双片消隙齿轮动力学建模与参数影响分析

由于导弹的复杂工作环境，雷达导引头伺服系统对其动力学特性及传动精度有较高要求。为提高其传动精度，一般采用双片齿轮消隙的方式消除回程误差。采用集中质量法建立考虑时变啮合刚度及齿面摩擦的消隙齿轮动力学模型，将消隙齿轮视为两对通过扭簧相互耦合的啮合副，并将齿侧间隙引入作为接触判定条件。通过动力学仿真研究了扭簧预紧力矩和扭簧刚度对消隙齿轮系统动态传动误差及谐振频率的影响。研究表明:扭簧刚度对系统动态传动误差及谐振频率影响较小，而扭簧预紧力矩的增大有利于提高谐振频率和抑制一阶谐振幅值，降低负载波动对系统的影响。由于扭簧作用产生额外的载荷，扭簧预紧力矩的增加会增大系统动态传动误差。     

关节铰间隙对漂浮基星载天线扰动研究

为了研究关节铰间隙对星载天线扰动,建立了铰间隙矢量矩模型,采用非线性弹簧阻尼及修正库仑摩擦建立了铰间隙碰撞力和摩擦力模型;进一步推导了理想铰和含间隙铰变拓扑结构的漂浮基星载天线多体系统动力学模型。通过接触碰撞判别准则,将系统的几何约束转化为力约束,使得系统无拓扑结构变化,便于系统的全局仿真。最后对理想铰与含间隙铰的漂浮基星载天线系统仿真分析,结果表明,较小间隙对星载天线位姿和指向影响很小,但极大增加关节的碰撞力,随着时间流逝,其位姿和指向精度偏差变大,但由于非线性阻尼的存在,碰撞力逐渐变小,最终保持接触状态。结论对星载天线指向精度的分析与控制具有重要的理论价值及工程实际意义。
     

星载大型空间天线的一种解耦控制方法

针对星载大型空间可展开天线与卫星平台之间的动力学耦合问题提出一种三自由度驱动与测量机构用于连接天线臂与卫星平台。该机构以驱动电机来控制天线臂转动,通过角度传感器对天线臂转角的测量来实现反馈控制,同时在卫星姿态控制系统中引入前馈控制进行反作用力矩补偿,实现卫星平台与天线之间的解耦控制、抑制天线的振动、提高卫星姿态控制系统的性能。通过姿态稳定状态下卫星-天线系统解耦动力学模型的建立、控制系统的设计、姿态控制的仿真分析,表明解耦机构能大幅增加天线振动的阻尼,有效提高卫星稳定性和天线指向精度。     

大型空间机械臂关节动力学建模与分析研究

关节是空间机械臂的核心部件,是保证空间机械臂安全、平稳运行的关键。为全面反映大型空间机械臂关节的动力学特性并从细节之处优化关节设计,利用集中参数法建立了综合考虑轮齿柔性、啮合阻尼、齿侧间隙、啮合误差等非线性因素的细化关节动力学模型。模型中采用一种基于tanh的连续函数对传统分段线性间隙函数进行近似,从而降低了模型的求解难度。研究了各级齿轮精度、关节转速和负载对关节动力学特性的影响。仿真结果表明,三级齿轮的精度变化会影响关节转速波动的振幅并分别影响高、中、低频特性;转速的增加将提高振动频率和幅值;力矩负载的增大会使关节转速波动幅值显著增大,且在满载时,所有的高阶频率都得到明显激励;惯性负载的增大会减小转速波动,并将能量集中在中频上。
     

大型网状天线展开指向精度测量方法研究

可展开天线研制过程中需对其进行地面展开指向精度测试以验证天线在轨实际指向性能.为了实现大型网状天线展开指向精度的地面测量,基于天线实际结构特点,从影响天线展开指向精度的因素入手,在建立的统一卫星坐标系分析模型下采用了一种基于展开臂、反射器和馈源阵等多个组成子部件单独展开指向精度直接测量的模式,并在各子部件测量结果的基础上间接分析得到天线的综合指向精度,最终不仅解决了目前对于大型网状天线展开指向精度在地面无法直接测量的难题,实现了其指向精度的间接测量,而且使综合测量精度优于0.01°,满足了高精度测量需求,研究结果对后续相关类型大尺寸天线展开指向的高精度测量和分析具有重要的指导意义.     

