空间机械臂抓捕非合作目标的辨识、规划及控制策略研究

发布时间：2021-06-07 12:08

　　随着人类航天活动的逐年增加,空间失效目标及太空垃圾所造成的轨道资源占用以及对正常服役航天器的威胁愈发严重。考虑到轨道资源特别是近地轨道资源的有限性,应采取措施对失效目标和太空垃圾等进行有效清理。近年来,国内外针对合作目标,采用星载空间机械臂等手段实现在轨捕获、接管、维修失效航天器等已基本成熟,而针对非合作目标的捕获问题正逐渐成为研究热点。因此,本文基于装载有空间机械臂的服务航天器,对带有自旋特性的空间非合作目标抓捕过程中的质量特性参数辨识、服务航天器姿态避障的在线最优控制以及捕获策略等问题开展研究。首先,针对漂浮基座的空间柔性机械臂系统,建立运动学和动力学模型。建立柔性关节的线性扭簧模型,并根据Lagrange方程,推导了包含柔性关节的空间机械臂动力学模型;基于振动模态方法推导了包含柔性臂杆的空间机械臂动力学模型;在此基础上,推导了包含柔性关节和柔性臂杆的空间机械臂动力学模型。其次,针对非合作目标的质量特性参数辨识问题,提出一种基于非接触激励方法的辨识策略。利用空间机械臂向非合作目标弹射出已知质量和速度的激励质量并与非合作目标牢靠粘附,改变非合作目标的运动状态。通过观测目标运动状态变化... 

【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】：128 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

地球轨道空间碎片分布

第1章绪论-5-图1-4FREND/SUMO计划Fig.1-4FREND/SUMOProject（3）美国凤凰计划[10]-[12]：凤凰计划（PhoenixProjiect）由美国DARPA于2011年发起，该计划旨在回收地球同步轨道卫星，并对失效零部件进行修复或更换，从而实现卫星的重生。抓捕机械臂长度为2m，自重约为80kg，为7自由度冗余结构，能较好地适应任务执行过程中处于避障等原因而需要实行路径变更的需求；该计划配备的机械臂末端最大运行速度可达0.15m/s，角度和位置控制精度也极高，分别为53.510rad和0.001m/s，可满足在轨服务任务中的各种精细化操作。图1-4“凤凰计划”服卫星Fig.1-4SercicesatelliteofPhoenixProject（4）工程试验卫星-7(ETS-VII)计划[13]-[17]：ETS-VII项目包含有两颗试验卫星，借助星载机械臂完成两星间的辅助对接、分离等试验，同时，星载机械臂还可完成对来访目标的抓取与捕获，具有良好的在轨服务特性，可适用于多种在轨试验验证任务的展开。交会对接试验过程中，目标航天器从服务航天器

第1章绪论-8-1.2.2伸缩杆式捕获机构国内外研究现状利用伸缩杆式捕获机构对非合作航天器抓捕，是指对目标完成捕获后，抓捕机构自身可利用伸缩功能完成目标的锁定。此类抓捕机构的抓捕位置主要是发动机喷管。较为典型的伸缩杆式捕获方案对应的研究案例如下：（1）CX-OLEV[27]-[28]：德国宇航中心(DLR)与轨道修复公司(OrbitalRecoveryCorp)合作研制，旨在通过伸缩杆式不过机构实现目标航天器的捕获，并对其进行修复、燃料补加等，延长航天器的在轨运行寿命，节约研制成本。图1-9CX-OLEV发动机喷管对接工具Fig.1-9EnginetailpipedockingtoolofCX-OLEV（2）SMART-OLEV[29]：欧洲轨道卫星服务公司(OSSL)基于欧空局的Smart-1卫星平台而开发的SMART-OLEV系统，该项目的服务对象为GEO卫星，通过在轨捕获及燃料补加等操作为通信卫星延长在轨使用寿命。图1-10SMART-OLEV与目标星的对接示意图Fig.1-10SMART-OLEVandtargetspacecraft（3）MEV系统[30]-[31]：该项目由美国空间有限责任公司和ATK公司联合主导，服务目标同样为静止轨道卫星，目的与（1）和（2）类似，降低研制成

【参考文献】：
期刊论文
[1]黏附激励下空间目标惯性参数的辨识方法[J]. 马卫华,袁大钟,孟思洋,罗建军.  宇航学报. 2019(10)
[2]空间碎片接近及捕获技术地面试验调研研究[J]. 李扬,张烽,焉宁,唐庆博,童科伟.  空间碎片研究. 2018(03)
[3]带挠性附件航天器在轨质量特性辨识[J]. 王首喆,张庆展,靳永强,盛英华.  航天控制. 2017(05)
[4]DARPA地球静止轨道机器人项目综述[J]. 闫海江,范庆玲,康志宇,肖余之.  机器人. 2016(05)
[5]空间机器人惯性参数辨识的粒子群优化新算法[J]. 马欢,李文皓,肖歆昕,刘宏,蒋再男.  宇航学报. 2015(03)
[6]机器人灵巧手的运动学分析及仿真[J]. 靳果,韩星,韩枫.  电子设计工程. 2015(01)
[7]考虑冗余机械臂末端运动特性的规划方法[J]. 黄文炳,孙富春,刘华平.  清华大学学报(自然科学版). 2014(12)
[8]航天器转动惯量参数在轨辨识的最优激励[J]. 杨雅君,廖瑛,刘翔春.  国防科技大学学报. 2014(05)
[9]非合作目标航天器质量特性参数辨识[J]. 王明,黄攀峰,常海涛.  飞行力学. 2014(06)
[10]欠驱动航天器相对运动的姿轨耦合控制[J]. 吴锦杰,刘昆,韩大鹏,张峰.  控制与决策. 2014(06)

博士论文
[1]卫星喷管对接装置及捕获策略研究[D]. 张禹.哈尔滨工业大学 2016
[2]空间柔性机械臂动力学建模分析及在轨抓捕控制[D]. 潘冬.哈尔滨工业大学 2014
[3]敏捷卫星推扫模式姿态规划与控制方法研究[D]. 苏中华.哈尔滨工程大学 2013



本文编号：3216546