基于气浮台的模拟星体的协同运动控制
发布时间：2021-03-09 12:33
在空间任务中,航天器在轨服务技术的地位在逐步提高,对于航天器组合体协同控制的研究也越来越多。而在任务之前,与之相关的航天设备都必须在一定条件下进行测试,其中最关键的因素就是失重。气浮仿真实验平台由于其成本较低、扰动小与实验时间长等特点,可以有效检验在航天器上运行的控制策略的效果,成为模拟航天器空间中交会对接、姿态控制与在轨捕获等技术的重要手段。本文主要研究气浮台实验中3自由度的模拟星体的运动控制问题,包括单个模拟星体与组合模拟星体两种情形,且对于组合模拟星体考虑单星控制与协同控制两种控制模式。首先,对气浮台的基本环境信息以及模拟星体设备的硬件组成做了简单介绍。在分析了模拟星体的实际运动特性后,定义了惯性坐标系与固连于模拟星体的体坐标系。通过对单个模拟星体进行受力分析,建立了体坐标系下的等效力学模型,并在此基础上分别推导出单个模拟星体和组合模拟星体在惯性坐标系下的动力学模型。接着,根据现有的实验运动控制系统,分析并设计了软件框架部分,以及在该框架下的一些基础模块。通过分析模拟星体运动的总体过程,设计了导航模块。根据模拟星体动力学模型,采用并设计了数字PID控制器。在等效力学模型的基础上,...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
抛物线飞行模拟失重环境
落塔装置
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-图1-3微重力模拟气浮系统模拟星体根据系统组件的大小和质量，气浮轴承的数量、类型与位置有所不同。残余重力加速度约为10-3-10-5g，具体取决于平台表面类型和模拟星体的其他参数，可见气浮台实验的扰动小于抛物线飞行并且可与大多数落塔实验相媲美。此外，即使将装满压缩空气的气体罐安装在台体上，实验时间也能持续几分钟至45分钟不等。气浮台的主要缺点在于其有限的自由度，但可以通过增加气浮轴承或者机械臂等方式来实现更高的自由度。气浮台具有最广泛和最多样化的应用领域。除了上述有关的实验编队飞行和在轨机器人，它们也用于与对接系统相关的实验，比如低重力物体的起落架和运动测试。气浮台实验既能用于理论验证与算法测试，也能运转飞行硬件和特定设备的工程模型。气浮台由于其成本较低，引入扰动小与实验时间长的特点，可以满足大部分情况下微重力的条件需求，进而进行航天任务模拟与实验验证[7]。其中模拟星体一般分为两类，一类用的是转动型气浮轴承，模拟星体在固定机座上旋转运动[8]；另一类用的是平面型气浮轴承，模拟星体可以在实验平台表面任意移动。如果组合使用两种气浮轴承，将能实现更为复杂的运动。本文主要研究具有3个自由度（3DoF）且采用平面型气浮轴承的模拟星体，3个自由度分别为：模拟星体平移运动的位置,以及旋转运动的偏航角度。近年来，随着各国航天任务的复杂程度逐步提升，航天任务已经不再局限于单星或多星组网的对地观测、通信、导航等常规领域，空间维修、在轨加注、捕获等复杂操控技术等日益受到关注[9]。鉴于航天器在轨服务技术良好的应用
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向空间近距离操作的机械臂与服务卫星协同控制[J]. 王兴龙,周志成,王典军,陈士明. 宇航学报. 2020(01)
[2]基于深度学习的组合体航天器模型预测控制[J]. 康国华,金晨迪,郭玉洁,乔思元. 宇航学报. 2019(11)
[3]组合体航天器有限时间超螺旋反步姿态控制[J]. 马广富,高寒,吕跃勇,宋婷,袁建平. 宇航学报. 2017(11)
[4]空间机械臂捕获失稳目标的动态轨迹规划方法[J]. 王兴龙,周志成,曲广吉. 宇航学报. 2017(07)
[5]GEO编队空间机器人系统交会方法[J]. 梁斌,高学海,潘乐,徐文福. 宇航学报. 2016(02)
[6]捕获目标后组合体航天器抗干扰自适应控制[J]. 王益平,赵育善,师鹏,郑翰清. 中国空间科学技术. 2015(06)
[7]组合体航天器变拓扑过程中姿态稳定控制研究[J]. 李磊,周军,黄河,张浩. 计算机仿真. 2015(06)
[8]“凤凰”计划关键技术及其启示[J]. 陈罗婧,郝金华,袁春柱,傅丹膺. 航天器工程. 2013(05)
[9]国外航天器在轨捕获技术综述[J]. 李新刚,裴胜伟. 航天器工程. 2013(01)
[10]航天器抓捕后复合体系统稳定的协调控制研究[J]. 刘厚德,梁斌,李成,徐文福,史也. 宇航学报. 2012(07)
博士论文
[1]网络化多智能体系统编队控制策略设计及实验验证[D]. 陈东亮.哈尔滨工业大学 2019
