基于空间机械臂的航天器系统惯性参数辨识

发布时间：2017-09-15 14:11

  本文关键词：基于空间机械臂的航天器系统惯性参数辨识

  更多相关文章： 航天器 空间机械臂 动量守恒 最优激励 惯性参数

【摘要】：随着航天事业的发展,航天探索任务变得更加复杂化与多样化。在航天领域中,带有空间机械臂的航天器系统在执行空间任务时,往往要求航天器的轨道、姿态可控。然而,由于各种原因的存在,比如燃料的大量消耗、内置载荷的释放以及目标星的捕获等,都有可能导致航天器的惯性参数发生改变,从而致使航天器系统已有控制律失去效用。因此,研究航天器的惯性参数在轨辨识方法,对航天器的姿态控制,具有非常重要的意义。论文首先介绍了国内外关于航天器惯性参数辨识所面临的问题以及已取得的成果。针对已有的辨识方法,系统的分析了各方法的优劣,得出基于空间机械臂的方法辨识航天器惯性参数的可行性与优势。论文以带有空间机械臂的航天器系统作为研究模型,对其进行了运动学分析,并基于拉格朗日方法进行了动力学建模。基于动量、动量距守恒原理推导得出了初始动量已知、未知情况下的航天器惯性参数辨识方法。该方法充分利用空间机械臂的大幅度变构运动促使航天器惯性进行重新分布,从而导致航天器速度发生变化。通过测量这些变化,基于动量守恒原理,构建出了线性回归模型,接着,利用递推最小二乘法对航天器各惯性参数进行了分步辨识。通过对辨识方法的仿真验证实验,验证算法有效,然而同时得出该方法对扰动和机械臂轨迹比较敏感的结论。针对参数辨识性问题,作者根据矩阵分析理论,提出了利用最优激励下的空间机械臂轨迹运动对航天器惯性参数进行辨识的方法。通过利用基本参数集的方法对动力学模型进行转化,得到统一的线性回归模型,并将回归矩阵的条件数最小化作为空间机械臂轨迹的优化指标。在关节激励设定上,采用傅立叶级数对激励进行了参数化,然后结合轨迹约束问题,设定了初始轨迹作为目标函数初始值,随后利用模式搜索算法对目标函数进行优化,获得空间机械臂的最优激励运动轨迹。最后同样对辨识方法进行了仿真实验,对比前后两种轨迹下的辨识结果,得出后者更优。论文最后对全文中所涉及到的理论、方法、研究进行了系统性的总结,并且确定了未来的研究方向。
【关键词】：航天器 空间机械臂 动量守恒 最优激励 惯性参数
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP241;V441
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 研究背景与意义9-10
• 1.2 国内外航天器惯性参数辨识方法的研究现状10-12
• 1.3 本文主要研究内容12-14
• 第2章 带有空间机械臂的航天器系统建模方法14-26
• 2.1 带有空间机械臂的航天器系统一般模型15-18
• 2.1.1 符号定义15-16
• 2.1.2 重要公式16-17
• 2.1.3 机械臂的坐标描述17-18
• 2.2 空间机械臂的运动学建模方程18-21
• 2.3 空间机械臂的动力学建模方程21-23
• 2.4 具体实例23-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第3章 带有空间机械臂的航天器系统惯性参数辨识26-43
• 3.1 航天器系统模型定义与结构分析26-27
• 3.2 惯性参数辨识方法27-32
• 3.2.1 航天器质量Sm与质心位置Sr的辨识方法28-30
• 3.2.2 航天器惯性张量SI的辨识方法30-32
• 3.3 空间机械臂的惯性参数与动量32-34
• 3.4 递推最小二乘参数辨识34-35
• 3.5 仿真研究35-42
• 3.5.1 航天器系统仿真模型及其参数设定35-36
• 3.5.2 空间机械臂轨迹规划36-39
• 3.5.3 仿真辨识结果39-42
• 3.5.4 误差分析42
• 3.6 本章小结42-43
• 第4章 最优激励下的航天器惯性参数在轨辨识43-63
• 4.1 确立目标函数43-45
• 4.1.1 基于Lagrange方程的动力学模型的转化43-44
• 4.1.2 确定观测矩阵条件数作为目标函数44-45
• 4.2 激励信号参数化与边界约束45-50
• 4.2.1 激励信号参数化45-46
• 4.2.2 激励轨迹参数化边界约束46-50
• 4.3 激励轨迹的参数优化设计50-53
• 4.3.1 模式搜索算法50-51
• 4.3.2 激励参数优化设置51-53
• 4.4 空间机械臂最优激励轨迹规划53-54
• 4.4.1 轨迹优化53
• 4.4.2 采样数据处理53-54
• 4.5 仿真研究54-62
• 4.5.1 仿真模型及其参数设定54
• 4.5.2 轨迹二的轨迹规划54-59
• 4.5.3 辨识结果59-61
• 4.5.4 实验结果对比61-62
• 4.6 本章小结62-63
• 第5章 总结与展望63-65
• 5.1 总结63-64
• 5.2 展望64-65
• 参考文献65-69
• 致谢69-70
• 硕士学位期间发表学术论文及所取得研究成果70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 耿立辉;张涛;马景然;萧德云;宋靖雁;;一种小卫星模拟装置的动态模型辨识[J];宇航学报;2008年03期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 王洪柳;空间机器人抓取过程中的目标参数辨识[D];哈尔滨工业大学;2011年

，

本文编号：856992