空间自旋目标抓捕任务中的动力学与控制

发布时间：2020-03-22 19:29

【摘要】：随着科学技术水平的日益提高、科学理论研究的日益丰富,人类航天事业飞速发展,对空间的探索越来越多,对空间资源的利用率也越来越高。确保航天器在轨稳定的运行十分关键,利用空间机器人进行在轨服务显得十分必要。本文结合航天领域某项目,以对空间自旋目标抓捕任务为研究背景,开展了空间机器人的系统建模与仿真、抓捕机构的设计建模与仿真、抓捕过程中的碰撞动力学仿真分析、减轻碰撞力对机械臂构型及空间机器人系统状态影响的控制、对抓捕前抓捕机构起旋与捕获后对目标消旋的稳定控制等方面的研究,为我国空间机器人相关技术研究提供理论支持。对于空间机器人系统建模进行研究。首先,介绍了单臂空间机器人一般的系统组成。其次,推导了空间机器人系统的运动学方程,并在此基础上,基于拉格朗日方程推导了空间机器人系统的动力学模型。最后,通过仿真分析了空间机器人的运动特性。对于抓捕机构系统建模进行研究。采用四指欠驱动机械手的设计,以腱-滑轮的工作模式作为系统的传动机构。首先,介绍了欠驱动机械手指的系统组成与工作原理。其次,推导了欠驱动手指的运动学方程和动力学方程,通过仿真分析了单指的运动特性。对于空间自旋目标抓捕过程中的碰撞进行研究。首先,给出抓捕对象的动力学模型。其次,根据上文所设计的抓捕机构的运动规律与抓捕对象的特点设计碰撞检测算法,通过赫兹接触力模型对碰撞力进行描述。最后,通过仿真分析碰撞对系统的产生的影响,并提出对机械臂施加阻尼控制以保证机械臂快速平衡的达到稳定状态。对于捕获过程中的控制方案进行研究。基于非奇异终端滑模控制,首先介绍了工作原理,根据空间机器人系统动力学模型设计控制器,证明了控制系统的稳定性。其次,通过仿真分析控制器参数选取对控制系统的影响,并与经典的PD控制进行比较。最后,给出了该控制器在捕获后复合体控制上的应用实例。
【图文】：

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图 1- 1 日本 ETS-VII 任务快车（Orbit Express）项目在 1999 年公开，至 200该项目与日本实验七号卫星任务相似，实施抓，抓捕对象是目标星 NextSat。其飞行实验包括器捕获目标星并实现对接、更换轨道可替换

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美国轨道快车任务
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V52

【参考文献】