大型索网式可展开天线在轨高精度指向控制

以星载大型索网式可展开天线为对象,研究在轨工作过程中天线视轴高精度高稳定度指向控制方法。首先,基于Craig-Bampton法建立表征天线指向的动力学模型;然后针对天线振动对视轴指向的影响,设计PD反馈+陷波滤波器的控制算法;进一步分析影响指向精度的因素,设计带有调节滤波器的改进控制器以减小天线视轴指向的周期性误差,提高指向精度与稳定度。最后,给出数值仿真校验的结果并与现有的方法进行比较。结果表明,所提出的控制算法在保证天线指向稳定的同时,可以有效减小天线视轴的指向偏差,并对干扰与振动具有良好的鲁棒性。     

卫星姿轨控制对大型柔性索网天线在轨指向影响分析

文章针对星载天线大尺寸、大柔性，引起卫星姿轨控时卫星本体姿态运动与柔性天线自身弹性变形相互耦合，进而导致天线指向精度下降的问题，提出了一种计算卫星姿轨控制引起的大型柔性天线在轨波束指向偏差的计算方法。首先，结合有限元法和混合坐标法，通过理论推导，建立了卫星与大型柔性索网天线刚柔耦合动力学模型；然后，以某在轨成像卫星东西位保为例，通过有限元法对该柔性索网天线进行模态分析，得到描述天线弹性振动的模态矩阵与质量矩阵，结合天线的模态矩阵、质量矩阵及天线与卫星本体的坐标转换关系，得到天线振动相对于星本体坐标系的平动耦合系数与转动耦合系数，再与星本体的刚体运动参数组合起来，求解卫星天线刚柔耦合动力学模型，即可得到天线实际振动位移。最后，根据天线实际振动位移进行天线型面拟合，并选取其最差型面进行了天线电波束指向仿真。仿真结果表明，天线方位向的波束指向偏差最大为0.0576°，可为天线在轨指向设计提供依据。该算法同样适用于卫星其他姿轨控制工况。     

航天器缠绕肋天线缠绕过程动力学建模与仿真

航天器缠绕肋天线缠绕过程,涉及柔性大变形与大范围运动的耦合、阻尼因素影响,以及缠绕肋条与中心毂接触碰撞等动力学问题,是获取缠绕肋天线展开特性的重要输入。文章应用空间绝对节点坐标法对缠绕肋天线建模,基于比例阻尼模型推导了阻尼力对绝对坐标列阵的雅克比矩阵,建立了缠绕肋条与中心毂的刚柔耦合系统接触碰撞检测模型。通过对缠绕肋条缠绕过程进行仿真,获得了缠绕肋条缠绕过程的动力学响应,分析了阻尼系数选取对缠绕速度、中心毂接触力的影响,结果可为缠绕肋天线展开过程的动力学分析提供输入,并为缠绕肋天线研制过程中缠绕、展开试验提供参考。     

空间机械臂关节精细动力学模型的建立及关节力矩控制

针对空间机械臂辅助对接任务中的复杂关节力矩控制问题,建立了含间隙、非线性刚度及啮合阻尼的多级行星齿轮传动复杂关节精细动力学模型,该模型不仅考虑了齿轮啮合刚度,而且考虑了齿轮轴的扭转刚度。提出了一种基于关节动态扭转变形的关节力矩测量方法,并以此建立关节力矩控制系统,利用Runge\|Kutta算法对关节精细动力学模型进行了数值计算。计算结果表明,此关节力矩控制方法约有1.7%的稳态误差,能满足关节力矩控制的需要;基于关节动态扭转变形的关节力矩测量方法有效地解决了提高关节力矩测量精度与保持传感器刚度之间的矛盾。     

