自旋目标抓捕的轨迹规划及捕获后复合体的控制

发布时间：2017-08-01 08:21

  本文关键词：自旋目标抓捕的轨迹规划及捕获后复合体的控制

  更多相关文章： 空间机器人 自旋目标卫星 动力学建模 自主捕获轨迹规划 动力学参数辨识 复合体稳定控制

【摘要】：近几十年以来,越来越多的人造卫星被送入太空。但是,在这些卫星中也有许多故障卫星,而且由于故障卫星的增多,使太空环境日益的恶化。因此,对故障或者失效的卫星进行维修或清除,一直是各个国家的研究热点。本文针对非合作自旋目标卫星的抓捕和在轨修理任务,开展了自旋目标卫星自主捕获的轨迹规划及捕获后动力学控制研究。以GEO轨道卫星为例,建立了失效后航天器的动力学模型,从理论上分析了其自旋运动特性,并结合地面观测数据,得出了我国“鑫诺二号”卫星在轨运动状态的估计值,作为后续算法研究的初始条件。根据拉格朗日方程并联合系统角动量和线动量守恒定律,建立了基座自由漂浮下空间机器人系统的动力学方程。分析表明失效后“鑫诺二号”卫星除了具有自旋角速度外,还具有较大章动角和章动角速度。基于此,提出了以星箭对接环为抓捕对象的目标捕获算法。由于不同质量特性分布下航天器的自旋轴不同,分别考虑了自旋轴与对接环面垂直(或接近垂直)、平行(或接近平行)两种情况下的抓捕问题。对于前者,对接环上给定点的运动规律简单,运动范围小,采用分解运动速度控制与自旋运动补偿相结合的方法,较好地解决了自旋目标捕获的问题。而对于后者,对接环上给定点在空间的运动范围和运动速度都很大,故提出了针对对接环“动态最近点”的目标捕获方法,即实时估计“动态最近点”相对于机械臂末端的位置和速度,再采用分解运动速度控制,实现对目标的有效捕获。目标捕获后,系统的质量特性发生了变化。为实现高精度稳定控制,提出了基于等效单体和等效双体动力学的质量特性辨识方法。通过锁紧机械臂的所有关节在某一构型(名义构型),整个系统成了等效的单体系统,通过简单的姿态、轨道机动运动,即辨识出系统的等效质量、惯量和质心位置。然后令其中一个关节打开而其他关节全部锁紧,因而整个系统变成了等效的双体系统,根据动量守恒定理并联合已经辨识出的系统质量特性,可辨识出两个等效刚体的动力学参数,进而得出目标卫星的动力学参数。利用辨识后的质量特性,进一步实现了复合体系统的稳定控制,克服了环境干扰力和干扰力矩的作用,实现了时间最优控制。
【关键词】：空间机器人 自旋目标卫星 动力学建模 自主捕获轨迹规划 动力学参数辨识 复合体稳定控制
【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】：2016
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题来源9
• 1.2 课题研究的目的与意义9-11
• 1.3 国内外研究现状11-17
• 1.3.1 空间机器人在轨服务研究现状11-14
• 1.3.2 目标卫星运动特性研究现状14-15
• 1.3.3 捕获目标星轨迹规划的研究现状15-16
• 1.3.4 空间机器人动力学参数辨识研究现状16-17
• 1.4 本文主要研究内容17-18
• 第2章 自旋目标运动特性分析及系统动力学建模18-30
• 2.1 引言18
• 2.2 自旋目标动力学及运动特性分析18-21
• 2.2.1 自旋目标姿态动力学建模18-20
• 2.2.2 自旋目标运动特性分析20-21
• 2.3 空间机器人动力学建模21-29
• 2.3.1 自旋目标捕获空间机器人系统及其建模21-24
• 2.3.2 空间机器人运动学方程24-28
• 2.3.3 自由漂浮状态下空间机器人动力学方程28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 空间机器人自主捕获目标的轨迹规划30-47
• 3.1 引言30
• 3.2 基于自主捕获对接环固定点的轨迹规划30-35
• 3.2.1 主要流程30-32
• 3.2.2 空间机器人末端运动规划32-33
• 3.2.3 空间机器人各关节空间规划33-35
• 3.3 基于自主捕获对接环“动态最近点”的轨迹规划35-38
• 3.3.1 主要流程35-36
• 3.3.2 空间机械臂末端及机械臂关节空间运动规划36-38
• 3.4 仿真模型的建立以及目标捕获仿真38-46
• 3.4.1 对接环已知点自主捕获仿真模型及目标捕获仿真38-43
• 3.4.2 对接环“动态最近点”自主捕获仿真模型及目标捕获仿真43-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第4章 捕获后复合体的动力学参数辨识47-61
• 4.1 引言47
• 4.2 复合体系统等效单体动力学参数辨识47-51
• 4.2.1 空间机器人运动学方程及动量方程47-49
• 4.2.2 等效单体辨识49-51
• 4.3 复合体系统等效双体动力学参数辨识51-54
• 4.4 复合体系统动力学参数辨识仿真54-60
• 4.4.1 PSO算法简介54-55
• 4.4.2 复合体系统等效单体动力学参数辨识仿真55-57
• 4.4.3 复合体系统等效双体动力学参数辨识仿真57-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第5章 复合体系统发生扰动后的稳定控制61-72
• 5.1 引言61
• 5.2 复合体系统数学模型61-62
• 5.3 复合体时间最优稳定控制62-65
• 5.4 复合体稳定控制仿真65-71
• 5.5 本章小结71-72
• 结论72-73
• 参考文献73-77
• 攻读硕士学位期间发表的论文77-79
• 致谢79

，

本文编号：603301