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(cuò)性強(qiáng)、作業(yè)距離長(zhǎng)及飛行器間耦合作用弱等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，是近年來(lái)空間研究的熱點(diǎn)之一?？臻g繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)涉及到力學(xué)、機(jī)械、電氣、控制及材料等多個(gè)學(xué)科，在總體方案設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多個(gè)方面都存在較多的科學(xué)問(wèn)題需要研究?？臻g繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)捕獲目標(biāo)物的工作過(guò)程主要可分為任務(wù)平臺(tái)跟瞄、接近、繩網(wǎng)發(fā)射、網(wǎng)口鎖緊和位姿調(diào)整等過(guò)程。目標(biāo)物捕獲后可根據(jù)需要再動(dòng)作，一般主要有拖曳、

2、離軌等動(dòng)作過(guò)程。任務(wù)平臺(tái)和目標(biāo)物是通過(guò)系繩連接的，系繩長(zhǎng)度和張力的控制由安裝在任務(wù)平臺(tái)上的張力控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，可對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行回收、釋放和狀態(tài)保持。但張力控制過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，如繩網(wǎng)收口鎖緊目標(biāo)物后，任務(wù)平臺(tái)和目標(biāo)物仍是兩分散的剛體系統(tǒng)，要通過(guò)系繩的收、放或張力保持等操作使任務(wù)平臺(tái)與目標(biāo)物之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)量交換或能量耗散，使兩剛體的運(yùn)動(dòng)速度盡量保持一致，實(shí)現(xiàn)兩剛體的有效連接，避免沖擊、擺動(dòng)、纏繞等問(wèn)題的出現(xiàn)。鑒于國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究不多，本論文在國(guó)家

3、863計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金資助下，以空間繩網(wǎng)捕獲后的繩系組合體為研究對(duì)象，針對(duì)上述張力問(wèn)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(jī)構(gòu)。通過(guò)論證空間繩網(wǎng)捕獲后系統(tǒng)可能存在的多種運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)張力控制機(jī)構(gòu)提出了系繩姿態(tài)角、繩長(zhǎng)及張力等方面的功能需求，據(jù)此研制了張力控制機(jī)構(gòu)樣機(jī)，并分析討論了張力控制機(jī)構(gòu)的張力跟蹤等各類(lèi)靜、動(dòng)態(tài)性能。
　　(2)建立了考慮任務(wù)平臺(tái)與目標(biāo)物自身姿態(tài)及系繩

4、二次非線(xiàn)性彈性的繩系組合體普遍動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了擺振耦合分析。根據(jù)組合體普遍動(dòng)力學(xué)模型，仿真研究系統(tǒng)多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度之間的耦合情況，分析各種初始擾動(dòng)對(duì)組合體運(yùn)動(dòng)的影響。利用攝動(dòng)法給出了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型的近似解析解，得到了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生內(nèi)共振的條件，為繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)機(jī)電系統(tǒng)及目標(biāo)物姿態(tài)的系統(tǒng)機(jī)電耦合模型，為防止目標(biāo)物捕獲后的初始速度帶

5、來(lái)的沖擊、系繩纏繞等問(wèn)題，根據(jù)模型特點(diǎn)，提出了一種系繩張力與目標(biāo)物轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方法。數(shù)值仿真表明:在目標(biāo)物只存在初始平動(dòng)及同時(shí)存在初始平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)兩種情形下，控制策略都是充分有效的。研制了地面氣浮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了目標(biāo)物初始平動(dòng)情形下的防沖擊緩沖釋放實(shí)驗(yàn)，取得了良好的控制效果，驗(yàn)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(dòng)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(dòng)抑制控制方法，對(duì)地面恒重力場(chǎng)下的擺動(dòng)系

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