空間繩網(wǎng)捕獲后繩系組合體張力控制技術(shù)研究.pdf

1、空間繩網(wǎng)捕獲是近年提出的一種新型柔性抓捕方式，具有抓捕容錯性強、作業(yè)距離長及飛行器間耦合作用弱等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景，是近年來空間研究的熱點之一。空間繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)涉及到力學、機械、電氣、控制及材料等多個學科，在總體方案設(shè)計、動力學分析及控制系統(tǒng)設(shè)計等多個方面都存在較多的科學問題需要研究?？臻g繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)捕獲目標物的工作過程主要可分為任務(wù)平臺跟瞄、接近、繩網(wǎng)發(fā)射、網(wǎng)口鎖緊和位姿調(diào)整等過程。目標物捕獲后可根據(jù)需要再動作，一般主要有拖曳、

2、離軌等動作過程。任務(wù)平臺和目標物是通過系繩連接的，系繩長度和張力的控制由安裝在任務(wù)平臺上的張力控制機構(gòu)實現(xiàn)，可對目標物進行回收、釋放和狀態(tài)保持。但張力控制過程相對復(fù)雜，如繩網(wǎng)收口鎖緊目標物后，任務(wù)平臺和目標物仍是兩分散的剛體系統(tǒng)，要通過系繩的收、放或張力保持等操作使任務(wù)平臺與目標物之間實現(xiàn)動量交換或能量耗散，使兩剛體的運動速度盡量保持一致，實現(xiàn)兩剛體的有效連接，避免沖擊、擺動、纏繞等問題的出現(xiàn)。鑒于國內(nèi)外對這方面的研究不多，本論文在國家

3、863計劃項目和國家自然科學基金資助下，以空間繩網(wǎng)捕獲后的繩系組合體為研究對象，針對上述張力問題，主要的研究工作和相應(yīng)成果如下:
　　(1)提出了一種多功能、高效能的系繩張力控制機構(gòu)。通過論證空間繩網(wǎng)捕獲后系統(tǒng)可能存在的多種運動現(xiàn)象，對張力控制機構(gòu)提出了系繩姿態(tài)角、繩長及張力等方面的功能需求，據(jù)此研制了張力控制機構(gòu)樣機，并分析討論了張力控制機構(gòu)的張力跟蹤等各類靜、動態(tài)性能。
　　(2)建立了考慮任務(wù)平臺與目標物自身姿態(tài)及系繩

4、二次非線性彈性的繩系組合體普遍動力學模型，進行了擺振耦合分析。根據(jù)組合體普遍動力學模型，仿真研究系統(tǒng)多個運動自由度之間的耦合情況，分析各種初始擾動對組合體運動的影響。利用攝動法給出了系統(tǒng)動力學簡化模型的近似解析解，得到了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時產(chǎn)生內(nèi)共振的條件，為繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。
　　(3)提出了一種防沖擊防纏繞的組合體協(xié)調(diào)控制策略。建立包含張力控制機構(gòu)機電系統(tǒng)及目標物姿態(tài)的系統(tǒng)機電耦合模型，為防止目標物捕獲后的初始速度帶

5、來的沖擊、系繩纏繞等問題，根據(jù)模型特點，提出了一種系繩張力與目標物轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方法。數(shù)值仿真表明:在目標物只存在初始平動及同時存在初始平動與轉(zhuǎn)動兩種情形下，控制策略都是充分有效的。研制了地面氣浮實驗平臺，進行了目標物初始平動情形下的防沖擊緩沖釋放實驗，取得了良好的控制效果，驗證了控制方法和技術(shù)的有效性。
　　(4)提出了一種組合體面內(nèi)擺動抑制方法。借鑒秋千激蕩原理的逆向思維，提出了一種面內(nèi)擺動抑制控制方法，對地面恒重力場下的擺動系

6、統(tǒng)進行了研究，數(shù)值仿真與實驗驗證了所提出的擺動抑制策略的有效性。進一步，將方法推廣應(yīng)用于空間繩系系統(tǒng)，數(shù)值仿真驗證了此擺動抑制策略對空間繩系組合體的適用性。
　　(5)研究了Kevlar系繩縱向非線性特性及扭轉(zhuǎn)耗散特性，提出了一種目標物被動消旋方法。設(shè)計了系繩縱向吊掛試驗方案，試驗表明系繩縱向剛度存在很強的非線性，利用三次函數(shù)和冪函數(shù)分別對試驗結(jié)果進行了擬合，取得了良好的擬合效果。縱向加減載試驗表明系繩存在較明顯的遲滯效應(yīng)，利用K