基于類桿錐機(jī)構(gòu)的航天器對接動力學(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。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)，深入研究了實現(xiàn)在軌服務(wù)的幾項關(guān)鍵技術(shù)，包括航天器自主對接、航天器在軌組合后的質(zhì)量特性辨識以及組合控制。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)計模式。通過分析在軌服務(wù)成本模型、需求驅(qū)動與關(guān)鍵技術(shù)，給出了以標(biāo)

2、準(zhǔn)化，模塊化設(shè)計為基礎(chǔ)，通過自主化降低成本的服務(wù)模式與方案。
　　空間自主交會對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接機(jī)構(gòu)方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種類桿錐式小型自主對接機(jī)構(gòu)，用于實現(xiàn)航天器間在軌組合并建立液、電連接。基于虛擬樣機(jī)的仿真表明類桿錐式對接機(jī)構(gòu)具有在較大初始偏差條件下的良好捕獲對接能力。原理樣機(jī)的初步試驗證實了對接機(jī)構(gòu)的部分功能。
　　對接碰撞捕獲過程是分析對接機(jī)構(gòu)設(shè)計的重要步驟。本文通過建立

3、對接過程中的接觸碰撞點空間幾何矢量方程、對接接觸碰撞力模型和對接機(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接機(jī)構(gòu)的航天器對接捕獲過程動力學(xué)模型。
　　緩沖系統(tǒng)的緩沖性能是衡量小型通用快速對接機(jī)構(gòu)性能的重要指標(biāo)。本文采用能量分配方法實現(xiàn)了小型對接機(jī)構(gòu)緩沖系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計，通過對接捕獲過程動力學(xué)仿真結(jié)果分析完成了參數(shù)設(shè)計與性能評估工作。選用相對位姿變化、接觸力、捕獲過程時間等參數(shù)為指標(biāo)，對緩沖性能進(jìn)行了分析評定。分析了不同初始及

4、邊界條件下的可對接性，給出了滿足可重復(fù)對接要求的參數(shù)設(shè)計。
　　組合航天器的控制是解決在軌服務(wù)及大型空間平臺建設(shè)的又一問題，而系統(tǒng)動力學(xué)參數(shù)的精確確定是對組合航天器進(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，實現(xiàn)了單通道輸入下多參數(shù)的同步連續(xù)辨識，進(jìn)一步提出了多體組合的大平臺動力學(xué)參數(shù)辨識方案，證明了系統(tǒng)的一致漸進(jìn)穩(wěn)定及算法對于參數(shù)變化的魯棒性。

5、仿真結(jié)果顯示，辨識方法具有大范圍收斂且精度高的特點。濾波過程中以動量交換設(shè)備為激勵，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現(xiàn)連續(xù)在線參數(shù)辨識。
　　針對組合航天器執(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。分析了組合后平臺控制系統(tǒng)的冗余計算方法，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)計模式及均勻管理條件下的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分