[2]空间机械臂抓取目标的碰撞前构型规划与控制问题研究[D]. 丛佩超.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]基于模型预测控制的气浮台运动控制研究[D]. 王恩友.哈尔滨工业大学 2017
[2]局部惯量未知的航天器组合体姿态控制[D]. 秦琰.哈尔滨工业大学 2015
[3]基于分数阶理论的气浮台姿态控制系统设计[D]. 庞慧.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3072855
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
抛物线飞行模拟失重环境
落塔装置
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-图1-3微重力模拟气浮系统模拟星体根据系统组件的大小和质量，气浮轴承的数量、类型与位置有所不同。残余重力加速度约为10-3-10-5g，具体取决于平台表面类型和模拟星体的其他参数，可见气浮台实验的扰动小于抛物线飞行并且可与大多数落塔实验相媲美。此外，即使将装满压缩空气的气体罐安装在台体上，实验时间也能持续几分钟至45分钟不等。气浮台的主要缺点在于其有限的自由度，但可以通过增加气浮轴承或者机械臂等方式来实现更高的自由度。气浮台具有最广泛和最多样化的应用领域。除了上述有关的实验编队飞行和在轨机器人，它们也用于与对接系统相关的实验，比如低重力物体的起落架和运动测试。气浮台实验既能用于理论验证与算法测试，也能运转飞行硬件和特定设备的工程模型。气浮台由于其成本较低，引入扰动小与实验时间长的特点，可以满足大部分情况下微重力的条件需求，进而进行航天任务模拟与实验验证[7]。其中模拟星体一般分为两类，一类用的是转动型气浮轴承，模拟星体在固定机座上旋转运动[8]；另一类用的是平面型气浮轴承，模拟星体可以在实验平台表面任意移动。如果组合使用两种气浮轴承，将能实现更为复杂的运动。本文主要研究具有3个自由度（3DoF）且采用平面型气浮轴承的模拟星体，3个自由度分别为：模拟星体平移运动的位置,以及旋转运动的偏航角度。近年来，随着各国航天任务的复杂程度逐步提升，航天任务已经不再局限于单星或多星组网的对地观测、通信、导航等常规领域，空间维修、在轨加注、捕获等复杂操控技术等日益受到关注[9]。鉴于航天器在轨服务技术良好的应用
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向空间近距离操作的机械臂与服务卫星协同控制[J]. 王兴龙,周志成,王典军,陈士明. 宇航学报. 2020(01)
[2]基于深度学习的组合体航天器模型预测控制[J]. 康国华,金晨迪,郭玉洁,乔思元. 宇航学报. 2019(11)
[3]组合体航天器有限时间超螺旋反步姿态控制[J]. 马广富,高寒,吕跃勇,宋婷,袁建平. 宇航学报. 2017(11)
[4]空间机械臂捕获失稳目标的动态轨迹规划方法[J]. 王兴龙,周志成,曲广吉. 宇航学报. 2017(07)
[5]GEO编队空间机器人系统交会方法[J]. 梁斌,高学海,潘乐,徐文福. 宇航学报. 2016(02)
[6]捕获目标后组合体航天器抗干扰自适应控制[J]. 王益平,赵育善,师鹏,郑翰清. 中国空间科学技术. 2015(06)
[7]组合体航天器变拓扑过程中姿态稳定控制研究[J]. 李磊,周军,黄河,张浩. 计算机仿真. 2015(06)
[8]“凤凰”计划关键技术及其启示[J]. 陈罗婧,郝金华,袁春柱,傅丹膺. 航天器工程. 2013(05)
[9]国外航天器在轨捕获技术综述[J]. 李新刚,裴胜伟. 航天器工程. 2013(01)
[10]航天器抓捕后复合体系统稳定的协调控制研究[J]. 刘厚德,梁斌,李成,徐文福,史也. 宇航学报. 2012(07)
博士论文
[1]网络化多智能体系统编队控制策略设计及实验验证[D]. 陈东亮.哈尔滨工业大学 2019
[2]空间机械臂抓取目标的碰撞前构型规划与控制问题研究[D]. 丛佩超.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]基于模型预测控制的气浮台运动控制研究[D]. 王恩友.哈尔滨工业大学 2017
[2]局部惯量未知的航天器组合体姿态控制[D]. 秦琰.哈尔滨工业大学 2015
[3]基于分数阶理论的气浮台姿态控制系统设计[D]. 庞慧.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3072855
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