基于超二次曲面的柔性航天器避障机动研究

发布时间：2017-09-30 03:16

  本文关键词：基于超二次曲面的柔性航天器避障机动研究

  更多相关文章： 航天器 柔性附件 位置控制 姿态控制 避障

【摘要】：航天科技的未来发展迫切需要掌握卫星编队飞行、在轨服务以及大型空间结构在轨组装等先进航天技术。此类任务涉及多空间物体的接近操作,必须避免因几何外形干涉所导致的碰撞。目前针对航天器避障的研究大多基于刚体动力学,不考虑柔性变形因素对避障机动的影响。然而,航天器机动过程可能激发结构的柔性振动。此外,太空环境中柔性部件的振动往往衰减缓慢。结构振动不但会影响耦合系统的姿态稳定,还会降低后续工作的精度和效率,甚至直接导致任务的失败。本文主要研究带柔性附件航天器在障碍物环境中的位置、姿态机动问题。主要研究内容和结果如下:1.将带柔性附件航天器系统简化为中心刚体—柔性梁系统。分别通过假设模态法和经典卡尔丹角,对柔性梁横向振动和航天器本体姿态进行描述。基于拉格朗日方程建立了带柔性梁附件航天器三维动力学模型。2.同时考虑带柔性附件航天器和障碍物几何外形,利用超二次曲面建立了空间物体防碰撞包围盒模型。根据包围盒间距离和防碰撞人工势函数梯度,对航天器本体施加排斥力和力矩,实现防碰撞控制。3.假定附件柔性变形不可测,仅以航天器本体状态信息为反馈量,设计了两类位置、姿态机动控制律。一是借鉴通常的刚体卫星位姿控制思路,设计了位置PD控制以及姿态四元数反馈控制律;二是基于对系统的无源特性分析和能量控制思想,设计了广义坐标及其变化率反馈控制律。最终,将位姿控制力/力矩与避障排斥力/力矩相叠加,得到系统位姿机动和避障联合控制力。通过数值仿真算例研究,验证了所述方法的有效性。
【关键词】：航天器 柔性附件 位置控制 姿态控制 避障
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 注释表10-13
• 第一章 绪论13-20
• 1.1 引言13-14
• 1.2 带柔性附件航天器的动力学建模14-16
• 1.3 航天器避障控制16-17
• 1.4 挠性航天器控制17-18
• 1.5 本文研究内容与结构安排18-20
• 第二章 动力学建模及避障势函数设计20-35
• 2.1 带柔性附件航天器的动力学建模20-24
• 2.1.1 带柔性附件航天器系统运动学描述20-21
• 2.1.2 柔性附件的运动学描述21-22
• 2.1.3 带柔性附件航天器系统的动力学方程22-24
• 2.2 基于超二次曲面的避障势函数设计24-33
• 2.2.1 几何体的超二次曲面描述24
• 2.2.2 超二次曲面函数24-26
• 2.2.3 长方体超二次曲面描述26-27
• 2.2.4 圆柱体超二次曲面描述27
• 2.2.5 基于超二次曲面函数的距离计算27-32
• 2.2.6 避障势函数设计32-33
• 2.3 小结33-35
• 第三章 带柔性附件航天器的运动与避障控制35-41
• 3.1 航天器的运动控制35-40
• 3.1.1 航天器的位置及四元数反馈控制35-36
• 3.1.2 无源控制36-40
• 3.2 运动和避障联合控制律40
• 3.3 小结40-41
• 第四章 算例仿真研究41-61
• 4.1 基于距离的人工势场和基于距离及速度的人工势场对比41-44
• 4.2 基于两种位姿反馈控制算例对比44-46
• 4.3 参数设置对于避障任务的影响46-60
• 4.4 小结60-61
• 第五章 总结61-62
• 5.1 本文的主要工作与贡献61
• 5.2 未来工作展望61-62
• 参考文献62-65
• 致谢65-66
• 在学期间发表的学术论文66

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