衛(wèi)星噴管對(duì)接裝置及捕獲策略研究.pdf

1、 國(guó)內(nèi)圖書分類號(hào)：TP242.6 學(xué)校代碼：10213 國(guó)際圖書分類號(hào)：621 密級(jí)：公開 工學(xué)博士學(xué)位論文 工學(xué)博士學(xué)位論文 衛(wèi)星噴管對(duì)接裝置及捕獲策略研究 博 士 研 究 生：張 禹 導(dǎo) 師：劉 宏 教授 申 請(qǐng) 學(xué) 位：工學(xué)博士 學(xué) 科：機(jī)械電子工程 所 在 單 位：機(jī)電工程學(xué)院 答

2、 辯 日 期：2016 年 9 月 授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué) 摘 要 - I -摘 要 隨著空間科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展， 人類向太空中發(fā)射了越來(lái)越多的航天器。太空中有大量的衛(wèi)星需要得到維護(hù)，有大量的太空垃圾需要得到清理，更有寶貴的空間資源需要得到保護(hù)，人類迫切需要掌握在軌服務(wù)技術(shù)。而空間非合作衛(wèi)星的自主捕獲技術(shù)則成為開展在軌服務(wù)的前提和關(guān)鍵技術(shù)。本文主要研究基于衛(wèi)星噴管捕獲的對(duì)接裝置和捕獲策略。采用對(duì)接裝置來(lái)捕獲安裝有衛(wèi)星噴

3、管的非合作衛(wèi)星。 這些衛(wèi)星主要運(yùn)行在 GEO 軌道和中高軌道， 占用了寶貴的軌道資源，并且造價(jià)昂貴，捕獲這些衛(wèi)星開展在軌維護(hù)可獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)起到軌道資源保護(hù)作用。 本文將采用相對(duì)容差最大的“桿-錐”式捕獲結(jié)構(gòu)，通過(guò)衛(wèi)星?？糠绞綇膰姽軆?nèi)面來(lái)捕獲衛(wèi)星，從而實(shí)現(xiàn)空間非合作衛(wèi)星捕獲對(duì)接。研制捕獲衛(wèi)星噴管的對(duì)接裝置， 包括鎖緊系統(tǒng)、 傳感器系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。 研制鎖緊系統(tǒng)的鎖緊機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)捕獲鎖緊衛(wèi)星噴喉噴喉結(jié)構(gòu)，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)

4、的正確性。設(shè)計(jì)對(duì)接裝置的可接觸外殼。研制用于感知衛(wèi)星噴管位姿的微小型激光測(cè)距傳感器，結(jié)合六維力/力矩傳感器、就位檢測(cè)傳感器、微型監(jiān)控?cái)z像機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的內(nèi)部傳感器構(gòu)成了對(duì)接裝置的傳感器系統(tǒng)。 搭建基于 FPGA 的電氣控制系統(tǒng)，研制環(huán)形的電氣電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)接裝置的機(jī)電控制一體化設(shè)計(jì)。 為了實(shí)現(xiàn)空間自主捕獲非合作衛(wèi)星，本文合理布置傳感器的構(gòu)型，開發(fā)位姿測(cè)量算法，研究對(duì)接裝置在進(jìn)入噴管后的超近距離的位姿測(cè)量。分析了基于激光測(cè)距的位姿測(cè)量原理，介

5、紹了雙層六點(diǎn)放射型測(cè)距的傳感器布置，以此布置構(gòu)型來(lái)感知回轉(zhuǎn)面的相對(duì)位姿。 為了避免計(jì)算復(fù)雜的非線性隱式超越方程組，本文提出了可以用于實(shí)時(shí)計(jì)算回轉(zhuǎn)面相對(duì)位姿的幾何軸近似 GAA 方法，分析了 GAA 方法特性， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性， 從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)接裝置進(jìn)入噴管后在超近距離時(shí)的位姿測(cè)量。 利用本文研制的激光測(cè)距傳感器和噴管的位姿測(cè)量方法，提出了基于非接觸測(cè)量的捕獲勢(shì)場(chǎng)方法。在人工勢(shì)場(chǎng)方法的基礎(chǔ)上，提出了在不同坐標(biāo)維度上各向異性的捕獲勢(shì)場(chǎng)