,采样封装系统方案设计正确、地面验证充分、器地一体化操控高效,圆满完成了我国首次月面采样封装工作.

月面采样封装操控系统方案设计与实现

为确保嫦娥五号探测器月面无人采样封装任务的顺利实施,需要在有限的时间内操控航天器上复杂的采样封装机构和设备在不确知的环境中完成月面样品的采集和封装.为解决这一难题,本文提出了一种"近程验证-远程操控"的天地一体化双边型月面采样封装操控系统的设计方案,通过建立状态空间模型,推导并分析了系统的状态转移影响因素,给出了基于状态驱动的自主操控实施方法.验证试验证明,操控系统设计是正确有效的,在本操控系统的支持下,嫦娥五号顺利完成了我国首次月面无人采样封装任务.

用于月壤采样试验验证机构的运动学分析

以月壤采样封装专项试验验证为基础,设计了一套实现姿态调整的3自由度并联机构.根据机构运动特点利用修正的G-K公式求解机构自由度.建立机构封闭矢量图求解得到运动学逆解,得到3根驱动杆杆长.用1阶影响系数法求解机构速度雅可比矩阵.采用Adams与Matlab对比验证该机构的运动学逆解的正确性;采用牛顿-迭代法求解机构运动学正解,并借助于激光跟踪仪测试以验证求解正解的正确性.结果表明,a、b角度误差为0.02°,z方向的误差为0.01mm,该机构可满足开展相关采样封装专项试验验证的要求.

应用改进蚁群算法的月壤采样试验机构运动学优化

为了使探月工程采样封装模拟试验能得到更加准确的数据,需要对试验装置3-UPS/PU的控制非常精确,因此针对该机构提出了一种精度很高的运动学正解算法,将求解正解方程组转化为求解最小值问题,推导出可用于求解运动学正解的蚁群算法模型,并针对连续蚁群算法存在的缺陷进行了改进。运用该算法计算了3-UPS/PU的运动学正解,并同传统Newton-Raphson做了对比,证明该算法不受初值的影响,并且有良好的全局寻优能力和较高的精度,是一种具有高精度的能高速求解机构运动学正解的高效方法,对实验的顺利进行有一定的指导作用。

采用视觉伺服的月球样品容器夹持控制方法

嫦娥五号探测器月面采样封装任务需利用采样机械臂及其末端执行机构夹持样品容器,为克服非结构化月面环境对机械臂控制造成的不可知影响,确保精确夹持样品容器,提出并设计了一种视觉伺服样品容器夹持的控制方法和系统。系统通过固定安装相机和“眼在手”相机协同获取机械臂末端执行机构以及样品容器特征,采用扩展卡尔曼滤波算法对机械臂末端执行机构位姿的控制参数进行估计,消除控制位姿的轨迹抖动,实现了对样品容器的精确夹持。最后,通过分析在轨月球样品容器被夹持过程的数据和图像,验证了该视觉伺服控制方法和系统设计正确有效。