基于蒙特卡洛法的卫星天线板展开精度分析

卫星天线板的展开精度对卫星在轨工作精度有影响显著,展开精度受多种因素影响,其中加工装配误差难以避免且具有不确定性,需利用统计和概率方法进行研究。文章分析了卫星天线板支撑机构锁定铰链锁定位置偏差对天线板展开精度的影响;建立了卫星天线板动力学模型,提取动力学分析结果作用于展开状态的天线板有限元模型进行静力分析,得到结构节点变形;定义了衡量天线板变形程度的精度指标,包括平面度偏差和指向角度偏差;基于给定的铰链锁定误差分布,采用蒙特卡洛法得到了天线板展开状态下精度指标的概率分布,拟合并验证了其满足正态分布,为天线板的可靠性设计和展开精度改进提供了依据。     

环柱式天线展开过程耦合动力学分析

针对环柱式天线展开过程中斜拉绳索释放运动与桁架展开运动之间耦合动力学分析困难的问题,采用非线性欧拉梁单元对斜拉绳索建模,基于几何精确梁理论对环形桁架建模,提出了环柱式天线多体系统模型,实现了结构展开过程中绳索释放与桁架展开耦合动力学的精准仿真,揭示了绳索柔性等因素对桁架伸展起阻碍作用的机理。仿真结果表明,在环柱式天线展开过程中,减小绳索模量,降低绳索直径,采用单绳索分布设计,有利于提高桁架的展开稳定性。另外,绳索柔性对桁架展开中间阶段影响最为显著。该分析结果为环柱式天线在轨展开动力学预示和优化设计提供了指导作用。     

卫星光通信终端二维转台运动参量对天线指向影响研究

二维转台与卫星平台间的耦合运动，是影响卫星光通信终端天线指向控制的重要因素。在耦合动力学模型基础上，研究了二维转台不同运动参量对光通信终端天线指向偏差的影响。分析结果表明：在耦合动力学环境下，光束指向偏差随二维转台转动成规律性变化；当方位轴、俯仰轴转角θh、θv分别为（π，0）、（-π，0）时，指向偏差出现最大值；随二维转台转动时间的增加，天线指向偏差略有增加，转动时间由10s增加到1000s时增幅仅为1％。其结果为补偿耦合运动影响，保证天线指向控制精度，提高卫星光通信终端星上应用的稳定性打下基础。     

导引头伺服机构消隙齿轮系统动力学特性分析

消隙齿轮广泛应用于导引头伺服机构惯性稳定平台传动系统中，用于消除回程误差，提高传动精度。目前，对消隙齿轮传动系统的动力学分析大多采用数值方法，然而在求解含时变啮合刚度和间隙的强非线性系统时耗时较长。本文利用集中质量法建立考虑时变啮合刚度的消隙齿轮系统动力学模型，通过对模型的无量纲及归一化处理，运用分段的增量谐波平衡法对消隙齿轮传动系统进行分析，并利用四阶Runge-Kutta法进行数值验证，研究了不同参数对消隙齿轮系统动力学特性的影响规律。结果表明:随扭簧刚度的提高，系统谐振频率也提高，且共振幅值降低;随内部激励的增加、阻尼比的减小，系统由周期运动逐渐变为混沌运动，且共振幅值增大。     

构架式天线柔性动力学建模与展开精度分析

构架式可展开天线具有结构非线性强、桁架系统复杂以及运动环节多等特点,通常被视作刚体系统进行建模分析。然而多刚体动力学方法在求解复杂的连杆结构时,难以处理数量大、非线性强的铰接间隙模型,因此并不能准确还原真实的结构特性,给构架式天线的地面展开验证带来很大困难。本文建立了一套适用于该型天线的柔性多体动力学模型,通过引入微小弹性形变来消除铰链间隙对天线展开的影响,并在型面精度方面与期望的天线展开模型进行了比较说明。在确保不影响结构真实性的前提下,通过降阶、引入稳定系数等手段提高了柔性体单元计算效率。通过约束方程的设计与模块拆分求解等方法,消除结构非线性的影响。解决了针对构架式可展开天线的复杂桁架系统强非线性动力学的高精度建模问题,为构架式天线的仿真提供了技术手段。     

