基于類桿錐機(jī)構(gòu)的航天器對(duì)接動(dòng)力學(xué)與組合控制.pdf

1、在軌服務(wù)是空間探索和應(yīng)用發(fā)展的必然趨勢(shì)。當(dāng)前，在軌服務(wù)以其能夠提供的功能和巨大應(yīng)用前景而受到各國航天界的廣泛關(guān)注。本文由在軌服務(wù)需求出發(fā)，深入研究了實(shí)現(xiàn)在軌服務(wù)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括航天器自主對(duì)接、航天器在軌組合后的質(zhì)量特性辨識(shí)以及組合控制。主要研究內(nèi)容包括：
　　在系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外在軌服務(wù)發(fā)展歷史、分析在軌服務(wù)前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，提出了以在軌服務(wù)為基礎(chǔ)的航天器設(shè)計(jì)模式。通過分析在軌服務(wù)成本模型、需求驅(qū)動(dòng)與關(guān)鍵技術(shù)，給出了以標(biāo)

2、準(zhǔn)化，模塊化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，通過自主化降低成本的服務(wù)模式與方案。
　　空間自主交會(huì)對(duì)接是航天器在軌組合并建立服務(wù)的必要條件。本文在分析比較各種對(duì)接機(jī)構(gòu)方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種類桿錐式小型自主對(duì)接機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)航天器間在軌組合并建立液、電連接?；谔摂M樣機(jī)的仿真表明類桿錐式對(duì)接機(jī)構(gòu)具有在較大初始偏差條件下的良好捕獲對(duì)接能力。原理樣機(jī)的初步試驗(yàn)證實(shí)了對(duì)接機(jī)構(gòu)的部分功能。
　　對(duì)接碰撞捕獲過程是分析對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要步驟。本文通過建立

3、對(duì)接過程中的接觸碰撞點(diǎn)空間幾何矢量方程、對(duì)接接觸碰撞力模型和對(duì)接機(jī)構(gòu)緩沖系統(tǒng)模型，采用虛功率原理建立了基于小型快速對(duì)接機(jī)構(gòu)的航天器對(duì)接捕獲過程動(dòng)力學(xué)模型。
　　緩沖系統(tǒng)的緩沖性能是衡量小型通用快速對(duì)接機(jī)構(gòu)性能的重要指標(biāo)。本文采用能量分配方法實(shí)現(xiàn)了小型對(duì)接機(jī)構(gòu)緩沖系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)，通過對(duì)接捕獲過程動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果分析完成了參數(shù)設(shè)計(jì)與性能評(píng)估工作。選用相對(duì)位姿變化、接觸力、捕獲過程時(shí)間等參數(shù)為指標(biāo)，對(duì)緩沖性能進(jìn)行了分析評(píng)定。分析了不同初始及

4、邊界條件下的可對(duì)接性，給出了滿足可重復(fù)對(duì)接要求的參數(shù)設(shè)計(jì)。
　　組合航天器的控制是解決在軌服務(wù)及大型空間平臺(tái)建設(shè)的又一問題，而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的精確確定是對(duì)組合航天器進(jìn)行控制的前提。文中基于組合航天器系統(tǒng)狀態(tài)方程，提出通過濾波獲取系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的方案，解決了系統(tǒng)存在的奇異問題。利用系統(tǒng)耦合特性，實(shí)現(xiàn)了單通道輸入下多參數(shù)的同步連續(xù)辨識(shí)，進(jìn)一步提出了多體組合的大平臺(tái)動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)方案，證明了系統(tǒng)的一致漸進(jìn)穩(wěn)定及算法對(duì)于參數(shù)變化的魯棒性。

5、仿真結(jié)果顯示，辨識(shí)方法具有大范圍收斂且精度高的特點(diǎn)。濾波過程中以動(dòng)量交換設(shè)備為激勵(lì)，不消耗系統(tǒng)資源，濾波以控制系統(tǒng)現(xiàn)有資源為數(shù)據(jù)來源，僅需增加算法就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線參數(shù)辨識(shí)。
　　針對(duì)組合航天器執(zhí)行環(huán)節(jié)的大冗余條件，文中提出了基于控制分配的冗余管理方案，有效提高了控制系統(tǒng)的可靠性及控制性能。分析了組合后平臺(tái)控制系統(tǒng)的冗余計(jì)算方法，給出了執(zhí)行環(huán)節(jié)冗余度的定義，經(jīng)過控制模式分析，提出了二次最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)模式及均勻管理?xiàng)l件下的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分