基于類桿錐機構(gòu)的航天器對接動力學與組合控制.pdf

1、在軌服務是空間探索和應用發(fā)展的必然趨勢。當前，在軌服務以其能夠提供的功能和巨大應用前景而受到各國航天界的廣泛關注。本文由在軌服務需求出發(fā)，深入研究了實現(xiàn)在軌服務的幾項關鍵技術(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)外在軌服務發(fā)展歷史、分析在軌服務前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢的基礎上，提出了以在軌服務為基礎的航天器設計模式。通過分析在軌服務成本模型、需求驅(qū)動與關鍵技術(shù)，給出了以標

2、準化，模塊化設計為基礎，通過自主化降低成本的服務模式與方案。
　　空間自主交會對接是航天器在軌組合并建立服務的必要條件。本文在分析比較各種對接機構(gòu)方案的基礎上，設計了一種類桿錐式小型自主對接機構(gòu)，用于實現(xiàn)航天器間在軌組合并建立液、電連接?；谔摂M樣機的仿真表明類桿錐式對接機構(gòu)具有在較大初始偏差條件下的良好捕獲對接能力。原理樣機的初步試驗證實了對接機構(gòu)的部分功能。
　　對接碰撞捕獲過程是分析對接機構(gòu)設計的重要步驟。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構(gòu)的航天器對接捕獲過程動力學模型。
　　緩沖系統(tǒng)的緩沖性能是衡量小型通用快速對接機構(gòu)性能的重要指標。本文采用能量分配方法實現(xiàn)了小型對接機構(gòu)緩沖系統(tǒng)參數(shù)設計，通過對接捕獲過程動力學仿真結(jié)果分析完成了參數(shù)設計與性能評估工作。選用相對位姿變化、接觸力、捕獲過程時間等參數(shù)為指標，對緩沖性能進行了分析評定。分析了不同初始及

4、邊界條件下的可對接性，給出了滿足可重復對接要求的參數(shù)設計。
　　組合航天器的控制是解決在軌服務及大型空間平臺建設的又一問題，而系統(tǒng)動力學參數(shù)的精確確定是對組合航天器進行控制的前提。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，進一步提出了多體組合的大平臺動力學參數(shù)辨識方案，證明了系統(tǒng)的一致漸進穩(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)控制器設計模式及均勻管理條件下的執(zhí)行機構(gòu)分