中继卫星单址天线驱动控制系统设计

针对中继卫星单址天线与星体之间存在耦合效应以及单址天线需要高精度指向用户卫星的特点，将天线驱动控制系统作为星上一个相对独立的系统进行了设计。首先推导出了由两相永磁步进电动机驱动单址天线转动的动态方程，描述了系统存在的模型不确定性。考虑到步进电机的非线性特征，用DQ变换进行了反馈线性化处理，在此基础上设计了天线驱动控制系统的H∝回路成形控制器，并对所设计的控制器进行了鲁棒稳定性和鲁棒性能分析。数学仿真表明：提出的控制策略能使单址天线获得较高的指向精度，同时减小天线对星体平台的耦合影响.     

一种关节式人机合作机器人运动学及动力学建模

Cobot(Collaborative Robot)是一种可与操作者在同一作业空间实现直接物理合作的新型机器人.根据差动轮系的不完全约束特性,提出了基于差动轮系的关节式人机合作机器人的模型.根据差动机构与关节、差动机构与差动机构之间的耦合关系,建立了并联Cobot的运动学模型,以及由行星轮系实现的差动机构的动力学模型和关节式并联Cobot的动力学模型.这种关节式Cobot模型具有不完全约束特性,可以实现人与机器人在同一作业空间合作,而不会伤害操作者.这种Cobot模型可推广应用于多关节Cobot,主要应用在大规模零件的装配生产线、外科手术以及一些需要人机合作的场合.     

一种关节式人机合作机器人运动学及动力学建模

Cobot（Collaborative Robot）是一种可与操作者在同一作业空间实现直接物理合作的新型机器人。根据差动轮系的小完伞约束特性，提出了基于差动轮系的关节式人机合作机器人的模型。根据差动机构与关节、差动机构与差动机构之间的耦合关系，建专了并联Cobot的运动学模型，以及由行星轮系实现的差动机构的动力学模型和关节式并联Cobot的动力学模型。这种关节式Cobot模型具有不完全约束特性，可以实现人与机器人在同一作业空间合作，而不会伤害操作者。这种Cobot模型可推广应用于多关节Cobot，主要应用在大规模零件的装配生产线、外科手术以及一些需要人机合作的场合。     

某星载天线热变形对跟踪指向精度的影响仿真分析

星载天线在轨工作时,空间剧烈的冷热交变和较大的温度梯度会引起天线产生一定的热变形,导致波束指向发生偏转,降低系统跟踪指向精度,甚至使系统无法捕获目标。通过对天线热变形以及由此引起的波束指向变化进行仿真与分析,得出结论:天线波束指向由热变形引起的最大偏差为0.0247°,满足系统对于天线波束指向偏差小于0.05°的要求,为系统跟踪指向精度的计算提供了依据。     

基于修正模型的天线指向误差统计特性分析

作为评估天线性能的重要指标之一,天线指向精度直接影响着天线的跟踪观测性能。为了适应任务需求,提高天线及星地链路分析精度,本文基于指向误差修正模型对模型各分量的影响因素含义进行了系统分析,并定量研究了各个分量对指向误差的影响。基于各模型参数的分布特性,提出了一种指向误差概率分布模型,进一步完善了天线指向误差分析计算方法,最后利用天线的典型参数分析计算了天线指向误差角近似满足修正瑞利分布下的特征,可为后续星地链路统计分析提供参考依据。     

用户星天线指向控制设计初探

在数据中继卫星系统中，为保证用户星和中继星间的通信，用户星天线要精确指向中继星。由于天线指向系统和姿态控制系统间存在动态耦合，天线桅杆又有拉伸和扭转变形，所以仅靠卫星的姿态控制不能达到要求的指向精度，必须采用独立的指向控制系统。本文针对这一情况，首先分析了用户星天线指向跟踪信号，并设计单轴天线控制器。仿真结果表明，用典型跟踪信号作为输入，可得到满意的跟踪精度。